DE4332815A1

DE4332815A1 - Kläranlage nach dem SBR-Prinzip

Info

Publication number: DE4332815A1
Application number: DE4332815A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kotzbauer; Wolfgang Gulbis
Original assignee: UTA GES fur UMWELTTECHNIK und
Current assignee: UTA GES fur UMWELTTECHNIK und
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1995-04-13

Description

Die Reinigung von kommunalem Abwasser erfolgt fast ausschließlich in kontinuierlich beschickten Belebungsanlagen. Es handelt sich dabei um ein wegorientiertes Verfahren, bei dem das Abwasser kontinuierlich eine Reihe von Becken durchfließt, denen spezielle Reinigungsziele zugeordnet sind. Beim SBR-Verfahren hingegen wird diese Verfahrensstrategie aufgegeben und alle Reinigungsprozesse in einem Reaktor zusammengefaßt. Es handelt sich dabei um ein zeitorientiertes Verfahren, bei dem die einzelnen Reinigungsschritte entsprechend einer vorgegebenen Verfahrensstrategie zeitlich hintereinander in demselben Becken ablaufen. Das SBR-Verfahren bietet gegenüber einer kontinuierlich durchströmten Anlage eine Reihe von Vorteilen, die für ein Abweichen vom konventionellen Verfahren sprechen.

Das SBR-Verfahren (Sequencing-Batch-Reactor) stellt eine Variante des Belebtschlammverfahrens dar. Das Abwasser wird in einer SBR-Anlage im Gegensatz zu einer kontinuierlich durchströmten Anlage chargenweise gereinigt. Der Zulauf zum Reaktionsbecken erfolgt nur in einer vorgewählten Zeitspanne. Der SBR-Reaktor ist ein kombiniertes Reaktions- und Sedimentationsbecken. Die einzelnen Phasen wie Belüften, Rühren, Absetzen und Entleeren laufen darin nach einem zeitlich orientierten Prozeß ab. Nach Abschluß der Sedimentationsphase wird das Überstandswasser abgepumpt. Damit sichergestellt wird, daß kein Belebtschlamm aus dem System gelangt, werden bei jedem Reinigungszyklus nur 50% des SBR-Behältervolumens ausgetauscht. Die Dauer des gesamten Zyklus beträgt je nach Reinigungsanforderung zwischen 8 und 12 Stunden. Der Belebtschlamm verbleibt im PROZESSBECKEN (2). Die Schlammkreisläufe, die beim konventionellen Verfahren den Austausch zwischen den einzelnen Becken sicherstellen, können hier entfallen.

Durch die Anordnung der einzelnen Prozeßphasen innerhalb eines SBR-Zyklus ergibt sich die Möglichkeit gewünschte Selektions-, Anreicherungs- und Aktivitätsstrategien des Belebtschlammes zu verwirklichen. Ein gezielt gesteuerter periodischer Wechsel zwischen Verfügbarkeit und Mangel an gelöstem Sauerstoff, kombiniert mit einem unterschiedlichen Angebot an organischem Substrat, bewirkt eine Anreicherung von Nitrifikanten, Denitrifikanten sowie phosphatspeichernden Bakterien im selben Lebensraum. Dies kann durch intermittierenden Betrieb eines Reinigungszyklus gewährleistet werden, wobei sich Füllphasen, Rührphasen und Belüftungsphasen im periodischen Wechsel wiederholen. Damit kann neben dem Abbau der organischen Inhaltsstoffe auch eine weitgehende Elimination der Pflanzennährstoffe Stickstoff und Phosphor erzielt werden.

Die Anwendung des SBR-Verfahrens hat in der Geschichte der Abwasserreinigung eine lange Tradition. Anfang dieses Jahrhunderts wurden bereits Anlagen in England und den USA realisiert. Die Anlagen verursachten jedoch eine Reihe von technischen Problemen, die mit den damaligen Mitteln nicht zu bewältigen waren. Verstopfte Belüfter und insbesondere der Mangel an geeigneten Meß- und Regelungsmöglichkeiten für das Zu- und Abschalten von Pumpen und Belüftern haben dazu geführt, daß dieses Verfahren zugunsten des kontinuierlichen Durchlaufverfahrens, mit einer Trennung von Reaktions- und Sedimentationsraum, aufgegeben wurde. Das Verfahren wurde Anfang der Siebziger Jahre wieder aufgegriffen. Dies führte u. a. zur Entwicklung der doppelt angeordneten Oxidationsgräben, die in der Vergangenheit für kleinere Anschlußgrößen gebaut wurden. Das Abwasser fließt hierbei kontinuierlich dem Reaktionsraum zu. Ab einem bestimmten Füllstand wird der Zufluß unterbrochen und der Sedimentationsvorgang eingeleitet. Daneben werden für kleinere Ausbaugrößen Anlagen gebaut, die im Tag/Nachtrhythmus betrieben werden. Das im Laufe des Tages anfallende Abwasser fließt hierbei kontinuierlich dem Belebungsbecken zu. In der Nacht, wenn sehr wenig Abwasser zufließt, wird die Sedimentationsphase und Abpumpphase eingeleitet. Aufgrund des kontinuierlichen Zuflusses zum Reaktionsraum besteht nur sehr eingeschränkt die Möglichkeit, bestimmte Reinigungsstrategien zu verwirklichen. Es kann nicht gezielt und wirkungsvoll auf die Zusammensetzung und Leistungsfähigkeit des Belebtschlamms eingegangen werden.

