DE19807890C2 - Verfahren und Kleinkläranlage zum Behandeln von Schwarz und/oder Grauwasser mit Membrantechnologie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben modular aufgebauter Kleinkläranlagen zur Aufstellung in frostfreien geschlossenen Räumen, im wesentlichen Kellerräumen.

In diesen modular aufgebauten Kleinkläranlagen kann das gesamte häusliche Abwasser, das heißt Schwarz- und/ oder Grauwasser, vollbiologisch gereinigt werden.

Es ist bekannt, Verfahren zur biologischen Reinigung von organisch belasteten Abwässern, bei dem die gelösten Abwasserinhaltsstoffe mikrobiologisch umgesetzt werden und das behandelte Abwasser anschließend von dem biologischen Schlamm abgetrennt wird, einzusetzen, bei welchen die mikrobielle Umsetzung unter Überdruck ausgeführt wird und die Abtrennung des behandelten Abwassers vom biologischen Schlamm durch eine Membran- oder Ultrafiltration vorgenommen wird.

Es sind auch geregelte Oxydationskleinkläranlagen als Kleinklärsystem für Haushaltsabwässer und gewerbliche Schmutzwässer bekannt, welche vollbiologisch arbeiten und bei denen die Verbindungen (Zu- und Abflüsse) zwischen Vorhaltebecken, Belebungsschacht, Nachklärung und Stapelraum des Klärschlamms, ebenso wie die Luftzufuhr in den Belebungsschacht (Oxydation) durch elektronisch-pneumatische Steuerung geregelt werden, so dass ein hoher Mineralisierungsgrad des Klärgutes erreicht wird.

Bekannt sind auch Mehrkammerkleinkläranlagen, bei denen die vorhandenen Verbindungs- und Überlauföffnungen verschlossen werden, wobei das zu reinigende Abwasser durch pneumatische Pumpen chargenweise und geregelt von Kammer zu Kammer transportiert wird.

Es sind auch Kleinkläranlagen, ausgeführt als Aufstau-Überlüftungsanlage mit Belüftung durch Oberflächenkreisel oder mittels eines Rührwerkes und Zusatzlufteinspeisung bekannt.

Weiterhin sind auch Varianten als Aufstau-Oxidationsanlage in Schachtbauweise bekannt, welche in einem Schachtbehälter Vorklärschacht, Oxidationsschacht und Nachklärschacht vereinigen.

Bekannt ist weithin, daß mit Membranen, insbesondere mit Mikrofiltrationsmembranen eine weitgehende Abtrennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten direkt im Belebungstank möglich ist.

Bei Kläranlagen mit Belebungsbecken sind bisher im kommunalen Bereich mit hohen TS-Konzentrationen nur Crossflow-Anlagen im Einsatz.

Zur Verhinderung von Ablagerungen beziehungsweise Deckschichten beim Crossflow- Verfahren auf den Membranen wird ein Gas/Flüssigkeitsgemisch mit einer genügend turbulenten Strömung oder aber auch die Reibung der Membranen aneinander ausgenutzt.

Die transmembrane Druckdifferenz wird dabei durch Anlegen eines negativen Überdrucks, welcher durch Pumpen oder unter der Ausnutzung der Schwerkraft erzeugt wird, auf der Permeatseite überwunden.

Kleinkläranlagen gemäß DIN 4261 Teil 1/2 für weniger als 8 m³ Abwasser pro Tag werden bisher als abflußlose Gruben, Dreikammerklärgruben, Tropfkörper-, Belebungsanlagen, beziehungsweise Pflanzenkläranlagen ausgeführt.

Aus der DE 195 34 657 ist eine Kleinkläranlage für häusliches Abwasser, mit Speicher, Belebung, Nachklärung und nicht näher erläuterten späteren Stufen bekannt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein konventionelles Belebtschlammverfahren ohne getauchte Mikrofilter, bei dem das Abwasser nur durch Sedimentation von Belebtschlammflocken/Bakterien gereinigt wird.

Nachteilig ist dabei, daß eine weitgehende Keimfreiheit mit einem Nachklärbecken mit Sedimentation/Schwerkraftabtrennung nicht möglich ist und daß Grobstoffe im Vorklärbehälter nicht zerteilt und damit dem biologischen Prozeß nicht zugänglich gemacht werden, der Primärschlammanfall sehr hoch ist und die beschriebene Anlage nicht in geschlossenen Räumen betrieben werden kann.

Weiterhin sind Anlagen bekannt, welche unter Verwendung von Nachklärbecken mit Sedimentation/Schwerkraftabtrennung arbeiten.

