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Anlage für die Aufbereitung von Abwasser nach
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dem Belebtschlammverfahren Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß
auf eine Anlage für die Aufbereitung von Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren,
- mit Belebungsbecken für eine erste Belebungsstufe,
Einrichtung
zur Zwischenklärung, Belebungsbecken für eine zweite Belebungsstufe und Nachkläranlage,
wobei das gesamte aufzubereitende Abwasser in das als Höchstlastbecken ausgeführte
Belebungsbecken der ersten Belebungsstufe einführbar ist, wobei ferner die Einrichtung
zur Zwischenklärung als Trennanlage der Biozönosen der ersten und der zweiten Belebungsstufe
ausgebildet und dazu ihr Zwischenklärschlamm lediglich in die erste Belebungsstufe
zurückführbar und/oder einer Schlammverarbeitung zuführbar ist, während die geklärte
Phase aus der Einrichtung zur Zwischenklärung in das Belebungsbecken der zweiten
Belebungsstufe einführbar ist, - wobei endlich das Belebungsbecken der zweiten Belebungsstufe
als Schwachlastbecken ausgeführt ist und der Nachklärschlamm aus der Nachkläranlage
lediglich in die zweite Belebungsstufe zurückführbar und/oder der Schlammverarbeitung
zuführbar ist. - Der Ausdruck Belebungsbecken umfaßt im Rahmen der Erfindung auch
Aggregate aus mehreren Einzelbecken, die funktionell vereinigt sind. Es wird lediglich
aus terminologischen Gründen stets der Singular Belebungsbecken gebraucht. Der Begriff
Abwasser ist im weitesten Sinne zu verstehen. Ganz allgemein handelt es sich um
ein wässriges System, in dem organische Stoffe - auch in Gegenwart gelöster oder
suspendierter anorganischer Stoffe -dispergiert sind. Die Teilchen der dispergierten
Phase können
echt gelöst, emulgiert, in kolloidaler und/oder suspendierter
Form vorliegen. Sie können absetzbar oder nicht absetzbar, fäulnis fähig oder fäulnisunfähig
sein. Das zu reinigende Abwasser wird erforderlichenfalls vor der Einleitung in
das Höchstlastbelebungsbecken einer groben mechanischen Vorreinigung unterzogen.
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Bei den bekannten gattungsgemäßen Anlagen (Korrespondenz Abwasser
2/77, S. 33 bis 42) ist das Belebungsbecken der ersten Belebungsstufe ein Becken
mit klassischer Belüftung mittels atmosphärischer Luft, wobei die Belüftung so erfolgt,
daß der Betrieb mit aeroben Mikroorganismen erfolgt. Auch das zweite Belebungsbecken
ist ein Becken mit klassischer Belüftung mittels atmosphärischer Luft. Höchstlastbecken
meint bei gattungsgemäßen Anlagen, daß man das Becken mit einer Raumbelastung BR
von etwa 10 kg BSB5 pro m3 und Tag mit einer Schlammbelastung BTS von mindestens
zwei Kilogramm BSB5 (im Mittel BTS = 5,0) pro Kilogramm Trockensubstanz und Tag
betreibt. Dabei wird der Einrichtung zur Zwischenklärung soviel überschußschlamm
abgezogen, daß der Schlamm im Höchstlastbecken nur ein sehr geringes Schlammalter
erreicht.
