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Abwasserreinigungsanlage nach dem Belebungsverfahren zur biologischen
Reinigung von Abwasser Die Erfindung betrifft eine Abwasserreinigungsanlage nach
dem Belebungsverfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser allein oder in Mischung
mit einer vielfachen Regenwassermenge. Die Anlage eignet sich besonders für den
Einsatz in kleinen und mittleren Gemeinden.
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Kleine Kläranlagen nach dem Belebungsverfahren gibt es bereits in
verschiedenen Verfahrens- und Bauweisen. Auf eine Vorklärung des zu behandelnden
Abwassers wird dabei in der Regel verzichtet. Da in die Kanalisation vor allem bei
Anwendung des Mischverfahrens oft erhebliche Sandmengen eingespült werden, kann
selten jedoch auf einen Sandfang verzichtet werden. Der in die Kläranlage Mit dem
Abwasser eingebrachte Schlamm wird bei den meisten Anlagen aerob stabilisiert. Das
geschieht bei der Vielzahl der bekannten Anlagen bei niedriger Schlammbelastung
(0,10 kg BSB5/kg TS.d) w parallel zum Reinigungsvorgang im Belebungsbecken. Es gibt
jedoch auch Kläranlagen, bei denen die getrennte Stabilisation des anfallenden Schlammes
in einem separaten Becken oder Beckenteil praktiziert wird. Diese Verfahrensweise
wird oft bei weiterem Ausbau der Kläranlage angewandt, wenn bei angestiegener Belastung
die Belebtschlammenge im Belebungsraum nicht entsprechend proportional gesteigert
werden kann, so daß zwar noch eine gute Reinigungsleistung aber infolge gestiegener
Schlammbelastung keine gleichzeitige Stabilisation des Schlammes mehr erreicht werden
kann. Einige bekannte Anlagen sind auf diese Weise um 100 t überlastbar, wenn sie
zusätzlich mit einem Raum für die getrennte aerobe oder anaerobe Stabilisation des
Schlammes ausgertstet werden. Einer weiteren Oberbelastung wird durch die Größe
der Nachklärung und auch des Belebungsraumes, in dem dann Stoßbelastungen nicht
mehr ausgeglichen werden können, Grenzen gesetzt. Es hat sich gezeigt, daß eine
Erweiterungsmöglichkeit von 100 t bei vielen schneliwachsenden Gemeinden, insbesondere
bei den von Strukturverbesserungsprograuen betroffenen, nicht ausreicht.
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Bei der Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren muß den Mikroorganismen
im Belebungsbecken ausreichend Sauerstoff zugeführt werden. Die erforderliche Sauerstoffmenge
ist von der Belastung des Beckens mit biologisch abbaubaren Stoffen und der Belebtschlammmenge
im Becken abhängig. Um eine hohe Reinigungsleistung zu erzie--len ist ferner eine
ständige Uinwälzung des Beckeninhaltes notwendig. Dadurch wird ein inniger Kontakt
zwischen Abwasserinhaltsstoffen, Biomasse und gelöstem Sauerstoff geschaffen und
Sand- und Schlainmablagerungen an der Beckensohle vermieden. Bei den bekannten Bauweisen
wird der Inhalt des Belebungsbeckens infolge der beim Sauerstoffeintrag durch die
Belüftungseinrichtung erzeugten Turbulenz und Strömungsgeschwindigkeiten gleichzeitig
mit dem Sauerstoffeintrag umgewälzt. Diese Belüftungseinrichtungen sind zwar fÜr
einen möglichst wirtschaftlichen Sauerstoffeintrag, nicht aber für-eine wirtschaftliche
Abwasserumwälzung ausgelegt. Zur Erzeugung einer Umwälzströmung von 20 - 30 cm/s
an der Beckensohle, bei der Schlammablagerungen verhindert werden, benötigen diese
Belüftungseinrichtungen je nach Wahl des Belüftungssystems und der Form und Größe
der Becken 5 - 20 W/m3 Beckenvolumen. Bei sehr schwach belasteten Anlagen und vor
allem bei unterbelasteten Anlagen mit großem spezifischen Beckenvolumen (m3/B),
ist der Energieaufwand für die Umwalzung daher unnötigerweise oft höher als der
für den erforderlichen Sauerstoffeintrag und wird so ausschlaggebend für den spezifischen
Energiebedarf (WIE) der Kläranlage.
