DE3729239C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von insbesondere kommunalem Abwasser in einer biologischen Kläranlage gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein solches Verfahren wird durch die US-PS 42 82 102 ausgewiesen und sieht ein Belebtschlamm-Abwassersystem vor, das in der Lage ist, die zu reinigende Kraft der Mikroorganismen in beweglicher Suspension während ihrer Verweilzeit im Belebtschlammbecken zu erhalten. Die Flüssigkeit im Belebtschlammbecken ist mit teilchenförmigen, mineralische Oberflächen bildenden Bestandteilen vermischt, auf welchen sich die vom Abwasser getragenen Mikroorganismen absetzen und mit dem abwasser-verwandten, organischen Material zusammenwirken können. Die teilchenförmigen Bestandteile sind in der Lage, die Mikroorganismen im Belebtschlammbecken zurückzuhalten. Dadurch erübrigt sich die Notwendigkeit, das Nachklärbecken aus dem Belebtschlammbecken mit einer Flüssigkeit zu versorgen, deren Mikroorganismen hohe Konzentrationen aufweisen, die denen des Belebtschlammbeckens annähernd entsprechen.

Die Kapazität des Nachklärbeckens, die Größe der zugehörigen Rohrleitungen und Pumpvorrichtung können für dieses System von kleinerem Ausmaß sein, als bei den bekannten Systemen dieser Art, wobei weniger Energie zur Förderung aus dem Belebtschlammbecken in das Nachklärbecken und zur partiellen Rückführung des Klärschlammes zu dem Belebtschlammbecken erforderlich ist. Zur Erreichung dieser Ziele ist nach dem Abwasserklärsystem gemäß der vorliegenden Schrift der Zusatz inerter, d. h. an den chemischen Vorgängen nicht beteiligter, vorklassierter, teilchenförmiger Stoffe, z. B. Natursand, zum Belebtschlammbecken entweder vor der ersten Einführung der Flüssigkeit oder aber während ihrer Verweilzeit in diesem Becken erforderlich.

Des weiteren ist die Bereitstellung von Mitteln zur Belüftung, Mischung und Fließbewegung der Flüssigkeit vorgesehen, und zwar derart, daß das feine teilchenförmige Material in Dispersion in dem Belebtschlammbecken gehalten wird.

Darüberhinaus ist vorgesehen, daß Flüssigkeit aus dem Belebtschlammbecken zur Förderung an ein Nachklärbecken abgezogen wird, wobei der teilchenförmige Stoff und die Mikroorganismen in dem Belebtschlammbecken im wesentlichen zurückbleiben.

Nachteile dieses bekannten Systems sind, daß die Oberflächen des Gesteinsmaterials keine scharfeckigen/ kantigen Formen aufweisen und die Bruchflächen dieser, üblicherweise korpuskularen Teilchen, nicht hinreichend rauh genug sind, um eine genügend haftfeste Ablagerungsmöglichkeit für die Mikroorganismen zu bieten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren nach der eingangs beschriebenen Art zu nennen, das eine Stabilisierung, d. h. Einhaltung optimaler Lebens- und Wachstumsbedingungen für die verschiedenen Bakterien und Mikroorganismen ermöglicht, wobei die aus Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen zusammengesetzte Schmutzfracht durch heterotrope und autotrope Bakteriengruppen oxidativ abgebaut wird.

Beide Bakteriengruppen weisen unterschiedliche Verdopplungszeiten, verschiedene Lebensbedingungen und teilweise konkurrierendes Verhalten auf. Der simultane oxidative Abbau unterschiedlicher Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen setzt daher eine gezielte Steuerung zur Einhaltung eines stabilen Klärprozesses voraus.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren durchströmt das Abwasser das Belebtschlammbecken in einer schraubenförmig zu bezeichnenden Bahn.

