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DE10127545A1 - Verfahren und Vorrichtung zur weitergehenden Reinigung kommunaler Abwässer - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur weitergehenden Reinigung kommunaler Abwässer

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DE10127545A1
DE10127545A1 DE2001127545 DE10127545A DE10127545A1 DE 10127545 A1 DE10127545 A1 DE 10127545A1 DE 2001127545 DE2001127545 DE 2001127545 DE 10127545 A DE10127545 A DE 10127545A DE 10127545 A1 DE10127545 A1 DE 10127545A1
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DE
Germany
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treatment plant
phosphate
water
carbon dioxide
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DE2001127545
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Bernd-Ulrich Wilk
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WASSER und ABWASSERZWECKVERBAN
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WASSER und ABWASSERZWECKVERBAN
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur weitergehenden Reinigung kommunaler Abwässer von Phosphaten, Ammoniumstickstoff sowie organischer Schmutzfracht nach Verlassen der Kläranlage. DOLLAR A Die Vorrichtung ist ein vertikal durchströmter chemosorptiver Bodenfilter, der an seiner unteren und seinen seitlichen Begrenzungen wasserundurchlässig ist. In seinem unteren Bereich befindet sich eine Auffangschicht 2 aus grobem Kies, darüber eine Adsorptionsschicht 3 aus granuliertem Kalziumkarbonat und/oder Magnesiumkarbonat, vorzugsweise aus Kalk, in der die Phosphate chemisch zu wasserunlöslichem Kalzium- bzw. Magnesiumphosphat gebunden und über nebenvalente Kräfte an den Kalk angelagert werden. Auf der Adsorptionsschicht 3 liegt eine Trennschicht 5 aus feuchtigkeitsresistentem Vlies. Darauf befindet sich der Bodenkörper 6, bestehend aus einer dicken Sandschicht und die Verteilerschicht 7 aus Kies. In den beiden zuletzt genannten Schichten wird durch die dort befindliche Biomasse die organische Schmutzfracht abgebaut und der Ammoniumstickstoff zu Nitratstickstoff umgesetzt. Der zu den chemischen Vorgängen erforderliche Sauerstoff bzw. das Kohlendioxid kommen durch Verregnen des Kläranlagenablaufes 1 aus der Luft oder entstehen bei der Umsetzung der organischen Schmutzfracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur weitergehenden Reinigung kommunaler Abwässer, nach dem diese die Nachklärung der Kläranlage verlassen haben.
Gemäß der zur Zeit angewandten Verfahrensweise wird der Kläranlagenablauf nach erfolgter Reinigung in den Vorfluter eingeleitet.
Dieser Kläranlagenablauf kann noch zu viel Phosphate und Ammoniumstickstoff sowie organische Schmutzfracht enthalten und belastet somit die Gewässer.
Aus der Praxis ist bekannt, den Kläranlagenablauf mit Eisen-3- Chlorid zu versetzen und damit eine Phosphatfällung zu erreichen. Der entstandene Schlamm setzt sich ab und muß abgetrennt werden.
Diese Verfahrensweise ist sehr kostenaufwendig. Außerdem werden damit nur die Phosphate entfernt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus dem Kläranlagenablauf die noch vorhandenen Phosphate, den Ammoniumstickstoff sowie die organische Schmutzfracht entsprechend den territorial vorgeschriebenen Parametern kostengünstig zu entfernen und darüberhinaus den Kläranlagenablauf weitestgehend zu entkeimen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe entsprechend dem in den Patentansprüchen beschriebenen Verfahren und der dazugehörigen Vorrichtung gelöst.