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Sofern die Belüftungseinrichtung aber den Bedarf an Sauerstoff hinaus
lediglich wegen der notwendigen Umwälzung mit unnötig hoher Leistung betrieben wird,
kann neben dem wirtschaftlichen noch ein betrieblicher Nachteil entstehen. Der stark
erhöhte Sauerstoffgehalt im Belebungsraum verändert das Sedimentationsverhalten
des Schlammes oft negativ. Aus diesen Gründen wird bei den meisten der bekannten
Bauweisen mit relativ kleinen spezifischen Beckenvolumen tus 0,1 m3/E) gearbeitet
und vor starker Unterbelastung gewarnt.
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Bei kleinen und mittleren Gemeinden sollte das Volumen des Belebungsbeckens
jedoch möglichst groß sein, un die dort häufig vorkommenden Stoßbelastungen (z.B.
durch Ablassen von Jauche und Silagen) auffangen zu können.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Klärsysteme ist, daß ihre Nachklärräume
für die Behandlung größerer Abwassermengen bei Regen zu klein ausgelegt sind. Bei
einer Zunahme der Belastung von 100 tt die, wie geschildert, für den Belebungsraum
bei Verzicht auf eine gleichzeitige Schlammstabilisation noch hingenonen werden
kann, muß die Regenwassermenge daher erheblich reduziert werden.
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Bei Beschickung einer Kläranlage mit Regenwasser gelangt mit dem Wasser
auch sehr viel Belebtschlamm aus dem Belebungsbecken in die Nachklärung. Um auch
bei großem Regenwasserzufluß noch eine hinreichende Reinigungsleistung zu gewährleisten,
muß daher die Rücklaufschlammenge aus der Nachklärung bei Regenwasserzufluß so erhöht
werden, daß sie den Erforderhissen beim höchsten Regenwasserzufluß genügt. Bei den
bekannten Anlagen, die eine selbsttätige oder auch maschinelle Schlammrückführung
besitzen, wird die Forderung für größere Regenwassermengen zumeist nicht voll erfüllt.
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Um die beschriebenen Nachteile bekannter Klärsysteme zu beheben, wurde
daher erfindungsgemäß ein neuer Kläranlagentyp konzipiert, der durch die gewählte
räumliche Zuordnung und spezielle saschinelle Ausrüstung der Abwasser- und Schlammbehandlungseinheiten
die vorerwähnten Mängel ausschaltet.
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Diese Abwasserreinigungsanlage nach dem Belebungsverfahren zur biologischen
Reinigung von Abwasser allein oder in Mischung mit einer vielfachen Regenwassermenge
ist gekennzeichnet durch eine Blockbauweise, bei der ein Belebungsbecken mit großem
Speicherraum in Form eines Umlaufgrabens zur Langzeitbelebung eingesetzt wird und
das so angeordnet ist, daß in dem vom Umlaufgraben umschlossenen Raum ein Nachklärbecken
mit einem weiteren Becken kombiniert werden kann, das stufenweise mit zunehmender
Belastung der Abwasserreinigungsanlage zunächst als Schlammbehälter für aerob stabilisierten
Schlamm eingesetzt werden kann, dann als bekken zur aeroben Schlamistabilisierung
und schließlich als Intensivbelebungsbeckeq mit einem besonderen Nachklärteil, das
dem Belebungsbecken des Umlaufgrabens als 1. Stufe vorgeschaltet wird.