Dabei findet zuerst im Bodenbereich des Belebtschlammbeckens unter anaeroben Bedingungen ein Abbau von Nitrat bei gleichzeitiger Oxidation von Kohlenstoffverbindungen statt. Ein beträchtlicher Anteil des Nitratgehaltes wird also unter Einwirkung von Bakterien durch die im Abwasser ohnehin enthaltenen Substanzen abgebaut. Wenn das Abwasser nach einigen Umläufen im Becken allmählich an die Oberfläche gelangt, so findet im Anschluß an die anaerobe Behandlung eine aerobe Behandlung statt, wobei die vorgesehene, als erfindungswesentlich anzusehende Zugabe von silikatischem Mineralstaub in das Belebtschlammbecken bewirkt, daß sich an der Oberfläche des Feststoffes Bakterien anlagern, so daß deren Auswaschung aus dem Belebtschlamm erheblich entgegengewirkt wird. Infolge seines spezifischen Gewichtes bewirkt der Mineralstaub eine sehr gute Absetz- und Eindickeigenschaft der Belebtschlammflocke. Es hat sich gezeigt, daß sich an der Oberfläche des Mineralstaubes vor allem Bakterien ansiedeln, die den Abbau von Stickstoffverbindungen bewirken.

Die aerobe Behandlung wird begünstigt, wenn das Abwasser im Belebtschlammbecken im oberflächennahen Bereich belüftet wird. Indem dem Abwasser zusätzlich Sauerstoff aus der Luft zugeführt wird, tritt eine erhebliche Beschleunigung der Reaktion ein, so daß trotz relativ kurzer Verweilzeit im Belebtschlammbecken eine weitgehende Oxidation der Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen, bei praktisch vollständiger Klärung, stattfindet.

Die Belüftung erfolgt vorteilhafterweise an einer Stelle, die im Zustrom zur Zufuhrstelle und im Abstrom von der Abfuhrstelle angeordnet ist. Dadurch muß die der Oberfläche nächstliegende Schicht bis zum Erreichen der vorzugsweise als Überlauf ausgebildeten Abfuhrstelle noch einen nahezu vollständigen Umlauf im Belebtschlammbecken ausführen.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bereits vorhandenen Kläranlage kann das Abwasser mittels einer Belüftungswalze belüftet werden. Zur Vermeidung vertikaler Turbulenzen ist es wichtig, daß das Abwasser von der Belüftungswalze frei abströmen kann. Hierzu ist es erforderlich, im Abstrom der Belüftungswalze gegebenenfalls vorhandene Mischvorrichtungen, wie Prallbalken oder dgl., zu entfernen. Es hat sich bewährt, oberhalb der Belüftungswalze Gummischürzen als Spritzwasserschutz anzubringen.

Die Zugabe des Mineralstaubes erfolgt am einfachsten, wenn der Mineralstaub einmal täglich dem in das Belebtschlammbecken eingeleiteten Abwasser im wesentlichen zugegeben wird. Ebenfalls wird in der Regel der aus dem Nachklärbecken abgezogene Belebtschlamm als Rücklaufschlamm dem zugeführten Abwasser beigemischt. Selbstverständlich sind auch absatzweise oder kontinuierliche Zugaben möglich.

Die Menge des dem eingeleiteten Abwasser zudosierten Mineralstaubes beträgt wenigstens 10%, vorzugsweise etwa 20%, des Gewichtes der Trockensubstanz des abgezogenen Überschußschlammes. Bei der bevorzugten Menge ergibt sich ein besonders stabiles Betriebsverhalten der Kläranlage.

Ein vorzeitiges Absetzen des Mineralstaubes und damit eine Anreicherung als Bodenschlamm im Belebtschlammbecken tritt nicht ein, wenn die Korngröße des Mineralstaubes weniger als 50 µm beträgt.

Vorteilhafterweise liegt die mittlere Korngröße des Mineralstaubes im Bereich von 15 µm mit einem hohen Anteil im Bereich unter 7 µm. Bei dieser Korngröße wird der Mineralstaub vom Belebtschlamm ohne weiteres mitgeführt und bewirkt im Nachklärbecken einen raschen Absetz- und Eindickvorgang des Belebtschlammes aus dem gereinigten Abwasser.