Das Aufbringen des Kläranlagenablaufes auf die Verteilerschicht muß immer mit dem gleichzeitigen Einbringen von Luftsauerstoff und Kohlendioxid verbunden sein, um die chemischen und adsorptiven Vorgänge in den darunterliegenden Schichten ablaufen zu lassen. Das bei der Umsetzung der organischen Schmutzfracht durch die Biomasse entstandene Kohlendioxid zusammen mit dem Kohlendioxid aus der Luft deckt den Kohlendioxidbedarf bei der chemischen Reaktion desselben mit dem Kalzium- bzw. Magnesiumkarbonat und den Phosphaten in der Adsorptionsschicht. Das Kohlendioxid gelangt in Form von Kohlensäure in die Adsorptionsschicht. Diese ist ständig überstaut. Nur so ist es möglich, die für die chemische Reaktion nötige Ionisierung durchgängig aufrecht zu erhalten. Die vorher adsorptiv am Kalzium- bzw. Magnesiumkarbonat angelagerten Phosphate werden auf diese Weise chemisch gebunden.
Das den chemosorptiven Bodenfilter verlassende Wasser ist gegenüber dem Kläranlagenablauf weitgehend von Phosphaten befreit, um bis zu 80% ist der Ammoniumstickstoff verringert und die organische Schmutzfracht wird um weitere bis zu 70% gesenkt, so daß Badewasserqualität erreicht wird.
Um diese effektive weitergehende Reinigung des Kläranlagenablaufes zu erreichen, ist eine genaue Berechnung des chemosorptiven Bodenfilters erforderlich. Zu berechnen sind die flächenmäßige Ausdehnung, die abhängig ist von der hydraulischer Belastung der vorhandenen organischen Schmutzfracht und der Ammoniumstickstoffbelastung. Die Menge des Kalzium- bzw. Magnesiumkarbonates richtet sich nach der Phosphatbelastung des Kläranlagenablaufes und der Nutzungszeit in Jahren. Dementsprechend wird die erforderliche Schichtdicke des Kalkes, die aber mindestens 20 cm betragen soll, bemessen. Vorteilhafterweise liegt die Körnung bei etwa 0,5 bis 4 mm.
In jedem Fall spielen aber bei der Berechnung die territorialen Anforderungen an den Reinheitsgrad des Wassers eine Rolle.
Der Adsorptionsgrad ist über die Verweilzeit beeinflußbar. Mittels Staueinrichtungen am Ablauf ist die Verweilzeit beeinflußbar. Höherer Überstau verlängert diese.
Die Adsorptionsschicht muß mengenmäßig so bemessen sein, daß über den geplanten Nutzungszeitraum das anfallende Phosphat chemisch und durch nebenvalente Kräfte gebunden und dort gespeichert wird, ohne daß die chemischen und adsorptiven Vorgänge beeinträchtigt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt den Aufbau des chemosorptiven Bodenfilters.
Der Kläranlagenablauf 1 wird mittels eines chemosorptiven Bodenfilters von der noch vorhandenen organischen Schmutzfracht, von Phosphaten und Ammoniumstickstoff weitgehend befreit.
Der chemosorptive Bodenfilter ist ein wasserundurchlässiges Becken, das vorteilhafterweise wenigstens teilweise oder ganz in den Böden eingelassen ist. An seinem Boden befindet sich eine bis 10 cm dicke Auffangschicht 2 aus grobem Kies für die Aufnahme von Feinstteilchen unter 0,25 mm, die im verwendeten Substrat enthalten sind.
Darüber ist die Adsorptionsschicht 3 aus Kalziumkarbonat und Magnesiumkarbonat angeordnet. Vorzugsweise wird Kalk verwendet mit einem CaCO2-Anteil von ca. 45% und einem MgCO2-Anteil von ca. 25%. Der Kalk ist granuliert und besitzt eine Körnungsgröße zwischen 0,5 und 4 mm. Die Kalkmenge ist variabel und muß berechnet werden entsprechend der hydraulischen Belastung, des im Kläranlagenablauf 1 vorhandenen Phosphatanteils und der Nutzungsdauer des chemosorptiven Bodenfilters. Die Schichtdicke des Kalkes sollte aber mindestens 20 cm betragen.
Im unteren Bereich der Adsorptionsschicht 3 befindet sich die Drainage 4, in der das gereinigte Wasser gesammelt und in den Vorfluter abgeleitet wird. Der Ablauf 8 der Drainage 4 ist in Höhe des oberen Randes der Adsorptionsschicht 3 im Bereich der Trennschicht 5 angeordnet, so dass die Adsorptionsschicht 3 ständig überstaut ist.
