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Die Erfindung betrifft eine verbesserte Abfolge von Verfahren zur Behandlung von Abwasser.
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Moderne Abwasserreinigungsanlagen (Kläranlagen) verwenden unterschiedliche Verfahrensstufen (Behandlungsstufen), die vereinfacht wie folgt beschrieben werden können als
- – Vorbehandlung, wie Siebung und Sand-Beseitigung,
- – Vorklärung, wie Beseitigung von Schwebstoffen durch Absetzen oder Filtrieren,
- – Biologische Behandlung in aeroben, anaeroben und anoxischen Behandlungsstufen,
- – Nachklärung
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Städtisches Abwasser wird beispielsweise nach einer Vorbehandlung (Sieben und Sand-Entfernung) in der Regel in einem ersten Absetzbecken (Vorklärung) behandelt; das teilweise von Schwebstoffen (SS) befreite Abwasser wird anschließend mit Belebtschlamm unter mehr oder weniger geregelten aeroben, anaeroben und anoxischen Bedingungen für die Entfernung von Kohlenstoff-Verbindungen (zum Beispiel als CSB gemessen) und Stickstoff-Verbindungen (TN) behandelt; dafür wird der Beckeninhalt teilweise zwischen den verschiedenen Behandlungsstufen umgepumpt; das so behandelte, Schlamm enthaltende Wasser wird dann in eine Nachklärung geleitet, von wo aus der abgesetzte Schlamm in die biologischen Behandlungsstufen zurückgeführt wird, und von wo aus der Überschussschlamm zur weiteren Schlammbehandlung entnommen und das gereinigte Abwasser abgeführt wird.
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Heutige Kläranlagen werden in der oben geschilderten Weise häufig nach Regeln der DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall), die international als führend anerkannt sind, betrieben. Zum Beispiel ist es, zumindest mittelbar, in Übereinstimmung mit diesen Regeln, dass eine zu weitgehende Entfernung von SS aus rohem städtischem Abwasser in der Vorklärung zu einem Mangel an Kohlenstoffquellen in den nachfolgenden biologischen Behandlungsstufen führen kann. Daher wird für die Behandlung von städtischem Abwasser empfohlen, dass nur etwa zwei Drittel der SS in der Vorklärung entfernt werden sollen. – Um gute Ablaufwasserwerte bei gleichzeitiger Begrenzung der Beckenräume zu erreichen, empfehlen die DWA Regeln ferner, dass das so genannte Schlammalter in biologischen Behandlungsstufen für größere Kläranlagen zwischen etwa 20 und 30 Tagen eingestellt werden soll.
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Die Patentschrift
EP 0125546 A1 beschreibt ein sogenanntes AB-Verfahren; es ist vorzugsweise ein 2-Stufen-Verfahren. Dieses Verfahren wird in der ersten Stufe mit Belebtschlamm, der angereicherte Prokaryoten enthält, betrieben; dieser Belebtschlamm wird nach der ersten Stufe von dem teilweise gereinigten Abwasser in einer Zwischen-Klärung abgetrennt und in die erste Stufe zurückgeführt oder in die Schlammbeseitigung geleitet. Das derart vorbehandelte Abwasser wird in üblicher Weise in den folgenden Behandlungsstufen behandelt. Der Erfinder dieses Verfahrens selbst hat später das Verfahren geändert, da nach der ersten Behandlungsstufe nicht genügend Kohlenstoff-Verbindungen für die erforderliche Beseitigung von TN in den nachfolgenden Behandlungsstufen sind.