Als Zusatzstoff wird staubförmiger basischer Naturbasalt aus der Gruppe der Alkalibasalte, die eine dem gemahlenen basischen Naturbasalt zwangsläufig zukommende kantige bis eckige Form aufweisen, zugegeben. Basalt eignet sich nicht nur aufgrund seiner Dichte besonders gut zur Verwendung als mechanisches Hilfsmittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sondern bietet aufgrund seiner chemischen Eigenschaften günstige Voraussetzungen für die Ansiedelung von Bakterien auf seiner Oberfläche. Besonders empfehlenswert ist die Verwendung von reinem Basaltstaub, der unter der Bezeichnung "Gravad KL" erhältlich ist.

Als besonders günstig hat sich staubförmiger basischer Naturbasalt erwiesen, der eine Schüttdichte im Bereich von 1,16 g/cm³, eine BET-Oberfläche von ca. 6 m²/g, eine Rütteldichte im Bereich von 1,53 g/cm², eine Dichte des nicht zerkleinerten Naturbasaltes von wenigstens 2,9 g/cm³ und einen Erweichtungspunkt des nicht zerkleinerten basischen Naturbasaltes nicht unter 800°C liegend, aufweist.

Durch die Zugabe von staubförmigem basischem Naturbasalt in das Belebtschlammbecken einer Kläranlage wird eine Stabilisierung und Intensivierung des Klärprozesses erzielt.

Dieses Ergebnis beruht auf dem Zusammenwirken vor allem folgender fünf vorteilhafter Wirkungen des staubförmigen basischen Naturbasaltes:

• 1. Durch den Staub wird eine erhebliche Vergrößerung der reaktiven Oberfläche im Belebtschlammbecken erreicht.
• 2. An der Oberfläche des basischen Naturbasaltes siedeln sich den Abbau der im Abwasser enthaltenen organischen Substanzen bewirkende Bakterien an, so daß deren Anzahl erheblich zunimmt. Insbesondere bietet basischer Naturbasalt ideale Bedingungen für das Wachstum von anaerob wirkenden Nitrat abbauenden Bakterien. Darüberhinaus weist basischer Naturbasaltstaub katalytische Eigenschaften für mikrobiologische Umwandlungsvorgänge auf.
• 3. Basischer Naturbasalt bewirkt aufgrund seines hohen spezifischen Gewichtes eine längere Verweilzeit der an seiner Oberfläche fixierten Bakterien im Belebtschlammbecken.
• 4. Der basische Naturbasalt wirkt aufgrund seines Alkaligehaltes stabilisierend als Puffer in Bezug auf die Einhaltung des pH-Wertes im Belebtschlammbecken und weist ein gutes Ionenaustauschvermögen auf.
• 5. Der basische Naturbasalt zeigt ein hohes Anlagerungsvermögen für ionisch geladene Schaumflocken.

Dadurch verhindert basischer Naturbasalt das Auftreten von zusammenbackenden Flocken und Schwimmschlamm auf der Wasseroberfläche des Belebtschlammbeckens.

Der zur Herstellung des Staubes eingesetzte Alkalibasalt sollte daher einen Gehalt an Alkalien und Erdalkalien von zusammen wenigstens 25% und einen Gehalt an Alkalien alleine von wenigstens 4% besitzen, jeweils berechnet als Oxide, wobei der pH-Wert bei 7,3 bis 7,5 liegt.

Als besonders geeignet ist ein Alkalibasalt zu empfehlen, der als Hauptgemengebestandteile Olivin, Pyroxen, Plagioklas und Magnetit sowie als Nebengemengebestandteile Ilmenit, Chlorit, Serpentin, Zeolite, Biotit und Apatit aufweist.