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Weiterhin ist diese Abwasserreinigungsanlage dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoffeintrag in der Langzeitbelebungszone durch Förderung und Verstrahlen
von Rücklaufschlamm aus der Nachklärung oder von Schlamm-Wasser-Gemischen aus dem
Langzeitbelebungsbecken über Strahlbelüfterrohre erfolgt, bei denen sowohl durch
Veränderung des Ausstrahlwinkels der Sauerstoffeintrag oder der Aufstrahleffekt
zur Erzeugung der Umlaufströmung optimal eingestellt werden kann sowie das Strahlbelüftersystem
sich dadurch auszeichnet, daß das Wasser durch langsam umlaufende Pumpen oder Förderschnecken
flockenschonend nur geringfügig über den Wasserspiegel gehoben und mit niedriger
Druck- und Fallhöhe verstrahlt wird.
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Die Abwasserreinigungsanlage ist weiterhin dadurch gekennzeichnet,
daß die Umwälzung des Abwassers in dem Umlaufgraben mit Langzeitbelebung durch einen
Rohrpropeller erfolgt, bei dem die Antriebsschraube mit großen Propellerblättern
in einem Rohrstück umläuft, dessen Durchmesser etwa der Wassertiefe des Beckens
gleichkommt und durch das die langsam umlaufenden Propellerblätter das durchgesetzte
Abwasser in Richtung der Umlaufströmung lenken.
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Darüberhinaus ist das Langzeitbelebungsbecken der Abwasserreinigungsanlage
oder sonstige Systeme von Belebungsbecken in Form von Umlaufgräben dadurch gekennzeichnet,
daß durch Einhängen von Tauchwänden bis etwa zur halben Beckentiefe im -Umlaufgraben
eine Absetzeone dadurch eingerichtet wird, daß durch parallele und schräg in Umlaufrichtung
des Abwassers angeordnete Leitwände (Tafeln) oder Formkörper schmale Absetzkammern
geschaffen werden, in denen das Abwasser laminar nach oben aufsteigt, so daß in
dieser turbulenzarmen Zone optimale Absetzeffekte erzielt werden und daß der auf
den schrägen Leitwänden nach unten abrutschende Schlamm unterhalb der Absetzzone
wieder von dem umlaufenden Abwasser erfaßt wird und so im Kreislauf des Langzeitbelebungsbeckens
verbleibt sowie das geklärte Wasser durch Ablaufrinnen aus der obersten Schicht
der Absetzzone gleichmäßig abgezogen werden kann, wobei die Oberfallkanten des Rinnensystems
so hoch angeordnet werden, daß über sie entweder bei normalem Wasserstand bei Trockenwetter
geklärtes Abwasser abgezogen wird oder nur bei erhöhtem Wasserstand beispielsweise
bei Regenwasserzufluß geklärtes Abwasser
zusätzlich zur Leistung
des eigentlichen Nachklärbeckens zwecks Erzielung niedrigerer Oberflächenbeschickungen
[ m/h ] abfließt.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dieses Kläranlagentyps in der
Aufsicht dargestellt. Es soll nachfolgend näher beschrieben werden.
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Die Abwasserreinigungsanlage ist durch eine Blockbauweise gekennzeichnet,
bei der ein Langzeitbelebungsbecken (1) mit großem Speicherraum in Form eines Umlaufgrabens
zur Langzeitbelebung eingesetzt wird und das so angeordnet ist, daß in dem vom Umlaufgraben
umschlossenen Raum ein Nachklärbecken (2) mit weiteren Becken (3) und (4) kombiniert
wird. Dabei dient in der ersten und zweiten Ausbaustufe erfindungsgemäß dieses Becken
t3) unter Einschluß des Beckens (4) als Schlammsilo für den im Umlaufgraben (hier
auch Langzeitbelebungszone genannt) stabilisierten Schlamm.
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In der dritten Ausbaustufe kann er als offener Faulraum oder als Raum
für die aerobe Stabilisation des anfallenden Schlammes genutzt werden. Dazu muß
er mit einem Kreiselbelüfter ausgestattet werden. In der vierten und fünften Ausbaustufe
wird dieses Becken nach Abtrennung einer Zwischenklärung (4) als Intensivbelebungszone
benutzt und so eine biologische Vorbehandlungsstufe geschaffen.
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Die b a u t e c h n i s c h e Wirtschaftlichkeit dieses KlArsystems
wird durch eine flache Gründung und die Möglichkeit, den Graben aus großen Pertigelementen
zu erstellen, erreicht. Für die innenliegenden Räume können die Querwände und Schrägflächen
aus Fertigteilen oder Ortbeton errichtet werden.