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Schwachlastbecken meint demgegenüber, daß man diese Stufe mit einer
vergleichsweise niedrigen Raumbelastung und einervergleichsweise niedrigen Schlammbelastung
betreibt. Der Schlamm erreicht in dieser zweiten Stufe ein hohes Alter. Da sein
Ernährungszustand karg ist, werden die schwer abbaubaren Substanzen, die in der
ersten Stufe nurZHzuerincSmgeS en worden sind, in dieser zweiten Stufe in Anwesenheit
der durch die
erste Stufe nicht erfaßten leicht abbaubaren hydrophilen
und zumeist polaren organischen Verbindungen angegriffen und zu einem erheblichen
Anteil abgebaut. Je höher das Schlammalter in der zweiten Belebungsstufe ist, desto
größer ist der Abbaugrad der schwerabbaubaren Substanzen. Das alles funktioniert
bei strikter Trennung der Biozönosen der beiden Belebungsstufen und hat sich auch
bewährt. Jedoch kann der Abbau der schwerabbaubaren Substanzen verbessert werden,
was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn das zu reinigende Abwasser in hohem
Maße schwerabbaubare Substanzen, insbesondere schwerabbaubare Kohlenstoffverbindungen
enthält.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anlage
so weiterauszubilden, daß der Abbau schwerabbaubarer Substanzen verbessert wird,
- und zwar bei geringem Energiebedarf.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Belebungsbecken
für die erste Belebungsstufe für einen Betrieb mit fakultativ anaeroben Mikroorganismen
oder speziellen Organismenformen, die kaum oder gar keinen gelösten Sauerstoff benötigen,
eingerichtet ist, die von oxidativer auf substratgebundene Phosphorylierung bzw.
unvollständigen Oxidation umstellbar sind, und daß der Sauerstoffgehalt in diesem
Belebungsbecken in einem Bereich liegt, bei dem die fakultativ anaeroben Mikroorganismen
mit substratgebundener Phosphorylierung arbeiten, obligat anaerobe Mikroorganismen
praktisch nicht gedeihen können und aerobe Substratatmung praktisch unterbleibt.
- In den Formulierungen "praktisch nicht gedeihen" bzw. "praktisch unterbleibt"
kommt zum Ausdruck, daß die entsprechenden mikrobiologischen bzw.
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mikroorganismischen Vorgänge für den Reinigungsprozeß oder Abbau
prozeß
soweit unterdrückt sind, daß sie zum angestrebten Ergebnis meßbar kaum beitragen
Bei der erfindungsgemäßen Anlage richtet sich der Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken
der ersten Stufe - im Rahmen der vorstehend mikrobiologisch angegebenen Grenzen
- nach der speziellen Reinigungsaufgabe und ihren Betriebsbedingungen. Für die meisten
Anwendungen bei kommunalen Abwässern gilt eine bevorzugte Ausführungsform, die dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken der ersten Belebungsstufe
gleich null ist. Dabei soll das Belebtingsbecken der ersten Belebungsstufe für einen
spezifischen Sauerstoffverbrauch von =~ 0,10 kg 02/kg abgebautem BSB5 eingerichtet
sein, und zwar bei einer Leistungsdichte von rund 20 bis 25 Watt pro Kubikmeter.
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Im Rahmen der Erfindung erfolgt ein Abbau bzw. Elimination der schwerabbaubaren
Substanzen zwar nach wie vor unter Mitwirkung des Belebungsbeckens der zweiten Belebungsstufe,
jedoch wird dieser Abbau in der ersten Belebungsstufe im wesentlichen durch die
fakultativ anaeroben Mikroorganismen, die mit substratgebundener Phosphorylierung
oder über eine unvollständige Oxidation arbeiten, vorbereitet, und zwar durch eine
Aufspaltung der organisch abbaubaren und auch der schwerabbaubaren Substanzen im
Sinne einer Krackung. Das Belebungsbecken der zweiten Belebungsstufe kann als Belüftungsbecken
für übliche Frischluftbelüftung eingerichtet sein und ist dann dadurch gekennzeichnet,
daß nach einem Schwachlastbelebungsverfahren mit einem Sauerstoffgehalt über ~null",
vorzugsweise im Bereich von 0,5 - 3,0 mg/l gearbeitet wird. Das Belebungsbecken
der zweiten Belebungsstufe
kann aber auch für eine Sauerstoffbegasung
und dadurch für den biologischen Abbau der verbliebenen Kohlenstoffverbindungen,
einschließlich der aufgespaltenen, sowie der Stickstoffverbindungen eingerichtet
sein. Dabei sind nach bevorzugter Ausführungsforn der Erfindung das Belebungsbecken
der ersten Belebungsstufe bezüglich des Teilabbaus der organisch abbaubaren und
der schwerabbaubaren Kohlenstoffverbindungen, andererseits das Sauerstoffbelebungsbecken
bezüglich des gebildeten Ammoniaks aufeinander so abgestiritmt, daß das Ammoniak
die im Sauerstoffbelebungsbecken entstehende überschüssige Kohlensäure weitgehend
neutralisiert.
