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Verfahren zum Betrieb einer Klaranlage und Belüftungsbecken zur Durchführung
dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Belebungsbeclrens
für eine Kläranlage mit mechanischer Umwälzung des Schlamm-Uasser-Gemisches und
von der Umwälzung unabhängiger Druckluftbelüftung zur Sauerstoffversorgung der Belebtschlammflocke
in dem als Rundbedhälter (Xreis- oder polygonbeh:?lter) mit senkrechter Achse ausgebildeten
Becken.
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Es sind bereits Rund- und Rechteckbehälter bekannt geworden, bei welchen
mit Hilfe eines Oberflächenbelüfters, insbesondere eines Kreisels versucht worden
ist, ein so).-ches Becken vollständig zu durchmisenen. Derartige Oberflächenbelüfter
vermuten jedoch den bei tangzeitbelüftungsanlagen zu stellenden Anforderungen einer
optimal wirtschaftlichen Sauerstoffeintragung bei mechanischer Umwälzung des Schlamm-liasser-Gemisches
mit geringstmDglichem Energieeinsatz nicht gerecht zu werden. Dies resultiert aus
den Betriebsmechanismen solch Delüfter, welche zwar für einen optimalen Sauerstoffeintrag,
nicht aber für eine wirtschaftliche UmwElzung des Schlamm-Wasser-Gemisches ausgelegt
sind. Durch die zwangsweise abhängige Verknüpfung von Sauerstoffeintrag und mechanischer
Umwälzung können solche Belüfter bei Langzeitbelüftungs anlagen nicht wirtschaftlich
eingesetzt werden.
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Im Bericht "working report A 27, Nov. 1962" des Research Institute
for Public Health Engineering T. N. O.
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legten A. PASVEER und S. SWEERIS ihre Untersuchungen und Ergebnisse
über Eine neue Entwicklung in der Druckluft belüftung" vor.
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In diesem Bericht wird festgestellt: In einem Umwälabecken mit Druckluftbelüftung
erfährt das Schlamm-Wasser-Gemisch durch die Druckluftheberwirkung der aufsteigenden
Luftblasen eine Beschleunigung, wodurch eine walzenförmige Bewegung des Beckeninhaltes
entsteht. Die Steiggeschwindigkeit des Wassers im Bereich der Luftzuführung ist
hierbei nach 2 - 3 mal so groß wie die Steiggeschwindigkeit der Luftblase im ruhenden
asser.
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Die Steiggeschwindigkeit einer Luftblase mit Durchmesser 1 - 5 mm
beträgt im ruhenden Wasser 20 - 30 cm/sec; im Umwälzbecken hingegegen etwa 1,00
- 1,30 m/sec.
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Hierdurch reduziert sich die Kontaktzeit der Luft mit dem Abwasser
auf 1/3 - 1/4, wodurch der Saucrstoffeintrag keine optimalen Werte erreichen kann.
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Bei einem Belebungsbecken mit horizontal fließender Mischflüssigkeit
von Abwasser und Belebtschlamm ist die Kontaktzeit der Luftblase mit der Blüssigkeit
allein von der Steiggeschwindigkeit der Luftblase und der Höhe der Wassersäule abhängig.
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Es sind bereits Langzeitbelüftungsanlagen bekannt geworden, bei welchen
der Sauerstoffeintrag über einen an einer umlaufenden Brücke piontieten Oberflächenbelüfter
( Walze ) erfolgt.Bei anderen Langzeitbelüftungsanlagen ist zur mechanischen Umwälzung
des Gemisches eie Rohrturbine vorgesehen, Der Sauerstoffeintrag erfolgt über einen
Strahlbelüfter, welcher
dieser Anlage den Charakter eines Oxydationsgrabens
verleiht, Weiterhin sind Langzeitbelüftungsanlagen bekannt, bei welchen an einer
umlaufenden Brücke Druckluftbelüfter mitgeführt werden, welche die Belüftung und
mechanische Umwälzung des Gemisches bewirken. Auch bei dieser Belüftungsanlage ist
wie bei den vorher beschriebenen ein außen liegender Belebungsraum und ein innen
liegendes Absatzbecken vorgesehen.
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Gegenüber diesen, wegen ihrer Kompaktbauweise erheblichen Herstellungskosten
bei betrachlichem Einbauaufwand erfordenden Kläranlagen liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine mglichst wirtschaftliche LDsung zu finden, die bei geringem
Abrand für die Bauausführung der Behälter auch eine für Langzeitbelüftungsanlagen
günstige Energiebilanz ermöglich.
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Zur LUsung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemä.ß vorgesehen, daß in dem Belüftungsbecken eine zur Beckenachse
konzentrische Kreis-Strömung aufrechterhalten wird.