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Aufgrund des Mangels an geeigneten Verfahren zur Behandlung von Abwasser, ist das Ergebnis heutiger städtischer Kläranlagen ein Ablaufwasser mit noch recht hohem Schadstoff-Restgehalt, was eine zunehmend schwierige Aufgabe im Umweltschutz darstellt. Die nicht ausreichend entfernten Schadstoffe bestehen insbesondere aus sogenannten schwer abbaubaren Verbindungen, wie Medikamenten, Hormonen und langkettigen organischen Verbindungen. In europäischen Ländern ist es darüber hinaus rechtlich geduldet, Abwasser in die Umwelt abzuleiten, das hohe Konzentrationen von Stickstoff-Verbindungen enthält, wenn die Wassertemperatur in der Kläranlage unter 10°C ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel für eine gründlich verbesserte Abwasserentsorgung und gleichzeitig für eine Vereinfachung der Abfolge von einfach regelbaren Behandlungsstufen bereitzustellen, um damit die Steuerung und den sicheren Betrieb von Kläranlagen zu erleichtern und zu gewährleisten. Diese Mittel sollen auch für die Verringerung des Energieverbrauchs von Kläranlagen beitragen. Nicht zuletzt soll die Erfindung Mittel für eine größtmögliche Entfernung der sogenannten schwer abbaubaren Verbindungen im gereinigten Abwasser und zur Entfernung von Stickstoff-Verbindungen im Winter zur Verfügung stellen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine in den Schutzansprüchen beschriebene Abfolge von Behandlungsstufen gelöst.
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Die erfindungsgemäße Anordnung von Behandlungsstufen verwendet als erste Stufe A nach der üblichen Vorbehandlung (Sieben und Sand Beseitigung) ein Verbundverfahren, das teilweise aus dem oben genannten AB-Verfahren abgeleitet ist. Wesentliche Änderung gegenüber dem bekannten AB-Verfahren ist ein mehrfacher Umlauf (Kreislauf) des Beckeninhalts in Bezug auf die Menge an zufließendem Rohabwasser. Die verwendete Umlaufgeschwindigkeit ist abhängig von der Schadstoffkonzentration im zulaufenden Rohabwasser. Bei der Behandlung von städtischem Abwasser kann die Menge des stündlich umlaufenden Beckeninhalts beispielsweise fünf- bis dreißigmal höher als die stündliche Zulaufmenge sein. Diese Behandlung wird außerdem mit einer Kläreinrichtung verbunden, die mit Lamellen-Paketen oder dergleichen ausgestattet ist. Vorzugsweise wird ein Klärverfahren eingesetzt, das aus der
deutschen Patentanmeldung 10 2014 019 537,6 bekannt ist. Die Behandlung in der erfindungsgemäßen ersten Stufe A wird zusätzlich noch mit einer Teilbelüftung (Sauerstoffzufuhr) des umlaufenden Beckeninhalts verbunden. Durch diese Belüftung sollen am besten nirgends im Beckeninhalt zu keinem Zeitpunkt mehr als 0,3 mg/L an gelöstem Sauerstoff erreicht werden. Diese Teilbelüftung des umlaufenden Beckeninhalts in Behandlungsstufe A kann in üblicher Weise durch abwechselnde nicht belüftete und belüftete Beckenbereiche und/oder durch zeitweise unterbrochene Belüftung (Sauerstoffversorgung) erfolgen. Der Beckeninhalt der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe A ist am besten etwa drei- bis sechsmal größer als die stündlich zufließende Abwassermenge.