Das Schwimmschlamm-Aufkommen im Nachklärbecken und im Überschußschlammspeicher wurde erheblich reduziert. Im geklärten Abwasser wurden im Mittel die folgenden wesentlich verringerten Restsubstanzen ermittelt:

Der gemäß Einleitererlaubnis zulässige Maximalwert von 0,5 ml absetzbarem Stoff pro Liter konnte stets eingehalten werden und lag im Mittel weit darunter.

Das Überschuß-Schlammaufkommen hatte sich etwa verdoppelt.

Die Erfindung wird durch die Zeichnungen einer beispielsweisen Ausführung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine zur Durchführung des Verfahrens umgerüstete Kläranlage schematisch von oben.

Fig. 2 zeigt einen Teil der Kläranlage aus Fig. 1 im Längsschnitt.

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des CSB-Gehaltes im geklärten Abwasser.

Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf des BSB₅-Gehaltes im geklärten Abwasser.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Ammonium- Gehaltes im geklärten Abwasser.

Fig. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Nitrat- Gehaltes im geklärten Abwasser.

In Fig. 1 ist eine ein Belebtschlammbecken 10 und ein Nachklärbecken 12 aufweisende kommunale Kläranlage dargestellt.

Fig. 2 zeigt das Belebtschlammbecken 10 im Längsschnitt. Das Abwasser 14 strömt nach einer hier nicht dargestellten Venturirinnen-Mengenmessung über einen Kanal 16 an einer Zufuhrstelle 18 in das 2,80 m tiefe Belebtschlammbecken 10, welches ein Volumen von 1.600 m³ aufweist. Das Abwasser 14 wird mittels eines Schachtes 18 bis in Bodennähe 22 des Belebtschlammbeckens 10 geführt. Das Belebtschlammbecken 10 ist als Umlaufbecken ausgebildet, in dem eine den Richtungspfeilen 24, 26 folgende langsame Strömung herrscht. Das biologisch gereinigte Abwasser 28 wird mit dem Belebtschlamm an der als Überlauf ausgebildeten Abfuhrstelle 30 von der Oberfläche 64 des Belebtschlammbeckens 10 abgeführt.

An der Abfuhrstelle 30 ist ein höhenverstellbares Überfallwehr 32 vorgesehen, mit welchem die Belüftungsleistung im Belebtschlammbecken 10 geregelt wird. Über eine Verbindungsleitung 34 wird das Schlamm- Wasser-Gemisch 28 dem als Spitztrichter mit einer mittleren Tiefe von 2,30 m und einem Volumen von 800 m³ ausgebildeten Nachklärbecken 12 über ein in dessen Zentrum angeordnetes Mittelbauwerk 36 mit Stengeleinläufen 38 zugeführt. Innerhalb des Nachklärbeckens 12 ist im Abstand von 50 cm konzentrisch zu dessen Außenwand 40 auf Betonkonsolen eine Auslaufrinne 42 angeordnet, welche 1 m tief in den Wasserspiegel eintaucht und an ihrem inneren Umfang eine den Wasserspiegel um 15 cm überragende Betonwand 44 aufweist. Am äußeren Umfang der Auslaufrinne 42 ist eine Zahnkante 46 vorgesehen, über die das geklärte Abwasser 48 das Nachklärbecken 12 verläßt.

Im Nachklärbecken 12 ist ein kontinuierlich betriebener Rundräumer 50 vorgesehen, welcher den am Boden des Nachklärbeckens 12 abgesetzten Belebtschlamm 52 zur Trichterspitze des Nachklärbeckens 12 räumt. Von dort wird der vom gereinigten Abwasser getrennte Belebtschlamm 52 über eine Verbindungsleitung und eine Schneckenpumpe 54 über den Einlaufkanal für das Rohabwasser zurück in das Belebtschlammbecken geführt, sowie eine Überschußschlammleitung 58 einem in der Zeichnung nicht dargestellten Eindicker mit nachgeschalteter Siebbandpresse geführt. Von der Schlammleitung 56 zweigt eine Rücklaufschlammleitung 60 ab, welche in den Einlaufkanal 16 für das Abwasser 14 mündet.