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Die b e t r i e b 1 i c h e Wirtschaftlichkeit des vorgeschlagenen
Klärsystems ist durch nachfolgend beschriebene Neuerungen gegeben.
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Die Sauerstoffversorgung der Biomasse in der Langzeitbelebungszone
erfolgt über Strahlbeltifter (5), die orfindungsgemß mit Rücklaufschlan aus der
Nachkllrung gespeist werden. Die Strahlbelflftor sind an einer oder mehreren Stellern,
vorzugsweise jedoch in Höhe der beiden Kopfseiten des Nachklärbeckens installiort.
Der
Rücklaufschlamm kann an dieser Stelle durch eine langsam laufende
Förderschnecke aus der Nachklärung in einer Menge gefördert werden, die erforderlich
ist, us durch Verstrahlen den Sauerstoffbedarf des Langzeitbelebungsbeckens zu decken.
Diese Fördermenge ist erheblich großer als bei den bekannten Verfahren und reicht
aus, um auch bei starkem Regenwasserzufluß genügend Belebtschlamm in den Belebungsraum
zurückzubringen. Die Fördermenge kann durch Variation der Drehzahl der Rücklaufschlamiförderschnecke
erreicht werden. Ein Zerschlagen von Schlammflocken durch die Förderschnecke tritt
bei den niedrigen Drehzahlen nicht ein. Die Strahlbelüfterrohre (5) werden in ihrer
horizontalen Achse drehbar gelagert, so daß durch Veränderung des Ausstrahlwinkels
der Sauerstoffeintrag oder der Strahleffekt zur Erzeugung einer u.laufströmung optimal
eingestellt werden kann. Der wirtschaftliche Sauerstoffeintrag wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß das Wasser nur geringzügig über den Wasserspiegel gehoben
und mit niedrigen Druck- und Fallhöhen verstrahlt wird.
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Grundsätzlich ist bei dem vorgeschlagenen Klärsystem jedoch auch der
Einsatz jedes anderen geeigneten Belüftungssystems möglich.
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Das in der Mitte des Kombinationsbauwerkes gelegene Nachklärbecken
(2) kann als Langsbecken mit Schlammsammeltrichter und einfachem Sch1eppr#umer oder
zweckmäßiger als vertikal durchströmtes Becken gebaut werden, bei dem der Schwebefiltereffekt
des Belebtschlammes wie im vertikal durchströmten Becken genutzt werden kann. Das
Becken wird dann von den beiden Kopfenden über die Durchlässe (14) her beschickt
und bei (12) der Rücklaufschlaai abgezogen. An der Sohle abgesetzter Schlamm wird
durch schräg angeordnete senkrechte Räumschilde eines Räumerwagens (11) in dem Bereich
der Rohröffnungen des Rücklaufschlammsystems (12) geschoben. Die Förderung des Rücklaufschlammes
erfolgt durch die Förderschnecken der Strahlbelüfterrohre.
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Is Langzeitbelebungsraum wird als eine weitere wesentliche Neuerung
ein Rohrpropeller (6) eingebaut, durch den eine gleichmäßige über den Querschnitt
verteilte Fließströmung im Umlaufbecken von 20 - 30 cm/s erzeugt werden kann, die
ausreicht, us das Absetzen von Belebtschlamm zu verhindern.
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Der Rohrpropeller zeichnet sich erfindungsgenäß wie auf Fig. 3 ersichtlich
dadurch aus, daß die Antriebsschraube (7) ia einem Rohrstück (8) umläuft, dessen
Durchmesser etwa der Wassertiefe des Beckens entspricht. Die erforderliche Schubleistung
des Propellers zur Erzeugung der Umlaufströmung wird durch groBe Propellerblätter
gewährleistet, die bei niedrigen Drehzahlc-n von etwa 20 - 30 UpM umlaufen. Der
belebte Schlamm wird dadurch nicht zerschlagen. Durch diese langsame Umwälzung können
sogar der Flockungseffekt begünstigt und damit gute Voraussetzungen für einen besseren
Absetzeffekt in der Nachklärung geschaffen werden.