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Der umlaufende Beckeninhalt fließt durch die verschiedenen Bereiche der erfindungsgemäßen ersten Behandlungsstufe A innerhalb von Minuten, verglichen mit Stunden nach den vorgeschlagenen DWA-Regeln. In der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe A erfolgt für den Fachmann überraschend eine ziemlich weitgehende biologische Entfernung von Phosphor-Verbindungen (P). Dies ist als BioP-Verfahren (oder biologische Phosphor-Elimination, EBPR) bekannt. Falls erforderlich, können in dieser ersten Behandlungsstufe A die oben aufgelisteten Maßnahmen durch Zugabe von Kalkhydrat oder Dolomit-Hydrat und/oder von Eisen-Salz oder Aluminium-Salz zur Erzielung einer zusätzlichen Entfernung von P ergänzt werden. Diese letzteren Maßnahmen sind beispielsweise im deutschen Patent
DE4325535C2 beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Behandlungsstufe A zielt im Unterschied zu allen in üblicherweise betriebenen Vorklärungsstufen auf ein völlig klares Ablaufwasser, das am besten kein SS und gleichzeitig eine begrenzte Konzentration von P enthält. Die Rest-Konzentration an CSB in diesem Abwasser, welches der Zulauf für die nächste Behandlungsstufe B ist, wird erfindungsgemäß durch die oben beschriebene Sauerstoffzufuhr in Verbindung mit einer Einstellung der Konzentration des Belebtschlammes im umlaufenden Beckeninhalt gesteuert. Dies geschieht in bekannter Weise, indem so viel Überschussschlamm aus der Behandlungsstufe A abgezogen wird, dass sich aus der daraus folgenden spezifischen Schlammbelastung zusammen mit der gesteuerten Zufuhr von Sauerstoff die gewünschte Konzentration an CSB im Ablaufwasser dieser Behandlungsstufe ergibt: Je mehr Sauerstoff zugeführt wird ist, desto geringer ist die Konzentration des CSB im Ablaufwasser der Behandlungsstufe A; je höher die Schlammbelastung ist, je weniger Sauerstoff ist für die CSB-Entfernung erforderlich. Diesbezüglich ist zu erwähnen, dass unter den Bedingungen der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe A zumindest ein Teil des entfernten CSB nicht wirklich abgebaut ist, sondern nur vom Belebtschlamm absorbiert wird. Als Folge dieser erfindungsgemäßen Maßnahmen ist die stöchiometrische Beziehung zwischen Sauerstoffverbrauch und CSB-Entfernung recht klein. Als Ergebnis entfernt die erfindungsgemäße erste Behandlungsstufet A eine große Menge an Schadstoffen aus dem Rohabwasser mit einem verhältnismäßig kleinen Verbrauch von Energie für die Belüftung.
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Nach der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe A folgt die erfindungsgemäße biologische Behandlungsstufe B. Die Behandlungsstufe B verwendet ein Verfahren mit außergewöhnlich hohem Schlammalter. Dafür geeignet ist beispielsweise ein Verfahren, welches aus chinesischen Veröffentlichungen seit 2003 unter dem Namen ”BioDopp” oder ”Engelbart-BioDopp” oder ”bio-doubling prozess” (Bio-dopp)” bekannt ist. In diesem Verfahren wird eine große Umlaufgeschwindigkeit des Beckeninhalts mit großflächiger, feinblasiger Belüftung, mit Schlammzurückhaltung oder endgültiger Klärung mit Hilfe von Lamellenpaketen oder dergleichen, sowie mit einer besonderen Regelung der Sauerstoffkonzentration im Umlaufbecken verbunden. Vorteilhaft ist dabei, dass die Konzentration an gelöstem Sauerstoff in dem umlaufenden Beckeninhalt von Behandlungsstufe B, unmittelbar vor der Kläreinrichtung gemessen, zwischen 0,1 und 0,3 mg/l gesteuert wird, so wie es in den oben genannten chinesischen Veröffentlichungen beschrieben ist. Aufgrund der Ergebnisse mit BioDopp Verfahren in vielen Kläranlagen wird zur Erzielung einer vollständigen Entfernung von Stickstoff-Verbindungen (gemessen als TN) ein viel kleineres Verhältnis von CSB zu TN im Zulaufwasser benötigt als nach DWA-Regeln empfohlen. Wenn die erfindungsgemäße Behandlungsstufe B mit einem CSB/TN Verhältnis von > 4/1 (statt > 6/1 nach DWA-Regeln) im Zulaufwasser betrieben wird, dann ist die TN-Konzentration im Ablaufwasser viel kleiner als es heute für Kläranlagen in Europa gefordert wird. – Es ist klar, dass der geringere Bedarf an CSB den Energieverbrauch für die Sauerstoffzufuhr in Behandlungsstufe B im etwa gleichen Ausmaß vermindert. Dies ist der Grund für die gewünschte weitergehende Entfernung von CSB bereits in der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe A.