Das mit Belebtschlamm und Mineralstaub angereicherte Abwasser 14 tritt, wie oben beschrieben, in Bodennähe 22 in das Belebtschlammbecken 10 ein. Während mehrere Umläufe im Bodenbereich des Belebtschlammbeckens 10 stattfinden, erfolgt unter Einwirkung der im Rücklaufschlamm enthaltenen Bakterien eine anaerobe Behandlung, bei der sich die entsprechenden Bakterien vermehren.

Unter den anaeroben Bedingungen wird der größte Teil des im Abwasser 14 enthaltenen Nitrates abgebaut.

Je mehr sich das Wasser im Belebtschlammbecken 10 nach zahlreichen Umläufen allmählich der Oberfläche 64 nähert, umsomehr Luftsauerstoff steht zur Verfügung, so daß ein Übergang zu einer aeroben Behandlung stattfindet.

An der Oberfläche 64 sind im Belebtschlammbecken 10 zwei je 6 m lange Belüftungswalzen 66 und 68 angeordnet, welche eine intensive Vermischung von Luft und Wasser bewirken, so daß dieses mit Sauerstoff angereichert wird. Zur Vermeidung jeder vertikalen Turbulenz im Belebtschlammbecken 10 wurden im Abstrom der Belüftungswalzen ursprünglich vorhandene bis 65 cm unter die Oberfläche 64 reichende Prallbalken entfernt. Als Schutz gegen Spritzwasser sind an den Belüftungswalzen 68 und 70 Gummischürzen 70 bzw. 72 vorgesehen.

An der Abfuhrstelle 30 des Belebtschlammbeckens 10 ist eine Meßsonde angeordnet, welche die laufende Überwachung des Sauerstoffgehaltes des abfließenden biologisch gereinigten Abwassers 28 ermöglicht. Der Sauerstoffgehalt sollte zwischen <0 und 0,3 mg/l liegen. Bei Abweichungen des gemessenen Sauerstoffgehaltes vom Sollwert wird die Höhe des Überlaufwehres 32 automatisch verstellt.

Bei steigendem Wasserspiegel nimmt die Eintauchtiefe und damit die Wirksamkeit der Belüftungswalzen 66 und 68 zu, so daß dem Wasser mehr Sauerstoff zugeführt wird. Umgekehrt führt eine Senkung des Wasserspiegels zu einer Abnahme des Sauerstoffgehaltes.

In Versuchen konnte ermittelt werden, daß die Kläranlage unter normalen Verhältnissen mit einer der Belüftungswalzen 66 oder 68 alleine zuverlässig betrieben werden kann. Es zeigte sich, daß optimale Ergebnisse beim Betrieb mit der von der Zufuhrstelle 18 weiter entfernt liegenden Belüftungswalze 68 erreicht werden. Die zweite Belüftungswalze 66 dient als Reserve und wird in mehrstündigem Turnus mit 5 Minuten Laufzeit zur Turbulenzauffrischung dazugeschaltet.

Durch beide Maßnahmen, Entfernung der Prallbalken und Betrieb mit einer einzigen Belüftungswalze infolge geringeren Sauerstoffbedarfs durch anaerobe Vorbehandlung, wird eine beträchtliche Verminderung des Bedarfs an elektrischer Energie und damit eine beträchtliche Reduzierung der Betriebskosten der Kläranlage erreicht. Die Einsparung an Stromkosten übersteigt die Kosten für Basaltstaub um ein Mehrfaches.

In Fig. 3 ist der chemische Sauerstoffbedarf CSB und in Fig. 4 der biochemische Sauerstoffbedarf innerhalb von 5 Tagen BSB₅ des gereinigten Abwassers 48 in mg/l über einen längeren Zeitraum dargestellt.

In beiden Figuren ist mit dem Bezugszeichen 100 der Zeitpunkt des Beginns der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Ausrüstung des Belebtschlammbeckens 10 mit dem Schacht 20 und Entfernung von den Belüftungswalzen 66, 68 benachbarten Prallbalken bezeichnet. Nach einer Einregelzeit, deren Ende mit 102 gekennzeichnet ist, wurde ab einem danach folgenden Zeitpunkt 104 mit der Zugabe von "Gravad KL" begonnen.

