DE4204590C2 - Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in einem Belebungsbecken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in einem Belebungsbecken gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß Stickstoffverbindungen aus Wasser durch Hintereinanderschaltung einer aeroben und einer anoxischen Behandlungsstufe bei Gegenwart bestimmter Mikroorganismen eliminiert werden können. Der im Abwasser vorhandene Ammoniumstickstoff wird dabei in zwei Stufen durch spezialisierte Mikroorganismengruppen, sogenannte Nitrifikanten, oxidiert (Nitrifikation). Zur ersten Gruppe dieser Nitrifikanten gehört z. B. die Bakteriengattung Nitrosomonas, die das Ammonium zu Nitrit oxidiert; der zweiten Gruppe gehören z. B. die Nitrobacter an, die das Nitrit zu Nitrat weiteroxidieren. Die Nitrifikanten benötigen für ihre Tätigkeit Sauerstoff, d. h. sie brauchen aerobe Bedingungen.

Andererseits ist ein großer Teil von Bakterien in der Lage, bei Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff, also bei anoxischen Bedingungen, von Sauerstoffatmung auf Nitratatmung überzugehen. So reduzieren unter anoxischen Bedingungen gehaltene Bakterien bei Anwesenheit von Kohlenstoff das Nitrat zu elementarem Stickstoff, der einfach an die Atmosphäre abgegeben wird (Denitrifikation). Durch Kombination einer aeroben mit einer anoxischen Behandlungsstufe können also Stickstoffverbindungen aus dem Abwasser entfernt werden.

Dieser bekannten Methode, Stickstoff aus Abwasser auf biologischem Wege zu entfernen, liegt eine ungünstige Verkettung von unterschiedlichen Milieuanforderungen zugrunde, um die unterschiedlichen Bakteriengruppen wirksam werden zu lassen. Die Denitrifikation bedingt eine vorherige Nitrifikation und eine hohe Belastung mit organischen Kohlenstoffverbindungen. Die Nitrifikation ist aber nur nach oder gleichzeitig mit einem Kohlenstoffabbau möglich.

Bekannte Reinigungsverfahren sehen eine simultane Denitrifikation, bei der sauerstoffhaltige Zonen (Nitrifikation) und anoxische Zonen (Denitrifikation) räumlich und zeitlich ohne feste Trennung im Belebungsbecken abwechseln, und intermittierende Denitrifikation vor, bei der Nitrifikation und Denitrifikation in einem Becken zeitlich abwechseln. Bei einem Verfahren der letztgenannten Art ist es auch bekannt, den Abwasserzulauf zum Belebungsbecken schubweise in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken zu steuern (DE-OS 35 08 126) bzw. auch die Belüftung des Belebungsbeckens in Abhängigkeit vom Abwasserzulauf zum Becken in Abhängigkeit des Nitratgehaltes im Becken zu regeln (DE-OS 37 10 325). Um den Abwasserzulauf schubweise steuern zu können, sind bei diesen bekannten Verfahren dem Belebungsbecken ein Sandfang bzw. ein Vorklärbecken vorgeschaltet; diese dienen jedoch nur als Zwischenbecken, in denen keine biochemischen Reaktionen stattfinden. Die Zufuhr des Abwassers aus diesem Becken zum Belebungsbecken erfolgt durch einfachen Überlauf über ein entsprechend gesteuertes Wehr.

Es ist weiterhin bekannt, einem Belebungsbecken ein Denitrifikationsbecken vorzuschalten, in dem zufließendes Abwasser, Rücklaufschlamm und nitrathaltiger belebter Schlamm ohne Sauerstoffeintrag nur gemischt werden, so daß der belebte Schlamm bei anoxischen Bedingungen in Schwebe gehalten wird. In dem "ATV Regelwerk Abwasser - Abfall", Arbeitsblatt A 131, Februar 1991 ist bei vorgeschalteter Denitrifikation als Richtwert für die Bemessung des Denitrifikationsbeckens ein Volumen von mindestens 20 bis 50 % des Belebungsbeckens angegeben.

Bei der biologischen Abwasserreinigung besteht neben dem Problem, den unterschiedlichen Mikroorganismen jeweils optimale Bedingungen zu schaffen und diese in einen technisch beherrschbaren Zusammenhang zu bringen, das weitere Problem, die baulichen Aufwendungen für solche Kläranlagen gering zu halten, um nicht nur den Platzbedarf, sondern auch die Investitions- und Betriebskosten zu senken.

Bei kleinen Kläranlagen besteht regelmäßig das Problem, die Zuflußmenge und die Reinigungsleistung einigermaßen in Übereinstimmung zu bringen. In dem "ATV Regelwerk Abwasser - Abfall", Arbeitsblatt 126 sind bei Anschlußwerten zwischen 500 und 10 000 EW folgende Einleitwerte gefordert: CSB 120 mg/l, BSB 80 mg/l und NH₄-N 10 mg/l. In der Praxis wird somit bei solchen kleinen Kläranlagen nur die Elimination von Kohlenstoff betrieben. Die weitergehende Elimination von Stickstoff und Phosphat gilt nur für große Anlagen über etwa 10 000 EW.