Die Adsorptionsschicht 3 ist mittels eines Vlieses abgedeckt, das als Trennschicht 5 zu dem darauf befindlichen Bodenkörper 6 dient.
Der Bodenkörper 6 ist eine Sandschicht mit einer Körnungsgröße unter 4 mm und einer Schichtdicke von 60 bis 80 cm. Darauf befindet sich die Verteilerschicht 7. Sie besteht aus Kies mit einer Körnungsgröße von 16 bis 32 mm und einer Schichtdicke von 15 bis 20 cm. Die Schichtdicke des Bodenkörpers 6 und der Verteilerschicht 7 sind konstant. Sie sind also unabhängig von der Fläche des chemosorptiven Bodenfilters, von der hydraulischen Belastung sowie von den Konzentrationen der Phosphate, des Ammoniumstickstoffes und der organischen Schmutzfracht. Die Fläche des Bodenkörpers 6 und der Verteilerschicht 7 und damit des gesamten chemosorptiven Bodenfilters richten sich nach der maximalen hydraulischen Belastung, der maximalen organischen Schmutzfracht, sowie der maximalen Belastung durch Ammoniumstickstoff und Phosphate.
Bei dem chemosorptiven Bodenfilter handelt es sich um einen vertikal durchströmten Bodenfilter.
Der Kläranlagenablauf 1 wird über der Verteilerschicht 7 verregnet. Dadurch wird Luftsauerstoff und Kohlendioxid aus der Luft in die Verteilerschicht 7 und den Bodenkörper 6 eingetragen.
Bei einer anderen Verfahrensweise wird der Kläranlagenablauf 1 in größeren Mengen auf die Verteilerschicht 7 aufgebracht und diese mit Kläranlagenablauf 1 überschwemmt. Das geschieht intermittierend, um nach den Phasen der hydraulischen Belastung die freien Poren in der Verteilerschicht 7 und dem Bodenkörper 6 wieder mit Luftsauerstoff und Kohlendioxid aus der Luft aufzufüllen. Das ablaufende Wasser saugt dabei die Luft nach. Die erneute hydraulische Belastung komprimiert die angesaugte Luft und läßt diese in feinen Bläschen aufsteigen.
Bei besonders hohem Sauerstoffbedarf ist es auch möglich die beiden beschriebenen Verfahren zu kombinieren und den Kläranlagenablauf 1 intermittierend zu verregnen.
Durch diese beschriebenen Verfahrensweisen wird der Abbau der noch vorhandenen organischen Schmutzfracht erreicht. Im Bodenkörper 6 und der Verteilerschicht 7 erfolgt der Abbau der organischen Schmutzfracht durch die dort vorhandene Biomasse und ihre Filterwirkung entkeimt zusätzlich den Kläranlagenablauf 1.
Der Kläranlagenablauf 1 wird auf die Verteilerschicht 7 aufgebracht. Dabei wird, wie oben in den unterschiedlichen Verfahren beschrieben, Luftsauerstoff und Kohlendioxid in die Verteilerschicht 7 und den Bodenkörper 6 eingebracht. Durch die dort vorhandene Biomasse und den eingetragenen Sauerstoff wird die noch vorhandene Schmutzfracht abgebaut wodurch weiteres Kohlendioxid freigesetzt wird, das sich mit Wasser zu Kohlensäure verbindet. Die Kohlensäure gelangt mit dem Wasser durch die Trennschicht 5 in die Adsorptionsschicht 3. Weiterhin wird im Bodenkörper 6 und der Verteilerschicht 7 der Ammoniumstickstoff abgebaut. Der Ammoniumstickstoff reagiert mit dem eingetragenen Luftsauerstoff zu Nitratstickstoff. Auf diese Weise werden ca. 80% des Ammoniumstickstoffes entfernt.