Aus Fig. 3 geht deutlich hervor, daß seit diesem Zeitpunkt 104 die CSB-Werte niedriger und gleichmäßiger sind, gleiches gilt für den in Fig. 4 dargestellten BSB₅-Wert.

In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf des mittleren Gehaltes an Ammonium-Stickstoff und in Fig. 6 ist jener des mittleren Gehaltes an Nitrat-Stickstoff in mg/l im geklärten Abwasser dargestellt.

In diesen beiden Diagrammen ist der Zeitraum ab Einführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfaßt, d. h., daß der Nullpunkt der Zeitachse dem in Fig. 3 und Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 100 markierten Zeitpunkt entspricht. Mit dem Bezugszeichen 104 ist wiederum der Zeitpunkt markiert, von dem an "Gravad KL" zugegeben wurde.

In Fig. 5 ist erkennbar, daß in vier Zeitabschnitten trotz des verbesserten Klärverfahrens besonders hohe Ammonium-Gehalte aufgetreten sind.

Diese Werte sind darauf zurückzuführen, daß in den betreffenden Zeitabschnitten außergewöhnlich hohe Ammoniumgehalte von über 100 mg/l in dem der Kläranlage zugeführten Abwasser zu verzeichnen waren. Mit einer gewissen Phasenverschiebung zeigt sich eine entsprechende Zunahme des Nitratgehaltes, wie aus Fig. 6 hervorgeht.

Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet auch bei Spitzenbelastungen die Einhaltung der Maximalwerte an Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen im geklärten Abwasser.

Claims (6)

1. Verfahren zum Reinigen von insbesondere kommunalem Abwasser in einer biologischen Kläranlage mit zumindest je einem Belebtschlammbecken mit einer oder mehreren Belüfterwalze(n), von denen das Abwasser frei abströmen kann, und einem Nachklärbecken, Ausschleusung von Überschußschlamm, Schlammrückführung und Verwendung eines Mineralstaubes als Zusatzstoff, dadurch gekennzeichnet,
daß das zugeführte Abwasser (14) zusammen mit dem rückgeführten Schlamm und dem Mineralstaub dem Belebtschlammbecken (10) in Bodennähe (22) zugeführt wird, und
daß als Mineralstaub basischer Naturbasalt mit einer Korngröße <50 µm verwendet wird, wobei dessen Menge wenigstens 10%, vorzugsweise 20% des Gewichtes der Trockensubstanz des abgezogenen Überschußschlammes beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Mineralstaubes weniger als 15 µm beträgt oder aber die mittlere Korngröße diese Grenze überschreitet, wobei ein hoher Kornanteil im Bereich von 7 µm liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff Naturbasalt aus der Gruppe der Alkalibasalte ist, wobei die Reindichte wenigstens 2,9 g/ccm ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein staubförmiger basischer Naturbasalt zugegeben wird, dessen Schüttdichte im Bereich von 1,16 g/cm³, dessen Rütteldichte im Bereich von 1,53 g/cm³, dessen BET- Oberfläche ca. 6 m²/g, dessen Dichte des nicht zerkleinerten Naturbasaltes wenigstens 2,6 g/cm³, dessen Erweichungspunkt des nicht zerkleinerten basischen Naturbasaltes nicht unter 800°C und dessen pH-Wert zwischen 7,3 und 7,5 liegt bzw. beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des zuzugebenden basischen Naturbasaltes an Alkalien und Erdalkalien wenigstens 25% beträgt, wobei der Gehalt an Alkalien alleine wenigstens 4% beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß basischer Naturbasalt mit Hauptgemengebestandteilen Olivin, Pyroxen, Plagioklas und Magnetit sowie als Nebengemengebestandteile Ilmenit, Chlorit, Serpentin, Zeolite, Biotit und Apatit verwendet werden.