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Im einzelnen ist zu den mikrobiologischen und mikroorganismischen
Vorgängen bei der bekannten gattungsgemäßen Anlage einerseits, der erfindungsgemäßen
Anlage andererseits folgendes festzuhalten: Bei den bekannten Anlagen stellt die
erste Belebungsstufe eine höchstbelastete aerob arbeitende Belebungsstufe dar. Der
im Belebungsbecken vorhandene Sauerstoffgehalt liegt erheblich über null mg/l und
kann je nach Belastung im Bereich von 5 null bis 2 mg/l schwanken. Der Sauerstoffverbrauch
OVR je Kilogramm abgebautem BSB5 läßt sich bei aeroben Belebungsverfahren aus OVR
= d ~ B'R + e ~ TSR
ableiten. Hierin stellt d . B'Rdie Substratatmung
und e ~ TSR die endogene Atmung dar. Der Sauerstoffverbrauch OVR/B'R je kg BSB5
-Abbau errechnet sich zu OVR / B'R = d + e ~ TSR /B'R Schwachbelastete Verfahren
ab R = 0,25 oder BTS 1 B1 R TSR TS 4 TS R oder BTS = 1 . 0,25 = 0,30 und weniger
erfordern rasch 0,9 einen merklich ansteigenden Sauerstoffaufwand.
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Andererseits läuft bei steigender Schlammabbauleistung BR/TSR oder
BTS = 1 . B'R > 2 der spezifische Sauerstoffverbrauch 4 TSR asymptotisch gegen
0,50 kg 02/ kg BSB5 Abbau.
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Legt man diesen niedrigen Sauerstoffverbrauchswert von etwa 0,30 für
höchstbelastete Belebungsverfahren z. B. BTS zugrunde, so muß für eine aerob betriebene
erste Belebungsstufe bei Auslegung auf a) mittelblasige Belüftung mit 0,9 kg 02
kwh
b) Kreiselbelüftung mit 1,6 # kwh zumindest folgende Energiedichte
vorhanden sein: Belastung BR = 10 kg BSB5/ m3 d Abbau = 50 % 3 spezif. Abbau B'R
= 5 kg BSB5 / m³ . d 02 Verbrauch OV2 = 0,3 ~ 5 = 1,5 kg O, / m3 d Arbeitsaufwand
AE und AE = 1,5 = 1,667 kwh Leistungsdichte LE bei 0,9 m³ . d mittelblasiger Druckbelüftung:
LE = # . # = 70 Watt/m³ Arbeitsaufwand AE und AE = 1,5 = 0,938 kwh Leistungsdichte
LE bei 1,6 d Kreiselbelüftung: LE = 0,938 ~ 1000 = 40 Watt/m3 24 Es sind also für
die aerob arbeitende erste Belebungsstufe mit einer Raumbelastung BR = 10 kg BSB5/m³
~ d und BTS # 6 erforderlich:
O, - Gehalt >O mg /1 schwankend
zwischen > 0 bis 2 mg/l ein spezifischer Sauerstoffverbrauch je kg BSB5 - Reduktion
= 0,3 kg O, / kg BSB5-Abbau eine Leistungsdichte 3 von mindestens LE ~ 40 Watt /
m Bei der erfindungsgemäßen Anlage stellt das fakultativ anaerob arbeitende Belebungsbecken
der ersten Belebungsstufe ebenfalls eine höchstbelastete Belebungsstufe dar, jedoch
sind die Mikroorganismen gezwungen, sich von der oxidativen auf die substratgebundene
Phosphorylierung bzw. auf die unvollständige Verbrennung umzustellen. Es handelt