NH4N + 2O2 ↔ 1/2NO2 + 2H2O
Nun sind nur noch die Phosphate im Wasser enthalten, die durch die Trennschicht 5 in die Adsorptionsschicht 3 diffundieren. Dort findet neben dem Adsorptionsvorgang auch eine chemische Reaktion statt. Die CO2-Ionen, die bei der biologischen Umsetzung der organischen Schmutzfracht frei geworden sind, bzw. die aus der Luft stammen, reagieren mit einem Teil des wasserunlöslichen Kalziumkarbonates zu Kalziumhydrogenkarbonat, welches dann mit den Phosphaten wasserunlösliches Kalziumphosphat bildet. Ist die Kalziumkarbonatmenge, ausgehend vom Phosphatanfall und der Arbeitsdauer, in Jahren, des chemosorptiven Bodenfilters richtig berechnet worden, so kann von einer vollständigen Umsetzung des Phosphates ausgegangen werden.
H2CO3 ↔ 2H+ + CO3 2-
CaCO3 + 2H+ + CO3 2- ↔ Ca2+ + 2HCO3-
3Ca2+ + 2PO4 3- ↔ Ca3(PO4)2
Bei dem im Kalk vorhandenen Magnesiumkarbonat läuft eine analoge chemische Reaktion ab, wie bei dem Kalziumkarbonat. In dem Fall wird das wasserunlösliche Magnesiumphosphat gebildet.
Die Adsorption erfolgt mittels physikalischer Oberflächenkräfte des Adsorbens.
Bei der vorgesehenen Adsorption liegt die Aktivität des Kalkes bei ca. 5%.
Das Phosphat wird über nebenvalente Kräfte an den Kalk gebunden und verbleibt dort über die gesamte Zeit, für die der chemosorptive Bodenfilter ausgelegt ist. In der Regel können das 20 bis 30 Jahre sein.
Der so gereinigte Kläranlagenablauf 1 wird nach erfolgter Reinigung über die Drainage 4 als Reinwasser abgezogen und in den Vorfluter weitergeleitet.
Die Verweilzeit in chemosorptiven Bodenfilter ist abhängig von der Durchlaufgeschwindigkeit durch die Verteilerschicht 7 und den Bodenkörper 6 sowie von dem freien Porenvolumen in der Adsorptionsschicht 3. Sie sollte aber mindestens vier Stunden betragen.
Da die Menge des Kläranlagenablaufes 1, seine Belastung mit Phosphaten und Ammoniumstickstoff sowie mit organischer Schmutzfracht und seine Verwendungszeit von Anwendungsfall zu Anwendungsfall variieren und die qualitativen Anforderungen an das in den Vorfluter einzubringende Abwasser territorial unterschiedlich sein können, ist für jeden Anwendungsfall der chemosorptive Bodenfilter entsprechend den spezifischen Bedingungen zu berechnen. Das betrifft seine flächenmäßige Ausdehnung und besonders die Menge des in Ansatz zu bringenden Kalkes.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen zur Erfindung
1
Kläranlagenablauf
2
Auffangschicht
3
Adsorptionsschicht
4
Drainage
5
Trennschicht
6
Bodenkörper
7
Verteilerschicht
8
Ablauf

Claims (16)

1. Verfahren zur weitergehenden Reinigung kommunaler Abwässer, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kläranlagenablauf über einer Verteilerschicht unter Eintrag von Luftsauerstoff und Kohlendioxid aus der Luft großflächig verregnet wird oder
in größeren Mengen großflächig aber intermittierend auf die Verteilerschicht aufgebracht wird, wobei der ablaufende Kläranlagenablauf in den Auftragspausen Luftsauerstoff und Kohlendioxid nachsaugt und
in der Verteilerschicht und in dem Bodenkörper mittels der dort befindlichen Biomasse die noch Vorhandene organische Schmutzfracht unter Mitwirkung des eingetragenen Luftsauerstoffes abgebaut wird unter Freisetzung von Kohlendioxid, das sich im Wasser zu Kohlensäure umsetzt und durch die Trennschicht in die Adsorptionsschicht wandert und
in der Verteilerschicht und dem Bodenkörper sich der Ammoniumstickstoff, der sich noch im Kläranlagenablauf befindet, mit dem eingetragenen Luftsauerstoff zu Nitratstickstoff verbindet und
in der Adsorptionsschicht die Phosphate chemisch umgesetzt und über nebenvalente Kräfte an den Kalk gebunden werden, indem
die CO2-Ionen aus der Kohlensäure mit einem Teil des wasserunlöslichen Kalziumkarbonates bzw. Magnesiumkarbonates Kalziumhydrogenkarbonat bzw. Magnesiumhydrogenkarbonat bilden, das sich dann mit dem im Kläranlagenablauf befindlichen Phosphaten zu wasserunlöslichem Kalziumphosphat bzw. Magnesiumphosphat verbindet und