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Der Durchmesser des Propellers entspricht des Durchmesser des Rohres,
so daß die Wirbelverluste niedrig gehalten werden. Entscheidend ist, daß das Rohr
das durchgesetzte Wasser in Richtung der Umlaufströiung lenkt.
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Durch diesen neuartigen Rohrpropeller ist es möglich, die gewünscht
Umwälzströmung bereits bei einem spezifischen Leistungsaufwand von weniger als 2
W/m3 Beckeninhalt zu erzeugen. Die große Bedeutung des Rohrpropellers liegt darin,
daß die erforderliche Umlaufströmung zur Verhinderung von Schlammablagerungen infolge
der speziellen Bauform des Rohrpropellers bei einem Leistungsaufwand gesichert ist,
der weit unter den sonst üblichen Grenzwerten mechanischer Belüftungseinrichtungen
liegt. Bei nicht voller Auslastung der Kläranlage besonders @@@ zunächst erheblicher
Unterschreitung der Anschlußwerte in den Nachtstunden und zu anderen Zeiten mit
sehr geringem Sauerstoffbedarf kann damit -der Betrieb der Langzeitbelebungszone
vorwiegend nur mit Einsatz des Rohrpropellers durchgeführt werden. Damit wird die
energiewirtschaftliche Trennung und !#nabhängigkeit von Strömungserzeugung und Sauerstoffeintrag
erreicht. Infolge des geringen spezifischen Leistungsbedarfs zur Erzeugung von Umlaufströmungen
kann der Belebungsraum somit gleichzeitig größer als bei sonstigen Klärsystemen
dimensioniert werden, ohne den Gesamtstrombedarf der Kläranlage dadurch ungünstig
zu beeinflussen. Die betriebliche Wirtschaftlichkeit eines großen Belastungsspielraumes
auch für die Aufnahme von Regenwasserzuflüssen bis 10 TW ist in dieser Hinsicht
damit gewährleistet.
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Die verfahrenstechnischen Vorteile dieses Systems bestehen weiter
darin, daß infolge Sicherung der Umwälzströmung durch den Rohrpropeller der Sauerstoffeintrag
auf den minimal erforderlichen Bedarf reduziert bzw. durch vollständiges Abstellen
der Belüftung in der Langzeitbelüftungszone die Nitrifikation bzw. Denitrifikation
planmäßig gesteuert werden kann und damit in dieser Kläreinheit gleichzeitig Effekte
einer dritten Reinigungsstufe erzielt werden können. Für die verschiedenen Ausbaustufen
des beschriebnen Klärsystems gelten die auf der Tafel 1 aufgeführten Belastungsskennwerte.
Sie sind hier als Beispiel für die Typen 1.n (Grundtyp - 1000 E), und 3.n (Grundtyp
- 3000 E) aufgeführt worden.
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Hiernach. ist ersichtlich, daß infolge der großen Rauminhalte die
Plaranlage bis zur 5-fachen Auslegungsgröße der 1. Ausbaustufe belastet werden kann.
Bei dieser höchstbelasteten 5. Ausbaustufe kann bei Regen dann noch immer die 2,3-fache
Schmutzwassermenge mitbehandelt werden, ohne zulässige Bemessungswerte zu unterschreiten.
Bei Einhängung der Tauchwände (9) lassen sich die durchnehmbaren Regenmischwassermengen
noch merklich erhöhen.
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In der 1. und 2. Ausbaustufe wird der Schlamm in der Langzeitbelebungszone
(1) aerob stabilisiert. Bei Oberschreitung der doppelten Auslegungsgröße, d.h. in
der 3. Ausbaustufe wird eine gesonderte Schlammbehandlung notwendig, die, wie beschrieben,
anaerob oder aerob in einem abgetrennten Becken (3, 4) im Innenraum des Umlaufgrabens
erfolgt. In der 4. und 5. Ausbaustufe wird dieses Becken als Intensivbelebungszone
mit abgetrennten Nachklärtaschen ausgebaut.