Diese werden beispielsweise beschrieben in der JP 54-63553 sowie in einem Artikel der Zeitschrift BIOforum 4/94, S. 129-135.

Dabei wird das Abwasser nur durch Sedimentation von Belebtschlammflocken/­ Bakterien gereinigt. Eine weitgehende Keimfreiheit ist mit lediglich einem Nachklärbecken mit Sedimentation/ Schwerkraftabtrennung nicht möglich, der Einsatz von Kreiselpumpen, wie vorgeschlagen in der JP 54-63553, hat den Nachteil, daß die eingesetzten Kreiselpumpen anfällig im Belebtschlamm sind und die Flockenstruktur des Belebtschlammes zerstören.

Alle bisher bekannten Kleinkläranlagen weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie nach einem bekannten Verfahren mit den drei Verfahrensstufen Vorklärung, Oxidation und Nachklärung arbeiten.

Desweiteren läuft bei den bisher bekannten Kleinkläranlagen ein hydraulischer Stoß nur geringfügig gedämpft durch alle Verfahrenstufen. Das hat eine verringerte Aufenthaltszeit und einen erhöhten Schlammanteil und damit eine schlechtere Reinigungsleistung zur Folge.

Aus kommunalen Kleinkläranlagen müssen oft große Volumina ein bis mehrmals im Jahr entsorgt werden. Hierzu wird der Schlamm aus der Vorklärung oder anderen Behältern wie Becken oder Tanks entnommen.

Dieser entnommene Fäkalschlamm aus der Vorklärung wirkt geruchsbelästigend und ist hygienisch bedenklich.

Nachteilig ist außerdem, daß konventionelle Abwassertauchmotorpumpen drehende Teile enthalten, die vor allem bei geringen elektrischen Anschlußleistungen nicht über längere Zeit hinweg zuverlässig arbeiten.

Die im Abwasser enthaltenen Verunreinigungen wie beispielsweise Haare und andere Fasern führen dabei häufig zum Ausfall der Pumpe.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Abwasserreinigung zu schaffen, welches mittels einer modular aufgebauten Kleinkläranlage raumsparend in Wohngebäuden eingesetzt werden kann und weitestgehend wartungsfrei arbeitet. Diese Kleinkläranlage soll energieoptimiert arbeiten und für die Behandlung von nichtkonstant anfallendem häuslichem Abwasser geeignet sein.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das häusliche Abwasser über ein Fallrohr in eine Vorklärkammer eingebunden wird, in welcher das Abtrennen der größeren ungelösten Abwasserinhaltsstoffe erfolgt. Die sich über den größeren ungelösten Abwasserinhaltsstoffe absetzende flüssige Phase des Abwassers gelangt durch Strömung aus einer Vorklärkammer in einen Belebungstank. In dem Belebungstank können mit einer höheren Konzentration an Mikroorganismen (TS-Konzentration) (Dickschlammbiologie) unter Zufuhr von Luft die in der flüssigen Phase mitgeführten Abwasserinhaltstoffe umgesetzt werden.

Diese Luftzufuhr erfolgt aus energetischen Gründen in Abhängigkeit zum Anfall des Abwassers.

Das Abwasser gelangt durch Mikrofiltrationsmembranen im freien Gefälle in einen Brauchwasserspeicher beziehungsweise in eine Hebeanlage oder über einen Überlauf in eine Versickerung. Aus dem Brauchwasserspeicher kann der Sekundärkreislauf mit einem Hauswasserwerk gespeist werden.

Der Brauchwasserspeicher enthält eine geeignete Einrichtung um die Wiederverkeimung zu unterdrücken.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche modulare Kleinkläranlage für den Einbau in geschlossenen Räumen besteht aus zwei Verfahrensstufen, nämlich einer Vorklärkammer und einer Belebungsstufe mit getauchten Membranen. Dabei ist die Vorklärkammer als zusätzlicher Abwasserspeicher dimensioniert.

In der Vorklärkammer ist eine Umwälzeinrichtung und eine Fördereinrichtung angeordnet.

Diese Umwälzeinrichtung ist dabei so gestaltet, daß ein senkrecht in der Vorklärkammer angeordnetes Rohr an seinem unteren Ende mit einer Frischluftzufuhr verbunden ist.

Die untere Öffnung des Rohres ist mit einem Filter versehen, welcher wiederum an seiner der Vorklärkammer zugewandten Seite mit einer Frischluftzufuhr augestattet ist. Das obere Ende des senkrecht stehenden Rohres ist u-förmig nach unten abgewinkelt.