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Erzwingt man in einem polygonalen, wenigstens annähernd kreisrunden
Behälter eine KreisstrDmung um die senkrecht stehende Achse des Behälters, so tritt
ein Anstieg des Wasserspiegels von der Beckenachse gegen den Beckenrand ein.
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In der Außenzone, die in unmittelbarer Nachbarschaft des Beckenrandes
liegt, entsteht hierbei ein relativer Ueberdruck, der eine Querstrsmung entlang
der Beckensohle in Richtung auf die Beckenadhse bewirkt. Hierdurch ergibt sich nicht
nur eine zur Beckenachse konzentrische Kreisstramung des Schlamm-Wasser-Gemisches,
sondern auch eine dimer Kreisstrjmung überlagerte walzenfbrmige Bewegung, durch
welche die Durchmischung des Schlamm-Wasser-Gemisches wesentlich begüiftigt wird.
Durch die vorzugsweise horizontal fließende Mischflüssigkeit von Abwasser und Belebtschlamm
iet die Kontaktzeit der Luftblase mit der Flüssigkeit allein von der Steiggeschwindigkeit
der Luftblase und der H5he der Wassersäule abhängig, wodurch sich optimale Sauerstoffertragswerte
ergeben.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen,
daß die infolge der Kreisströmung entstehende, auf die Becknachse gerichtete Querströmung,
die entlang des vorzugsweise horizontal orientierten Beckenbodens verläuft, in der
Nähe der Beckenachse zu einer aufsteigenden Strömung ungelenkt wird. Hierdurch erlbt
sich ein dreidimensionaler Strömungsvorgang, der einer intensive Durchmischung des
Schlamm-Wasser-Gemisches bewirkt. Durch den einbau eines Strömungs-Lenkeggels, der
sich nach oben vorjüngt und zur Beckenachse konzentrisch angeordnet ist, läßt sich
eine beachtliche Verringerung der Energieverluste der Querströmung erzielen.
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Kreis- und Die erfindungsgemäß angestrebte/Quers-trönung in tz ds:i-
als Rundbehälter ausgeführten Belebunsbecken kann beispielsweise durch ein an einer3rücke
befestigtes, mit einer in das Gemisch eintauchenden Kappe ausgerüstetes Fahrwerk
oder durch Injektoren ode durch Umwälzpumpen erzeugt werden. Als wirschaftli-chste
Lösung wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß für die Kreisströmung
im Belebungsbecken eine zur Aufrechterhaltung der Kreisströraung dienende, wenigstens
teilweise in das Schlamm-Wasser-Gemisch eintauchende Turbine, insbesondere eine
Rohrturbine verwendet wird. Eine Rohrturbine wird als besonders vorteilhafte Lösung
betrachtet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
der
Sauerstoffeintrag mit Hilfe wenigstens eines Druckluft-Befüfters erfolgt, der in
geringer HUhe ühr dem vorzu-geweise kreisrundförmingen Beckenboden verlauft.
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Bei einem ar Durchführung des erfindungsgemßon Verfahrens besonders
geeigneten Beli1ftungsbecken ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
daß die Achse der die Kreisströmung bewirkenden Turbine tangential zur Achse des
Beckens veläuft. Für den Betrieb eines erfindungsgemäß gestalten Langzeitbelüftungsbeckens
ist es besonders vorteilhauft, wenn zur Erniedrigung der Betriebskosten die Achse
der Turbine nahe der Beckenwand verläuft.
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Es hat sich gezeigt, daß die Wirkung des Sauerstoffeintrags bei einem
relativen Optimum dann erreicht Werden kar', wenri die eingetragene, auf die Zeiteinheit
bezogene Sauerstoffmenge wenigstens annahernd mit dem zum Außendurchmesser des Belebungsbeckens
ansteigenden Wasser-Schlamm-Gemisch-Volumen zunimmt. Auf dieser Erkenntnis aufbauend
wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Austr1.ttsqucrflche
fur die einzutragende Druckluft erfindungsgemäß von der Achse des Beckens gegen
die Beckenwand hin zunimmt. Fr die Eintragung des Sauerstoffs riird vorteilhaft
mindestens ein, $zweckmäßig wenigstens zwei Druckluftbelüfter vogesehen, die radial
in bezug auf die Becken-Vertikalachse verlaufen.