sich um die gleichen Mikroorganismen, die auch bei der vorbeschriebenen bekannten
Anlage tätig sind. Während bei der oxidativen Phosphorylierung durch die Mikroorganismen
bei einem Mol Glukose 38 ATP Energieeinheiten entstehen, können dieselben Lebewesen
bei nicht ausreichendem Sauerstoffgehalt hauptsächlich nach der substratgebundenen
Phosphorylierung arbeiten und gewinnen bei diesem extensiven Abbauprozeß nur 2 ATP
Energieeinheiten oder z. T. nach der unvollkommenen Oxidation mit einem Energiegewinn
von 118 Kcal, der einer 6-fach größeren Energieausbeute entspricht als bei einem
Gärprozeß. Es wird bei der Gärung je Mol Glukose also nur 1/19 der sonst verfügbaren
Energie gewonnen. Dies liegt daran, daß bei diesem Abbauprozeß die vorhandenen organischen
Substanzen
in der Regel durch die Lebewesen nur einmal aufgespalten
werden können. Eine weitere Spaltung zu einer energieärmeren Verbindung ist in der
Regel nicht möglich, da sich der bei der Spaltung freiwerdende Wasserstoff nach
Abgabe seiner Energieladung zum Aufbau von ATP an die gespaltenen organischen Bruchstücke
anlagern. In der Regel sind diese einmal aufgespaltenen Teilchen durch eine H-Anlagerung
gegen eine weitere Aufspaltung abgeblockt. Insgesamt gesehen stellt die substratgebundene
Phosphorylierung durch das Fehlen anderer H-Acceptoren eine außerordentlich schlechte
Ausnutzung der angebotenen Nahrung durch die Lebewesen dar. Insoweit würde man die
erfindungsgemäße Lehre ablehnen. Überraschenderweise bringt jedoch die fakultativ
anaerobe Arbeitsweise hinsichtlich einer weitergehenden Abwasserreinigung und einer
möglichst weitgehenden Aufspaltungder schwerabbaubaren organischen Verbindungen
eine erhebliche Verbesserung, da zur Lebenserhaltung und Vermehrung der Mikrolebewesen
beim schlechten Energieausnutzungsgrad von rd. 5 % alles angreifbare Material angegriffen
wird.
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Gegenüber diesem erfindungsgemäßen uneffektiven fakultativ anaeroben
Abbauprozeß bringt ein obligat anaerober Abbauprozeß eine wesentlich bessere Energieausbeute.
Die obligaten Anaerobier, für die Sauerstoff ein Gift darstellt, können das vorhandene
Nahrungsangebot zu 90 % ausnutzen. Der Zeitfaktor liegt jedoch ungünstig und macht
eine Arbeitsweise mit obligat anaeroben Mikroorganismen für moderne Anlagen unbrauchbar.
Erfindungsgemäß wird bewußt der fakultativ anaerobe Abbauprozeß gefördert. Es ist
einerseits
genügend Sauerstoff vorhanden, so daß Aerobier bzw.
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fakultativ Anaerobier aber keine obligat Anaerobier gedeihen können,
andererseits ist aber so wenig Sauerstoff vorhanden, daß eine spürbare aerobe Substratatmung
unterbleibt.