Die in der Vorklärkammer angeordnete Fördereinrichtung ist erfindungsgemäß so gestaltet, daß in einem senkrecht in der Vorklärkammer stehenden Rohr ein weiteres dünneres Rohr angeordnet ist.

Dieses innenstehende Rohr weist in seinem unteren Bereich eine Frischluftzufuhr auf. Das äußere Rohr ist in seinem mittleren Bereich mit Filterelementen versehen und beide Rohre sind an ihren unteren Enden zueinander offen.

Das innere Rohr ist an seinem oberen Ende so gestaltet, daß seine Austrittsöffnung sich über dem Belebungsbecken befindet.

Der Belebungstank ist über eine weitere Rohrverbindung mit einem Brauchwasserspeicher verbunden.

Dazu ist im oberen Bereich des Belebungtanks eine mit Mikrofiltrationsmembranen ausgestattete Austrittsöffnung angeordnet.

Die austretende Abluft wird mittels einer Rohrverbindung über die Abwasser­ zuführungsleitung abgeführt.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung der Kleinkläranlage.

In der Vorklärkammer 1 ist eine Umwälzeinrichtung 2 installiert, welche eine weitgehende Umsetzung der groben Abwasserinhaltsstoffe ermöglicht.

In dieser Vorklärkammer 1 werden die groben Abwasserinhaltsstoffe zerteilt, mit Sauerstoff versetzt und in der flüssigen Phase gelöst.

Der sich in der Vorklärkammer 1 absetzende Schlamm wird dadurch soweit reduziert, daß auch die größeren bis dahin ungelösten Abwasserinhaltsstoffe biologisch abgebaut werden.

Mittels einer Füllstandsmessung in der Vorklärkammer 1 wie auch im Belebungstank 3 wird die Anlage den hydraulischen Belastungen, die bei kleinen Anschlußgrößen besonderen Schwankungen unterworfen sind, angepaßt.

Vorklärkammer 1 wie auch Belebungstank 3 sind in ihrem Füllstand variabel und in die Steuerung der Kleinkläranlage eingebunden.

Das für die Filtration notwendige transmembrane Druckgefälle wird durch eine Überstauung der Membranen realisiert.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren variiert der Flux durch die sich aufbauende sekundäre Deckschicht zwischen 0,2 bis 40 l/m² h.

Der selbstregulierende Prozeß in der erfindungsgemäßen Kleinkläranlage wird dadurch realisiert, daß eine dem natürlichen Regelkreis Membran-Deckschicht-Flux angepaßte Membranfläche eingesetzt wird und dieser selbstregulierende Prozeß eine sekundäre Deckschicht auf der Membran verursacht, die einen ausreichenden Flux über viele Monate ohne Reinigung, Rückspülung ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Umwälzeinrichtung ist vorzugsweise so gestaltet, daß über die Frischluftzufuhr 4 Luft in das Rohr eingeblasen und somit eine aufsteigende Strömung erzeugt wird.

Diese aufsteigende Strömung nimmt die sich in der Vorklärkammer befindlichen Abwasserinhaltsstoffe bis zu einer Korngröße von 30 mm verstopfungsfrei mit und wälzt damit die Vorklärkammer um.

Dabei erfolgt die Zerteilung der Grobstoffe im wesentlichen durch unter Druck in das Wasser eingeblasene Luft.

Der Druck der eingeblasenen Luft liegt vorzugsweise zwischen 3 kPa (0,03 bar) und 300 kPa (3 bar). Vorzugsweise wird das ansaugende Ende der Umwälzeinrichtung mit einem grobmaschigen Filter 5 gegen Verstopfungen ausgerüstet.

In einer besonderen Ausgestaltung besteht das Filter aus einem flexiblen Netzschlauch, der über ein Stützrohr 6 gezogen wird.

Die an diesem Filter angeordnete Frischluftzufuhr 7 befördert unter Druck Luft an das Filter, wobei dieses vorzugsweise von innen nach außen freigespült und damit von Ablagerungen befreit wird.

Diese Art der Umwälzung hat den Vorteil, nicht nur durch die Vermeidung rotierender Pumpenteile wartungsärmer als herkömmliche Lösungen zu sein, sondern weist auch den Vorteil auf, daß ein Faulen des Abwassers durch den Eintrag von Sauerstoff unterbunden wird und die gröberen Abwasserinhaltsstoffe durch Zerteilung dem biologischen Abbau zugänglich gemacht werden.

Die in der Vorklärkammer angeordnete Fördereinrichtung 8 ist erfindungsgemäß so gestaltet, daß in einem senkrecht in der Vorklärkammer stehenden Rohr 9 ein weiteres dünneres Rohr 10 angeordnet ist.