Da die Nitrifikanten nur dann wachsen, wenn sie nicht durch andere Bakterien verdrängt werden, muß bei simultaner Denitrifikation-Nitrifikation die Kohlenstoffbelastung in das Becken gering gehalten werden. Das bedeutet, daß die Beckenvolumina entsprechend groß zu wählen sind. Wird dagegen die Denitrifikationsstufe vorgeschaltet, muß das Abwasser nach der Nitrifikationsstufe wieder in das vorgeschaltete Denitrifikationsbecken gepumpt werden. Will man eine 80%ige Stickstoffelimination erreichen, dann muß nach ATV A 131 das Rückführverhältnis 400% des einfließenden Abwassers betragen.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, vor allem bei kleinen Kläranlagen eine vollbiologische Reinigung mit weitestgehender Kohlenstoff- und Stickstoffelimination bei vermindertem Raum- und Energiebedarf und verbesserter Schlammqualität zu erreichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, daß in einem vorgeschalteten Kontaktbecken mit geringerem Volumen und geringerer Aufenthaltszeit des Abwassers als üblich eine teilweise Denitrifikation erfolgt und daß das so biologisch vorgereinigte Abwasser danach unter Einsatz hoher Scherkräfte intermittierend in das Belebungsbecken gefördert wird. Im Belebungsbecken können durch die intermittierende Beschickung und Belüftung, deren Intervalle aufeinander abzustimmen sind, der Kohlenstoff- und Stickstoffabbau optimiert werden.

Vor allem durch die geringe Aufenthaltszeit im Kontaktbecken werden die Bakterien in einen Streßzustand versetzt, der dazu führt, daß die Stickstoff- und Kohlenstoffelimination schneller vonstatten geht. Die Aufenthaltszeit im Kontaktbecken ist seinem Volumen direkt proportional. Die Mindestaufenthaltszeit von ca. 3% des Beckenvolumens ist notwendig, um die Denitrifikation zu ermöglichen; sie braucht aber nicht größer zu sein als 10% des Volumens des nachgeschalteten Beckens.

Durch die intermittierende Zugabe des so biologisch vorgereinigten Abwassers sind im Belebungsbecken unterschiedliche Konzentrationen vorhanden; schon diese führen dazu, daß die Bakterien in einen weiteren Streßzustand versetzt werden, so daß hierdurch auch die Eliminationsleistung im Belebungsbecken erhöht wird. Die intermittierende Beschickung des Belebungsbeckens sollte in einem kurzen Zeitraum, vornehmlich maximal fünf Minuten, abgeschlossen sein. So entstehen bei der Beschickung z. B. durch Pumpen hohe Scherkräfte mit der Folge, daß die zuvor im Kontaktbecken gebildeten Bakterienflocken im Scherfeld zerschlagen werden. Durch diesen mechanischen Streß entsteht einerseits eine größere wirksame Oberfläche der Bakterien, da die Flocken kleiner werden, andererseits werden verstärkt Exopolymere ausgeschieden, wodurch die Biosorption erhöht wird. Im Belebungsbecken bilden sich dann wieder größere Bakterienflocken mit der Folge, daß der Bakterienschlamm sich in der Nachklärung besser absetzt. Durch diese Prozeßführung wird auch die Bildung von Blähschlamm unterdrückt.

Nach der Erfindung kann das Belebungsbecken kleiner gehalten werden, da durch die vorgeschaltete Denitrifikationsstufe auch schon Kohlenstoff abgebaut wurde. Zum anderen benötigt man nur ein kleines Denitrifikationsbecken als Kontaktbecken, weil in der anschließenden simultanen Denitrifikations-Nitrifikations-Stufe der Rest an Kohlenstoff und Stickstoff eliminiert wird. Darüber hinaus reicht nach der Erfindung ein Rückführverhältnis von ca. 100% aus. Im Kontaktbecken werden auf diese Weise ca. 30% des Nitrats abgebaut, der Rest im Belebungsbecken. Dadurch wird das Gesamtvolumen geringer und werden die Betriebskosten vermindert, vor allem durch Einsparung von Betriebskosten für das Umpumpen des Rücklaufs.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwar neben dem Belebungsbecken ein zusätzliches Kontaktbecken benötigt. Da dieses aber sehr viel kleiner ist als ein übliches vorgeschaltetes Denitrifikationsbecken (sein Volumen beträgt weniger als 20%, vorzugsweise etwa zwischen 3 und 10% des Belebungsbeckens), hält sich der Investitionsbedarf in Grenzen. So ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bei geringem zusätzlichem Raumbedarf einen erhöhten Abbau organischen Kohlenstoffs, eine vollständige Nitrifikation und Denitrifikation sowie eine erhöhte Biosorption und eine verbesserte Schlammqualität im Nachklärbecken.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, das schematisch die einzelnen Aggregate einer biologischen Abwasserreinigungsanlage gemäß der Erfindung zeigt.