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Betrachtet man den Stoffwechselkreislauf und läßt die Nitratatmung
außer Betracht, so gilt für den Sauerstoffverbrauch OVR = d ~ B' R + e . TSR Die
Substratatmung d ~ B' und die endogene Atmung e ~ TSR R sind also ständig nebeneinander
vertreten. Die endogene Atmung e ~ TSR (auch Grundatmung genannt), ist erforderlich,
damit die Mikroorganismen in Ruhestellung" leben können.
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Sie sind nicht in der Lage zu wachsen oder sich zu vermehren.
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Aber mit Sicherheit werden sie (die Aerobier) weiter leben.
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Sie können sich sogar weiter vermehren und selbst weiter wachsen,
wenn sie aus der substratgebundenen Phosphorylierung weitere Energie gewinnen. Erfindungsgemäß
wird in das Belebungsbecken der ersten Belebungsstufe soviel Sauerstoff eingetragen,
daß die Grundatmung für die Mikroorganismen sichergestellt wird, die in 1 - 2 kg
TSR/m³ enthalten sind.
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Folglich wird mit Sicherheit eine merkbare Entwicklung der Anaerobier
und im Ergebnis ein Faulprozeß unterbunden. Das
noch vorhandene
Nahrungsangebot kann dann ohne Störung über die substratgebundene Phosphorylierung
zum Wachstum der Zelle und für die Vermehrung der Aerobier bzw. der fakultativ Anaerobier
verwendet werden.
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Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die Zuwachsraten im ersten
Belebungsbecken der erfindungsgemäßen Anlage beachtlich sind. Entsprechend dem eingetragenen
Sauerstoff wird nicht nur ein Teil der leichtabbaubaren organischen Substanz, sondern
es werden auch die schwerabbaubaren organischen Verbindungen angegriffen. Dies ist
durch das BSB5/CSB-Verhältnis nachweisbar, da dieses Verhältnis erfindungsgemäß
gleich bleibt oder größer wird, während es nach einer aeroben Belebungsstufe kleiner
wird.
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Unter den angesprochenen Voraussetzungen fakultativer Abbau O, - Gehalt
h O mg/l jedoch soviel 02, daß die endogene Atmung sichergestellt ist, ergibt sich
für die erste Belebungsstufe bei einer erfindungsgemäßen Anlage:
Belastung
BR = 10 kg BSB5/m³ ~ d Abbau / Reduktion = 50 % TSR = 1 - 2 kg TS/m3 O2 - Bedarf
für endogene Atmung = 10 g o, / kg TS ~ h täglich erforderlicher OVR = 10 x 24 x
2 Sauerstoffbedarf OVR für die endogene = 480 g O2 /m³ . d Atmung spezifischer Sauerstoffverbrauch
je kg OVR 0,480 # 0,10 kg O2/kg BSB5 BSB5 - Reduktion B'R 5 BSB5 = Reduktion R Abb.
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R = 0,5 x 10) Arbeitsaufwand bei mittelblasiger AE = # = 0,53 kwh/m³
. d Belüftung Energiedichte bei mittelblasiger LE = 0,533 x 1000 N22 Watt/m3 24
Belüftung Trotz des recht hoch gewählten Sauerstoffbedarfes für die endogene Atmung
ergibt sich gegenüber der bekannten aeroben
Auslegung der ersten
Belebungsstufe eine deutlich abgesetzte Leistungsdichte von nur 22 Watt/m3.
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Die einzige Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage.
Die dargestellte Anlage ist für die Aufbereitung von Abwasser nach dem Belebtschlammverfahren
bestimmt. Zur Anlage gehören ein Belebungsbecken 1 für eine erste Belebungsstufe
I, eine Einrichtung 2 zur Zwischenklärung, ein Belebungsbecken 3 für eine zweite
Belebungsstufe II und eine Nachkläranlage 4.