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Der größte Vorteil der Verfahrensabfolge in der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe B liegt in einer sehr geringen Wachstumsrate von Belebtschlamm, die in Folge des erfindungsgemäß vorgegebenen Mangels an SS und CSB im zufließenden Abwasser, in Folge der daraus folgenden geringen spezifischen Schlammbelastung und in Folge der erfindungsgemäß vorgegebenen begrenzten Konzentration von P im zufließenden Abwasser für die Behandlungsstufe B erzwungen wird. Da für das Wachstum von 1 kg Überschussschlamm (Bakterienmasse) mindestens etwa 20 Gramm P notwendig sind und unter der Annahme dass beispielsweise nur 0,5 mg/LP im zulaufenden Wasser sind, können rein rechnerisch nur etwa 25 Gramm Überschussschlamm pro m3 Abwasser entstehen. Dieser Wert für die sich in der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe B bei entsprechenden Vorgaben höchstens ergebende Menge an Überschussschlamm aus einem m3 Abwasser liegt sehr weit unter dem sich ergebenden Mindestwert für entstehenden Überschussschlamm in herkömmlichen Verfahren nach DWA-Regeln. Aus diesem Grunde kann in der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe B – im Gegensatz zu allen bekannten Verfahren – wunschgemäß ein außergewöhnlich hohes Schlammalter von beispielsweise einem halben Jahr oder mehr erreicht werden. Dies gilt auch bei der Verwendung eines Beckenraumes, der größenmäßig für sonst übliche Verfahren bemessen ist. Diesbezüglich ist anzumerken, dass nach heutiger Lehre ein so hohes Schlammalter angeblich eine große Gefahr für das „Absterben” oder „Verhungern” von wichtigen Bakterien im Belebtschlamm, also mittelbar für eine verminderte Klärleistung, sein soll.
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Eigene Langzeituntersuchungen zeigen im Gegensatz zur vorherrschenden Lehre, dass ein immer größer werdendes Schlammalter in einer erfindungsgemäß betriebenen Behandlungsstufe B eine immer bessere Leistung einer Kläranlage bewirkt:
Die Entfernung von schwer abbaubaren Verbindungen steigt mit dem Schlammalter. Daraus lässt sich ableiten, dass sich in der Behandlungsstufe B die Artenzusammensetzung der Bakterien im Belebtschlamm in einer gewünschten Art und Weise ständig weiterverbessert, je länger die Kläranlage betrieben wird.
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Je höher das Schlammalter ist, desto geringer ist das spezifische Schlammvolumen, umso höher ist umgekehrt die Menge an Belebtschlamm, die im biologischen Behandlungsbecken zurückgehalten werden kann. Daher nimmt die spezifische Schlammbelastung bei Erhöhung der Belebtschlamm-Konzentration mit dem dadurch erhöhten Schlammalter ab; und dies wiederum ergibt erfahrungsgemäß eine verbesserte Entfernung von CSB. Weiterhin ergibt ein höheres Schlammalter eine kleinere Wachstumsrate der meisten Bakterien im Belebtschlamm und daraus folgt eine Verminderung der Überschussschlammmenge. Daher nimmt das Schlammalter mehr und mehr zu, je länger die Kläranlage unter erfindungsgemäßen Bedingungen betrieben wird; dies führt zu mehr und mehr ”stabilisiertem” Schlamm, der erfahrungsgemäß vorteilhafte Eigenschaften für die nachfolgende Schlammentsorgung hat.