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Diese Intensivbelebungszone wird mit einem Belüfterkreisel ausgerüstet,
der konstant mit einem hohen spezifischen Leistungsaufwand in W/m3 gefahren werden
kann, da bei dieser Betriebsweise besonders hohe Sauerstoffertragsleistungen erzielt
werden. Dle Belüftungsschaufeln des Kreisels werden so geformt und so angeordnet,
daß bei erhöhtem Zufluß infolge des steigenden Wasserstandes und damit höherer Eintauchtiefe
die Sauerstoffeintragsleistung und Umwälzleistung so stark vergrößert werden, daß
diese der erhöhten Belastung der Intensivbelebungszone infolge verstärktem Abwasser
zufluß entsprechen.
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Die so variable Förderleistung des Kreisels wird gleichzeitig ausgenutzt,
um Rücklaufschlamm im Wirbelschlauch des Kreisels bei zunehmendem Abwasserzufluß
mengenmäßig entsprechend proportional zu
fördern und so durch verstärkte
Rücklaufschlammförderung den gewünschen Schlangehalt im Belebungsbecken und bei
Weiterfluß in die Langzeitbelüftungszone gleichzeitig auch dort zu halten. Die erhöhte
Rücklaufschianenge kann auch durch eine wasserstandsabhängige Klappensteuerung aus#der
Hauptrücklaufschlammrinne des Nachkllrbeckens zusätzlich erfolgen. Nicht ausgenutzter
Sauerstoffeintrag der Intensivbelebungszone wird in jedem Falle in der Langzeitbelebungszone
genutzt.
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In der 4. und 5. Ausbaustufe wird in der Intensivbelebungszone somit
eine biologische Vorbehandlung durchgeführt, durch die der Gesamtreinigungseffekt
der Kläranlage trotz der gestiegenen Belastung den Anforderungen einer biologischen
Vollreinigung noch gentgt.
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Eine weitere Verbesserung der bautechnischen Wirtschaftlichkeit bzw.
der betrieblichen Belastbarkeit kann bei der beschriebenen Abwasserreinigungsanlage
oder auch sonstigen Systemen von Belebungsbecken in Form von Umlaufgräben dadurch
erreicht werden, daß erfindungsgemäß durch Einhängen von Tauchwänden im Unlaufgraben
selbst eine Absetzzone (9) dadurch eingerichtet wird, daß wie in Fig. 1 und Fig.
4 gezeigt1 durch parallele oder schräg in Umlaufrichtung des Abwassers angeordnete
Leitwände (10) (Tafeln) oder Formkörper schmale Absetzkammern geschaffen werden,
in denen das Abwasser laminar nach oben aufsteigt, so daß in dieser turbulenzarmen
Zone optimale Absetzeffekte erzielt werden. Der auf den schrägen Leitwänden nach
unten abrutschende Schlamm wird unterhalb der Absetzzone wieder von dem umlaufenden
Abwasser erfaßt und verbleibt so im Kreislauf des Belebungsbeckens. Das geklärte
Wasser wird durch Ablaufrinnen (13) aus der obersten Schicht der Absetzzone gleichmäßig
abgezogen. Die Oberfallkanten des Rinnensystems (13) können so hoch angeordnet werden,
daß Uber sie entweder bei normalem Wasserstand bei Trockenwetter geklärtes Abwasser
abgezogen wird oder nur bei erhöhtem Wasserstand beispielsweise bei Regenwasserzufluß
geklärtes Abwasser zusätzlich zur Leistung des eigentlichen Nachklärbeckens zwecks
Erzielung niedrigerer Oberflächenbeschickungen (mlh) abfließt.
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Durch die beschriebene bautechnische Maßnahme kann bei dem konzipierten
Klärsystem ein wirtschaftlicher Absetzraum im Umlaufgraben geschaffen werden, der
in der 1. und 2. Ausbaustufe gegebenenfalls die volle Funktion der Nachklärung übernehmen
kann oder der in den weiteren Ausbaustufen als zusätzlicher Absetzraum eine höhere
Belastung der Kläranlage mit Regenwasser erlaubt.