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Das gesamte aufzubereitende Abwasser ist in das als Höchstlastbecken
ausgeführte Belebungsbecken 1 der ersten Belebungsstufe I einführbar. Die Einrichtung
2 der Zwischenklärung ist als Trennanlage der Biozönosen der ersten Belebungsstufe
I und der zweiten Belebungsstufe II ausgebildet. Dazu gehört, daß ihr Zwischenklärschlamm
lediglich in die erste Belebungsstufe I zurückführbar und/oder einer Schlammverarbeitung
5 zuführbar ist. Der Nachklärschlamm aus der Nachkläranlage 4 ist lediglich in die
zweite Belebungsstufe zurückführbar bzw. der Schlammverarbeitung 5 zuführbar. In
der schon erläuterten Art und Weise ist das Höchstlastbecken 1 für einen vorwiegend
Betrieb mitttakultativ anaeroben Mikroorganismen eingerichtet,
die
von oxidativer auf substratgebundene Phosphorylierung umstellbar sind bzw. nach
unvollständiger Oxidation arbeiten. Der Sauerstoffeintrag in diesem Belebungsbecken
1 liegt in einem Bereich, bei dem die fakultativ anaeroben Mikroorganismen mit substratgebundener
Phosphorylierung arbeiten, obligat anaerobe Mikroorganismen praktisch nicht gedeihen
können und aerobe Substratatmung praktisch unterbleibt. Selbstverständlich erfolgt
in der ersten Stufe auch eine adsorptive, selbsttätig filtrierende und koagulierende
Entfernung von schwerabbaubaren Stoffen. Das Belebungsbecken 3 für die zweite Belebungsstufe
II mag in der angegebenen Weise für die Sauerstoffbegasung 02 eingerichtet sein.
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Das Abwasser wird über den Zulauf 6 mittels einer Pumpe 7 über eine
Leitung 8 einer Einrichtung 9 zur Entsandung bzw. und Grobentschlammung zugeführt.
Nach Abtrennung der störenden Inhaltsstoffe, wie Sand, Fasern und dergleichen ggf.
aber auch der groben absetzbaren Stoffe, tritt das Abwasser über die Leitung 10
in das Höchstlastbecken 1 der ersten Belebungsstufe I ein. Das behandelte Medium
tritt dann über die Leitung 11 in die Einrichtung 2 zur Zwischenklärung ein. Die
geklärte Phase wird über die Leitung 12 dem Belebungsbecken 3 der zweiten Belebungsstufe
II zugeführt, die in der angegebenen Weise als Schwachlaststufe betrieben, im Beispiel
mit Sauerstoff begast wird. Von der Einrichtung 2 zur Zwischenklärung wird ein Schlamm
abgezogen, der über eine Leitung 13 und eine Pumpe 14 den Leitungen 15 und 16 zugeführt
werden kann. Die Leitung 15 dient dazu, Rücklaufschlamm in das System der ersten
Stufe wieder zurückzuführen, während die Leitung 16 die Aufgabe hat, überschußschlamm
aus dem System abzuleiten, z. B. über einen Eindicker in einen Schlammfaulraum.
Das gleiche geschieht mit dem Grobschlamm, der über
die Leitung
17 abgezogen wird. Nach Abschluß des biologischen Abbaus in der zweiten Belebungsstufe
II tritt die wässrige Phase in eine Nachkläranlage 4, von der Schlamm über eine
Leitung 18 und eine Pumpe 19 abgezogen wird. Dieser Schlamm kann über eine Leitung
20 in Form von Rücklaufschlamm wieder dem System der zweiten Belebungsstufe II zugeführt
werden oder er wird über die Leitung 21 als Überschußschlamm aus dem System abgeleitet.
über eine Leitung 22, eine Pumpe 23 und eine Leitung 24 wird ggf. die geklärte wässrige
Phase einem Schnellfilter 25 zugeführt, von dem aus das geklärte Wasser über die
Uberlaufleitung 26 einem Vorfluter zugeführt wird. Vom Schnellfilter 25 wird Rückspülwasser
über die Leitung 27 wieder dem System der zweiten Stufe zugeführt.
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