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Als wichtigstes Gesamtergebnis nimmt bei ununterbrochenem erfindungsgemäßem Betrieb einer Behandlungsstufe B die Konzentration der schwer abbaubaren Verbindungen im gereinigten Ablaufwasser immer weiter ab, da langsam wachsende Bakterien, die diese Verbindungen verarbeiten können, sich erfahrungsgemäß zwar nur langsam aber immer weiter vermehren können, ohne mit Überschussschlamm abgezogen zu werden.
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Nach heutigen gesetzlichen Bestimmungen ist in vielen europäischen Kläranlagen eine vollständige Entfernung von TN nicht erforderlich, wenn die Wassertemperatur unter 10°C liegt. Im Gegensatz dazu zeigen eigene Untersuchungen, dass eine vollständige TN-Entfernung bei niedrigen Temperaturen gut möglich ist: Auf der einen Seite erfolgt in der Nähe des Gefrierpunktes ein langsames Wachstum und ein ausreichender Stoffwechsel der temperaturempfindlichen nitrifizierenden Bakterien. Auf der anderen Seite ist die Abnahme von nitrifizierenden Bakterien in der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe B im allgemein und besonders im Winter sehr klein, da aufgrund des geringen Schlammzuwachses nur eine verhältnismäßig kleine Menge an Überschussschlamm (oder monatelang gar nichts) aus dem Beckeninhalt entfernt werden muß. Somit gibt es auch in Wintermonaten immer genug nitrifizierende Bakterien im Belebtschlamm in der Behandlungsstufe B, wenn sie gemäß der Erfindung betrieben wird.
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Der notwendige Beckenraum für die erfindungsgemäße Behandlungsstufe B braucht nicht größer zu sein als der sonst notwendige Raum für herkömmliche Behandlungsbecken: Rechnet man für die Behandlung von städtischem Abwasser nach der Vorklärung mit einem Beckeninhalt, der 12 mal größer als die mittlere stündlich zufließende Menge Abwasser ist, dann kann – mit einer Konzentration von beispielsweise > 10 g/L Belebtschlamm (MLSS) in der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe B – das Schlammalter größer als 200 Tage sein. Aufgrund des sich daraus ergebenden kleinen spezifischen Schlammvolumens können mit Hilfe des bereits erwähnten Klärverfahrens, das in der
deutschen Patentanmeldung 10 2014 019 537,6 beschrieben ist, sogar mehr als 10 g/L MLSS in der Behandlungsstufe B gehalten werden. Die höhere Konzentration an MLSS führt zu einem noch höheren Schlammalter.
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Während bereits die erfindungsgemäßen Behandlungsstufen A und B viel besser gereinigtes Abwasser als heute übliche Verfahren zur Folge haben, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine besonders einfache Anwendung von nachfolgend beschriebenen Behandlungsstufen für eine so genannte ”vierte Reinigungsstufe”:
Eine vollständige Klärung des Wassers vor dem Ablaufen aus der Kläreinrichtung der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe B ist möglich aber nicht zwingend notwendig. Die Kläreinrichtung der Behandlungsstufe B kann erfindungsgemäß wahlweise als Schlammrückhalteeinrichtung betrieben werden, besonders vorteilhaft ist das dann, wenn dafür das oben bereits erwähnte Verfahren der
DE-A-10 2014 019 537,6 benutzt wird. Unter diesen Bedingungen wird eine größtmögliche Konzentration von MLSS in Behandlungsstufe B erreicht und das Ablaufwasser aus Behandlungsstufe B enthält den in Behandlungsstufe B erzeugten Überschussschlamm zusammen mit dem nicht entfernten (in löslicher Form vorliegenden) Rest-CSB. Da die Konzentration des SS unter diesen Bedingungen klein ist, kann dieses Ablaufwasser vorteilhaft und wirtschaftlich durch Mischen mit Chemikalien, die ein Ausflocken unterstützen, weiterbehandelt werden. Empfohlene Chemikalien hierfür sind Kalkhydrat und/oder Dolomit-Hydrat für eine Bildung von Calcit, das dafür bekannt ist, bei seiner Entstehung große Mengen an langkettigen Kohlenstoffverbindungen zu adsorbieren und so aus dem gelösten Zustand zu entfernen. Das so vorbehandelte Ablaufwasser aus Behandlungsstufe B kann in einer nachfolgenden erfindungsgemäßen Behandlungsstufe C geklärt werden.