Dieses innenstehende Rohr weist in seinem unteren Bereich eine Frischluftzufuhr 11 auf. Das äußere Rohr 9 ist in seinem mittleren Bereich mit Filterelementen 12 versehen und beide Rohre sind an ihren unteren Enden zueinander offen.

Das innere Rohr ist an seinem oberen Ende so gestaltet, daß seine Austrittsöffnung 13 sich über dem Belebungsbecken 3 befindet.

Der Belebungstank ist über eine weitere Rohrverbindung 14 mit einem Brauchwasserspeicher verbunden.

Dazu ist im oberen Bereich des Belebungtanks eine mit Mikrofiltrationsmembranen ausgestattete Austrittsöffnung angeordnet, die mit einem Magnetventil verschlossen werden kann.

Die Abtrennung der Korngrößen über 8 mm wird dadurch realisiert, daß ein elastischer Gitternetzschlauch 12, welcher über das mit Öffnungen versehene äußere Rohr 9 gezogen ist.

Über die Öffnungen in dem äußeren Rohr tritt das Abwasser in den Raum zwischen den beiden Rohren ein und wird durch den Sog, welcher durch die aufsteigende Luft in dem inneren der beiden Rohre erzeugt wird, in die Belebungskammer transportiert.

Durch die Ausstattung des Brauchwasserspeichers mit einer geeigneten Einrichtung zur Minderung der Wiederverkeimung ist eine Nachbehandlung vor einer Verwendung des Abwassers als Brauchwasser nicht mehr erforderlich.

Die Fördereinrichtung 8 in ihrer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann Abwasser bis Korngrößen 10 mm verstopfungsfrei fördern und ist derart aufgebaut, daß sie eine Abtrennung aller Abwasserinhaltsstoffe mit einer Korngröße größer 8 mm unabhängig von ihrem spezifischen Gewicht ermöglicht.

Diese Abwasserinhaltsstoffe größer 8 mm verbleiben zur weiteren Zersetzung in der Vorklärung und nur das Abwasser aus der mittleren Behälterzone gelangt in die Fördereinrichtung.

In einer besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung wird bei entsprechend höheren Anschlußgrößen die Anzahl der Vorklärkammern und Belebungsstufen mit getauchten Membranen variiert.

Es ist mit der kleinsten Ausbaustufe dieser erfindungsgemäßen Kleinkläranlage mit Belebungsstufe mit getauchten Membranen möglich, das gesamte häusliche Abwasser (Grau- und/oder Schwarzwasser) von 4 Einwohnergleichwerten auf einer Stellfläche von nur 2 m² bei einer Raumhöhe von 1,8 m zu Brauchwasserqualität (MF- Permeat als Ablauf) aufzuarbeiten.

Das Permeat kann in dieser hohen Qualität versickert oder in einer weiteren Verwendung gespeichert werden.

In einer weiteren besonderen Ausgestaltungsform können die Behälter aus Kunststoff bestehen und sind mit handelsüblichen HT-Rohren verbunden.

Die Entlüftung 16 erfolgt vorzugsweise über das Fallrohr 17 über Dach; es ist keine zusätzliche Leitung erforderlich.

Vorteilhafterweise ist die Aufenthaltszeit des Abwassers in der biologischen Stufe nahezu gleichbleibend und nur vom Flux durch die Membran abhängig.

Eine besondere konstruktive Gestaltung der Filtereinheit 15 besteht vorzugsweise darin, daß diese selbstjustierend ausgeführt ist und dadurch ein Schnellwechsel bei der Wartung ohne Unterbrechung des Betriebes und ohne Ableitung ungeklärten Abwassers möglich ist.

Ein Abreinigen der Filter unter Einsatz chemischer Mittel oder aber auch ein Senken des Füllstandes ist dabei nicht nötig.

Die für solche Kleinkläranlagen vorgeschriebenen chemischen und physikalischen Parameter zur Abwasserqualität werden im verfahrenstechnischen Ablauf sicher eingehalten.

Das gereinigte Abwasser ist zusätzlich weitgehend keimfrei und kann somit als Brauch­ wasser für eine weitere Nutzung gespeichert werden.