das von biologischer Schmutzfracht, Phosphaten und Ammoniumstickstoff befreite Wasser über die Drainage in den Vorfluter abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kläranlagenablauf intermittierend über der Verteilerschicht verregnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kläranlagenablauf durch die Filterwirkung des Bodenkörpers und der Verteilerschicht entkeimt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phosphat über nebenvalente Kräfte an das Kalzium- bzw. Magnesiumkarbonat gebunden wird und während der gesamten Betriebsdauer des chemosorptiven Bodenfilters dort verbleibt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Anwendungsfall die flächenmäßige Ausdehnung des chemosorptiven Bodenfilters sowie die Menge des in Ansatz zu bringenden Kalzim- bzw. Magnesiumkarbonates in Abhängigkeit von der hydraulischen Belastung, von der Belastung mit Phosphaten und Ammoniumstickstoff, der noch vorhandenen organischen Schmutzfracht sowie den territorialen Anforderungen an das in den Vorfluter einzuleitende Wasser, berechnet wird.
6. Vorrichtung zur weitergehenden Reinigung kommunaler Abwässer, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein vertikal durchströmter chemosorptiver Bodenfilter ist, der an seinen seitlichen Begrenzungen und seiner unteren Begrenzung wasserundurchlässig und wenigstens teilweise oder ganz in das Erdreich eingelassen ist und in seinem unteren Teil ist eine Auffangschicht (2), darüber eine Adsorptionsschicht (3), in deren unterem Bereich sich eine Drainage (4) befindet, und über der Adsorptionsschicht (3) ist eine Trennschicht (5) angeordnet und auf der Trennschicht (5) befindet sich der Bodenkörper (6), der durch die Verteilerschicht (7) abgedeckt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangschicht (2) eine bis zu 10 cm dicke Schicht aus grobem Kies ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsschicht (3) aus granuliertem Kalziumkarbonat oder Kalzium- und Magnesiumkarbonat oder Magnesiumkarbonat mit eine Körnungsgröße zwischen 0,5 und 4 mm besteht und die Schichtdicke der Adsorptionsschicht (3) variabel ist, aber mindestens 20 cm beträgt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsschicht (3) vorzugsweise aus Kalk besteht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Adsorptionsschicht (3) abhängig ist von der Phosphatbelastung des Kläranlagenablaufes und der beabsichtigten Benutzungszeit des chemosorptiven Bodenfilters, in Jahren.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslauf (8) der Drainage (4) sich in Höhe der Trennschicht (5) befindet, so dass die Adsorptionsschicht (3) steinig überstaut ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (5) ein Vlies ist, das aus einem feuchtigkeitsresistenten Kunststoff besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bodenkörper (6) eine 60 bis 80 cm dicke Sandschicht ist, mit einer Körnungsgröße unter 4 mm.
14. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerschicht (7) aus einer 15 bis 20 cm dicken Kiesschicht mit einer Körnungsgröße von 16 bis 32 mm besteht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des chemosorptiven Bodenfilters abhängig ist von der maximalen hydraulischen Belastung, der maximalen organischen Schmutzfracht, sowie der maximalen Belastung durch Ammoniumstickstoff und Phosphate.
16. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Kläranlagenablaufes (1) im chemosorptiven Bodenfilter von der Durchlaufgeschwindigkeit durch die Verteilerschicht (7) und den Bodenkörper (6) sowie von dem Gesamtvolumen der freien Poren in der Adsorptionsschicht (3) abhängig ist und daß sie mindestens 4 Stunden beträgt.
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