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Eine Maßnahme für die weitere Verbesserung der Ablaufqualität nach der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe B ist das Einmischen von Aktivkohle oder – wirtschaftlicher – von Herdofenkoks in das Ablaufwasser nach Behandlungsstufe B vor der endgültigen Klärung in der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe C. Beide Maßnahmen zusammen, Flockung mit Chemikalien und Zusatz von Aktivkohle, bewirken eine beträchtlich gesteigerte Entfernung von Schadstoffen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Verminderung der Schadstoffbelastung des Ablaufwassers von Kläranlagen ist der Zusatz von Eisen- oder Aluminiumsalz in das Ablaufwasser der Behandlungsstufe B. Dies unterstützt die Bildung von gut absetzbaren Flocken aus Eisen- oder Aluminiumverbindungen und mindert die P-Konzentration beispielsweise bis auf < 0,05 mg/L, was ein umweltverträgliches Einleiten des Ablaufwassers aus der Behandlungsstufe C in einen See ermöglicht, weil eine solch kleine P-Konzentration nicht zu einer Algenblüte führt.
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Nach der erfindungsgemäßen Behandlungsstufe C kann das solchermaßen verbessert gereinigte Abwasser in einer nächsten erfindungsgemäßen Behandlungsstufe D besonders vorteilhaft nach Behandlung mit OH-Radikalen über Aktivkohle oder Herdofenkoks filtriert werden, was die Rest-Konzentration von Schadstoffen im gereinigten, letztendlich zu entsorgenden Wasser auf kaum noch messbare Werte vermindert, so dass es für die Gewinnung von Trinkwasser verwendet werden kann.
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Es sei erwähnt, dass im Gegensatz zu dem oben genannten AB-Verfahren (
EP 0.125.546 A1 ) jeglicher Überschussschlamm der erfindungsgemäßen Behandlungsstufen B, C und D in den Zulauf oder in die erfindungsgemäße Behandlungsstufe A zurückgeführt werden kann, von wo aus der Überschussschlamm aus der gesamten Kläranlage erfindungsgemäß zur Schlammbeseitigung abgezogen wird. Dies ist eine wichtige Vereinfachung der Wartungsarbeiten im Vergleich zu üblichen Verfahren.
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Zusammenfassend kann gesagt werden:
Die erfindungsgemäßen Behandlungsstufen A + B verbrauchen gegenüber herkömmlichen Verfahren viel weniger Energie trotz weitgehend verbesserter Reinigungsleistung.
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Die in den oben erfindungsgemäßen Behandlungsstufen A, B, C und D miteinander verbundenen Maßnahmen sind als Einzelmaßnahmen nicht neu und daher dem Fachmann bekannt. Die erfindungsgemäße Abfolge dieser Verfahrensstufen, sowohl innerhalb der einzelnen Behandlungsstufen als auch in der gesamten Abfolge der Behandlungsstufen A + B oder A + B + C oder A + B + C + D, erfolgt dagegen mindestens teilweise entgegen der vorherrschenden Lehre, sie stellt eine bisher für nicht möglich gehaltene, keineswegs naheliegende Neuerung dar.
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Die erfindungsgemäße Abfolge von Maßnahmen ist ein einfach nutzbares Behandlungsverfahren für Abwasser; und sie ermöglicht eine Entsorgung des gereinigten Abwassers nach jeglichen gewünschten oder geforderten Anforderungen sogar bis hin zur Lieferung von Wasser für die Trinkwassergewinnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0125546 A1 [0005, 0023]
- DE 102014019537 [0009, 0018]
- DE 4325535 C2 [0010]
- DE 102014019537 A [0019]