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Einen von der Achse mit zunehmender Annäherung an die Beckenwand gr"Jß
er werdenden Sauerstoffeintrag kann man dadurch erzielen, daß die Austrittsöffnungen
für die Druckluft mit zunehmender Annäherung an
den Beckenrand größer
werden und/oder untereinander kleiner werdende Abstände aufweisen. Eine besonders
einfache Anordnung ergibt sieh, wenn mehrere Druckluftbehälter vorgesehen sind,
deren Zahl mit zunehmendem Abstand von der Achse des Beckens gößer wird. In diesem
Falle können die Belüftet jeweils untere in ander gleich große und untereinander
in gleichbleibenden Abständen angeordnete Austrittsöffnungen für die Druckluft aufweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich von der Achse in
radiler Richtung gegen die Beckenwand mindestens zwei Gruppen von Druekrohren erstrecken,
von denen jede Gruppe mindestens zwei Druckluft-belüfter enthalt, die beide bis
nahe an die Wand des Beckens reichen, jedoch eine unterschiedliche Länge aufueisene
Die Ausbildung der erwünschten walzenförmigen Querströmung, welche der Kreisströmung
überlagert ist, kann wesentlich begünstigt werden, wenn in weiterer Ausgastaltung
der Erfindung ein zur Beckenachse konzentrischer, sich nach oben verjüngender Strömung
umlenk-Kegel vorgesehen ist. An einem solchen Kegel kann die gegen die Beckenachse
in der Nähe des Backenbodens sich ausbildende und von dem erhöhten Druck in der
Nähe des Beckenrandes hervorgerufene Querströmung zu einer aufsteigenden Strömung
umgelenkt werden.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles, eines Kreisstrom-Mischbeckens, näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 das Mischbecken in einem vertikal geführten Diametralschnitt
und Fig. 2 in der Drausicht von oben.
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Das dargestellt Ttreisstrom-fiichbeeen dient zum Betrieb einer im
übrigen nicht näher darge tellten Kläranlage und arbeitet mit mechanischer Umwälzung
des Schlamm-Wasser-Gemisches, das zur Klärung in den Rundbehälter 1 eingebracht
ist. Dieser weist eine zylindrische Beckenwald 2 und einen ebenen, horizontal verlaufenden
Befälterboden 5 auf. Um eine zur vertikal stehenden Achse A des Beckens konzentrische
Kreisströmung des eingebrachten, zu klärenden Schlamm-Wasser-Gemisches 4 zu erzeugen
und über engere Zeitdauer aufrechtzuerhalten, ist in unmittelbarer Nähe der Beckenwand
2 eine Rohsturbine 5 angeordnet, deren Propeller 6 elektromotorisch angetrieben
wird und in ein zylindrisches Rohrstück 7 eingebaut ist. Dieses Rohrstück weist
einen Durchmesser von etwa 3 m auf. Die konzentrisch zum Rohrstück 7 anliegende
Drehachse 8 des Propellers 6 verläuft in der darstellten Weise tangential zur Beckenwand
2. Die Rohrturbine 5 läuft mit einer sehr niedrigen Drehzahl von etwa 15 bis 55U/min.
Das Rohabwasser wird über eine Dukerleitung 27 in Fließrichtung dem Belebungsbecken
zugeführt, welche vor der Rohrturbine endet. Hindurch wird kurzfristig innerhalb
der Turbinenstrecke eine weitestgehend vollständige Durchmischung des Rochabwessrs
mit dem Schlirim-Wasser-Gemisch erreicht.NachDurchstrbmung eines Zentriwinkels von
etwa v00°kann das biologisch aufbereitete Abwasser über eine überlaufschwelle 28
dem Belebungsbecken entnommen und dem weitiren Verfahrensprozeß zugeleitet werden.
Hinter der Rohrturbine befinden sich -in Schubrichtung gesehen -
Leitwände
11, 12, 13 und 14, welche die Ausbildung der durch Pfeile 15 angedeuteten Kreisstromung
bnzeigen und gleichzeitig der Aushldung von Wirbeln hinter der Propellernabe entgegenwirken.
Gleich-zeitig setzen sie die SsrBmungsverluste herab. Da außerdem durch das Rohrstück
7 die an den Propellerblättern 6 entstehenden Wirbelverluste weitgehend abgebaut
werden, kann die Kreisstrimung mit einem sehr geringen Energieaufwand aufrechterhalten
werden.
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Infolge der Krelsstromung entsteht an der der Beckenwand 2 unmittelbar
benachbarten Ringzone ein geringfügig graßerer Plassendrunk als in der Nähe der
Beckenachse A.
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Dieser Uberdruck hat zur Folge, daß sich eine entlang dem Beckenboden
3 verlaufende und gegen die Beckenachse A gerichtete Querstromung ausbildet. Diese
wird durch einen konzeifrisch zur Beckenachse A angeordneten StrDmungsumlenkkegel
16 zu einer aufsteigenden Strömung umgelenkt, wie dies durch die Pfeile 17 angdeutet
ist. Hierdurch bildet sich eine durch den Pfeil 18 angedeutete walzenförmige Bewegung
aus, welche der Kreisstrbmung 15 üdrlagert ist und die Eintragung von Sauerstoff
begünstigt.