Ein weitere Vorteil der erfindungsgemäßen Kleinkläranlage besteht darin, daß ein Einsatz von Niederspannungsantrieben mit beispielsweise Solarenergie ermöglicht wird.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben modular aufgebauter Kleinkläranlagen, dadurch gekennzeichnet, daß das häusliche Abwasser über ein Fallrohr in eine Vorklärkammer (1) eingebracht wird, in welcher das Abtrennen der größeren ungelösten Abwasser­ inhaltsstoffen erfolgt und die sich über den größeren ungelösten Abwasserinhaltsstoffen absetzende flüssige Phase des Abwassers durch Strömung aus einer Vorklärkammer (1), in welcher mittels einer Umwälzeinrichtung (2) eine weitgehende Umsetzung der groben Abwasserinhaltsstoffe dadurch erfolgt, daß diese zerteilt, mit Sauerstoff versetzt und in der flüssigen Phase gehalten werden und der sich absetzende Schlamm dadurch deutlich reduziert wird, daß auch die größeren bis dahin ungelösten Abwasserinhaltsstoffe biologisch abgebaut werden, in einen an sich bekannten Belebungstank (3) gelangt, in dem mit einer höheren Konzentration an Mikroorganismen unter Zufuhr von Luft die in der flüssigen Phase mitgeführten Abwasserinhaltstoffe umgesetzt werden und die Luftzufuhr in Abhängigkeit zum Anfall des Abwassers erfolgt und das Abwasser durch Mikrofiltrationsmembranen in beispielsweise einen Brauchwasserspeicher gelangt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Füllstands­ messung in der Vorklärkammer (1) wie auch im Belebungstank (3) die Anlage den hydraulischen Belastungen, die bei kleinen Anschlußgrößen besonderen Schwankungen unterworfen sind, angepaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorklärkammer (1) wie auch der Belebungstank (3) in ihrem Füllstand variabel und in die Steuerung der Kleinkläranlage eingebunden sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der selbstregulierende Prozeß in der Kleinkläranlage dadurch erreicht wird, daß eine dem natürlichen Regelkreis Membran-Deckschicht-Flux angepaßte Membranfläche eingesetzt wird und dieser selbstregulierende Prozeß eine sekundäre Deckschicht auf der Membran verursacht, die einen ausreichenden Flux über viele Monate ohne Reinigung, Rückspülung ermöglicht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Filtration notwendige transmembrane Druckgefälle durch eine Überstauung der Mikrofiltrationsmembranen erreicht wird.

6. Kleinkläranlage für den Einbau in geschlossenen Räumen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Vorklärkammer (1) und einer Belebungsstufe mit getauchten Membranen besteht, wobei die Vorklärkammer (1) als zusätzlicher Abwasserspeicher dimensioniert ist und in der Vorklärkammer (1) eine Umwälzeinrichtung (2), welche so gestaltet ist, daß ein senkrecht in der Vorklärkammer (1) angeordnetes Rohr (6) an seinem unteren Ende mit einer Frischluftzufuhr (7) verbunden ist, die untere Öffnung des Rohres mit einem Filter (5) versehen ist, welcher wiederum an seiner der Vorklärkammer (1) zugewandten Seite mit einer Frischluftzufuhr (4) augestattet ist und über diese Frischluftzufuhr (4) Luft in das Rohr einzublasen ist, und eine Fördereinrichtung (8) angeordnet ist, welche so gestaltet ist, daß in einem senkrecht in der Vorklärkammer (1) stehenden Rohr (9) ein weiteres dünneres Rohr (10) angeordnet ist und dieses innenstehende Rohr (10) in seinem unteren Bereich eine Frischluftzufuhr (11) aufweist und das äußere Rohr (9) mit Öffnungen versehen und in seinem mittleren Bereich mit Filterelementen (12) versehen ist und beide Rohre (9) und (10) an ihren unteren Enden zueinander offen sind und sich das innere Rohr (10) mit seinem oberen Ende über dem Belebungsbecken befindet.

7. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ansaugende Ende der Umwälzeinrichtung (2) mit einem grobmaschigen Filter (5) gegen Verstopfungen ausgerüstet ist.

8. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Filter (5) eine Frischluftzufuhr (7) zur Beaufschlagung des Filters (5) mit Frischluft angeordnet ist.

9. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Bereich des Belebungstanks (3) eine mit Mikrofiltrationsmembranen ausgestattete Austrittsöffnung (13) unterhalb der Wasseroberkante in der Behälterwand so angeordnet ist, dass die notwendige Druckdifferenz für das Durchströmen der Mikrofiltermembran erreicht wird.

10. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Belebungstank (3) über eine weitere Rohrverbindung (14) mit einem Brauchwasserspeicher verbunden ist.

11. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Belebungsbecken austretende Abluft mittels einer Rohrverbindung (16) über die Abwasserzuführungsleitung abgeführt wird.

12. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftung (16) über das Fallrohr (17) über das Dach erfolgt.

13. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheit (15) selbstjustierend einsetzbar ist.

14. Kleinkläranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatz von Niederspannungsantrieben mit beispielsweise Solarenergie ermöglicht ist.