Bei der in der Zeichnung schematisch dargestellten Kläranlage erfolgt der Zulauf 1 kontinuierlich über eine Rechenanlage 2 sowie einen Sandfang 3 zu einem vorgeschalteten Kontaktbecken 4. Im Kontaktbecken 4 sind Pumpen 5 für eine intermittierende Beschickung des Belebungsbeckens 6 vorgesehen. Im Belebungsbecken 6 befinden sich Einrichtungen 7 für einen Lufteintrag durch eine Leitung 8. Das im Belebungsbecken 6 biologisch gereinigte Abwasser gelangt dann in ein Nachklärbecken 9, in dem sich der Schlamm absetzen und das gereinigte Abwasser über einen Ablauf 10 ablaufen kann. Durch Pumpen 11 wird der Schlamm abgepumpt; er gelangt entweder über eine Leitung 12 als Rücklaufschlamm zur Nitratanreicherung in das Kontaktbecken oder wird über eine Leitung 13 als Überschußschlamm abgeführt.

Das Kontaktbecken 4 ist so ausgelegt, daß eine maximale Aufenthaltszeit von etwa 30 Minuten gewährleistet ist. Dies entspricht etwa einem Verhältnis des Volumens des Kontaktbeckens 4 zu demjenigen des Belebungsbeckens 6 von etwa 6 : 94. In dem Kontaktbecken 4 findet unter anoxischen Bedingungen eine teilweise Denitrifikation statt. Das notwendige Nitrat, das im Belebungsbecken 6 durch Nitrifikanten gebildet wurde, gelangt mit dem Rücklaufschlamm über die Leitung 12 in das Kontaktbecken 4.

Gleichzeitig fließt aus dem Sandfang 3 mechanisch vorgereinigtes Abwasser zu, so daß eine ausreichende Kohlenstoffversorgung gewährleistet ist.

Das so biologisch vorgereinigte Abwasser wird über die Pumpen 5 zyklisch in das Belebungsbecken 6 gefördert. Diese zyklische Beschickung soll in einem sehr kurzen Zeitraum, maximal fünf Minuten, abgeschlossen sein. Hierdurch sowie unter Erzeugung eines hohen Scherfeldes, wodurch die Bakterienflocken zerschlagen werden, geraten die Bakterien in einen Streßzustand, in dem sie bevorzugt Exopolymere bilden, an denen sich die Bakterien wieder anlagern können und so zu neuen Bakterienflocken werden. Durch diesen mechanischen Streß entsteht einerseits eine größere Oberfläche, da die Flocken kleiner werden. Durch die streßbedingt verstärkte Bildung von Exopolymeren bilden sich im Belegungsbecken wieder größere Bakterienflocken mit der Folge einer raschen Prozeßführung und einer Verbesserung der Schlammqualität, insbesondere stärkerer Neigung zur Sedimentation und zu einem geringen Schlammvolumenindex.

Die weitere Denitrifikation im Belebungsbecken kann in an sich bekannter Weise durch Ein- und Ausschalten der Belüftung durchgeführt werden. Die zyklischen Intervalle der Belüftung sollten an diejenigen der Beschickung angepaßt sein. Die Belüftungszeit sollte wie die anoxische Phase auch etwa 20 Minuten pro Stunde betragen. In der anoxischen Phase wird die Durchmischung entweder durch das Pumpen des Rücklaufschlammes oder durch den zusätzlichen Einbau eines Rührwerkes gewährleistet.

Claims (5)

1. Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in einem Belebungsbecken nach dem Belebtschlammverfahren mit Kohlenstoffabbau und intermittierender Denitrifikation sowie intermittierender Zufuhr von Abwasser zum Belebungsbecken, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Belebungsbecken (6) vorgeschalteten, kontinuierlich durch mechanisch vorgereinigtes Abwasser beschickten Kontaktbecken (4), dessen Volumen kleiner ist als 20 % des Volumens des Belebungsbeckens (6), unter anoxischen Bedingungen und Rückführung nitratreichen Wassers bzw. Schlammes eine teilweise Denitrifikation des Abwassers erfolgt und daß das so vorbehandelte Abwasser unter Einsatz hoher Scherkräfte, z. B. hoher Pumpgeschwindigkeit, in das Belebungsbecken (6) gefördert wird, in dem der Kohlenstoffabbau und die Nitrifikation/Denitrifikation erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Belebungsbecken intermittierend belüftet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungszeiten größer sind als 10 Minuten pro Stunde.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungszeiten etwa 20 Minuten pro Stunde betragen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Intervalle der Belüftungszeiten an diejenigen der Beschickung angepaßt werden.