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Für die Sauerstoffeintragung in das Schlamm-Wasser-Gemisch sind über
den Umfang des Beckens gleichmäßig verteilt vier Gruppen 21 bis 24 von im wesentlichen
radial gerichteten Druckluftbelüftern vorgesehen. Jede dieser Rohr- und Belüftergruppen
umfaßt ein von dem Umlenkkegel 16 bis nahe an den Beckenrand reichendes Druckluftrohr
25, dem mehrere parallel verlaufende und ebenfalls dicht über dem Beckenboden 3
angeordnete DruckluftbelUfler 26 zugeordnet sind. Während in unmittelbarer Nähe
des Umlenkkegels 16 nur ein solcher Druckluftbelüfter 26 einem Druckluftrohr 25
zugeordnet und mit diesem durch ein gemeinsames Verltdungsstück an eine nicht dargestellte
Versorgungsleitung angeschlossen ist, sind in der mittleren Ringzone des Beckens
zwei Druckluft belüftet 26 und an der Randzone des Beckens sogar drei Druckluftbelüfter
26 vorgesehen.
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Jeder der Druckluftbelüfter 26 hat eine Anzahl von über die Rohrlänge
gleichmäßig verteilten Austrittsöfltiingen für die Druckluft.
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Hierdurch ergibt sich ein Luftmengeneintrag, welcher ebenso wie die
Strömungsgeschwindigkeit des Belebtschlammes von der Achse A gegen den Beckenrand
zunimmt.
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Aufgrund der erzwungenen Kreisströmung 15 und der dieser überlagerten
Umwälzbewegung 18 ergeben sich sehr günstige Sauerstoffertragwerte, wobei die Belüftung
in optimaler Wende wirtschaftlich dem schwankenden Sauerstoffbedarf der Belebtschlammflocke
angepasst werden kann.
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Die Wirtschaftlichkeit der Belüftung kann darüber hinaus noch dadurch
gesteigert werden, daß die Druckluft den Belüftungsrohren 25, 26 und 27 mit untersobiedlicber
Beaufschlagung zugeführt wird oder daß die Druckluftzufuhr nur intermlttierend erfolgt.
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Darüber hinaus kann durch geeignete Meß- und Regeleinrichtungen der
Sauerstoffeintrag sowohl bei kontinuierlichem rieb,als auch bei intermidterendem
Betrieb an der unteren Grenze gesteuert gehalten werden, wobei der Sauerstoffeintrag
stets dem Bedarf optimal angepasst werden kann. Eine solche Möglichkeit der Anpassung
des Sauerstoffeintrages mit Hilfe von Mess- und Regeleinrichtungen hat für die ersten
BetriebsJabre einer kommunalen Kläranlage eine besondere Bedeutung, da in der Regel
entsprechend den für die
Zukunft angenommenen Bemessungsgrundlagen
derartige Anlagen am Anfang Ihrer Benutzung überdimensioniert und somit unterbelastet
sind.
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Durch den gesteuerten Sauerstoffeintrag an der unteren Bedarfsgrenze
ergeben sich weitere betriebliche Vorteile, wie - bessere Schlammeigenschaften,
d.h. günstigeres Sedimentationsverhalten, - Nitrifikation und Denitrifikation der
Belebtschlammflocke, wodurch Effekte einer dritten Reinigungsstufe erzielt werden
können, - durch die periodisch vergrößerte anaerobe Zone in der Belebtschlammflocke
- besonders bei intermittierende Belüftung - kann ein periodisches Auftreten von
kurzzeitig anaerob "aufgeschlossenem" Fhterial auftreten, welches bei ausschließlicher
aerober Behandlung nicht aufgeschlossen werden kann, - im ersteren Teil der verstärkten
Belüftungsphase - besonders jedoch bei intermittierender Belüftung -ergibt sich
eine bessere Ausnutzung des Sauerstoffes aus der in das Schlamm-Wasser-Gemisch eingetragenen
Luft, wodurch sich insgesamt eine über den Werten von PASVEER und S!EERIS liegende
Wirtschaftlichkeiergibt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäß
ausgebildete Belüftungsbecken wird nicht nur ein optimaler Sauerstoffeintrag, sondern
auch eine intensive Durchmischung des Schiamm-Wasser-Gemisches erzielt, wodurch
eine optimale Pufferung von Giftstoßen oder hoher BSB5-Zulaufkonzentration und ein
biochemischer Sauerstoffbedarf innerhalb 5 Tagen erreicht werden.