Die Tätigkeit auf dem Gebiet der Abwasserentsorgung zeigt, daß neben dem hohen Bedarf an Kläranlagen die vorhandenen Lösungen den Anforderungen nicht befriedigend gerecht werden können und zu teuer sind. Das Reinigungsvermögen auch kleinerer Kläranlagen ist insbesondere vor dem Hintergrund der sensiblen Gewässersituation zu sehen.

In einer Vielzahl von Gemeinden und Städten in den neuen Bundesländern ist mit den Planungen und dem Bau der Abwasserentsorgung begonnen worden. Dabei bereitet neben der derzeitigen unbefriedigenden Abwasserentsorgung insbesondere der zusätzliche Abwasseranfall aus den neu erschlossenen Bau- und Gewerbegebieten Probleme. In den nächsten zwei Jahren ist mit einem stark steigenden Bedarf zu rechnen. Im Jahr 1995 laufen zudem eine Reihe von Einleitungsgenehmigungen für bestehende größere Anlagen ab, so daß auch hier mit einem hohen Neubau- und Nachbesserungsbedarf zu rechnen ist.

Ziel sollte deshalb die konsequente Trennung der Prozesse zur Verwirklichung der SBR-Verfahrensstrategie sein. Mit der Trennung der Prozeßphasen Füllen, Reaktion und Absetzen soll die SBR-Strategie optimal verwirklicht werden. Nur mit einer Abkopplung des Zulaufs vom Reaktionsbecken und einer geschickten Anordnung der einzelnen Prozeßphasen innerhalb eines SBR-Zyklus ist es möglich, die gewünschten Selektions-, Anreicherungs- und Aktivitätsstrategien zu verwirklichen.

Es gilt also, eine Anlagenkonfiguration zu finden, die sowohl die Gewässersituation als auch die Forderung nach einer kostenmäßig vertretbaren schnellen Lösung des Abwasserproblems berücksichtigt.

Unter Zugrundelegung des oben Gesagten wurde der Umbau einer Anlage nach Fig. 1 untersucht. Hier wurde eine in den neuen Ländern häufig anzutreffende 4-Kammer-Ausfaulgrube so modifiziert, das sie den Anforderungen gerecht werden kann. Das Abwasser fließt in der Anlage nach Fig. 1 einer Hälfte des äußeren Rings zu und durchfließt anschließend die einzelnen Becken. Die Reinigungsvorgänge beruhen im wesentlichen auf anaeroben Abbauvorgängen.

Dieses Verfahrensprinzip wird bei der umgerüsteten Anlage aufgegeben. Das Abwasser fließt nicht mehr dem äußeren Ring zu, sondern wird, wie in Fig. 2 dargestellt, dem inneren Becken (1) zugeleitet. Die Trennwand im äußeren Ring wird entfernt. Das hierdurch entstehende ringförmige Becken (2) wird zum Prozeßbecken umfunktioniert und als Umlaufbecken betrieben. Ursprünglich sollte eins der inneren Becken als Überschußschlammspeicher verwendet werden. Die Begutachtung der Ausfaulgruben zeigte aber, daß die innere Trennwand nicht wie im Typenprojekt (Fig. 1) gezeigt als durchgehende Trennwand ausgeführt wurde, sondern lediglich in einem Teilstück vorhanden ist. Die vorhandene Wand im inneren Becken wird bei der jetzigen Konzeption entfernt und der Überschußschlamm in einem extra Betonfertigteilbehälter (3) zwischengelagert. Das innere Becken (1) steht somit fast vollständig als Vorspeicher (1) zur Verfügung.

Das Abwasser fließt nach dem Umbau dem Vorspeicher (1) zu und wird dort zwischengespeichert. Die Abwasserzugabe zum Prozeßbecken (2) erfolgt mittels einer Tauchmotorpumpe (10) und der Leitung (6) in vorgewählten Abschnitten und Mengen. Hierdurch kann die gewünschte konsequente Trennung zwischen Abwasserzulauf und Belebung erzielt werden.

Dem Vorspeicher (1) ist ein kombinierter Rechen und Sandfang (4) vorgeschaltet. Der Rechen ist so konstruiert und dimensioniert, daß das Rechengut und Sand darin zwischengespeichert werden können. Die Rechenanlage ist mit einer Absaugvorrichtung (16) versehen. Damit während des Absaugvorganges kein Abwasser nachfließt, kann die Siebfläche (17) mit einer Klappe verschlossen werden.

Das Prozeßbecken (2) wird als kombiniertes Belebungs- und Nachklärbecken betrieben. Der zum Abbau der organischen Inhaltsstoffe sowie zur Oxidation der Stickstoffverbindungen erforderliche Sauerstoff wird mittels zweier am Boden installierter Ejektorbelüftungen (11) sichergestellt. Während der für die Denitrifikation sowie biologischen Phosphatelimination erforderlichen anoxischen bzw. anaeroben Phasen erfolgt die Umwälzung mittels eines Tauchmotorrührwerks (15).

Den Abschluß der Reinigungsphase bilden die Sedimentations- und Abpumpphase. Das gereinigte Abwasser wird über eine schwimmende Abzugsvorrichtung (12), die Leitung (7) und die Fangeinrichtung (19) in den Kläranlagenablauf (8) gepumpt. Die Abzugsvorrichtung (12) ist so ausgebildet, daß keine Schwimmstoffe angesogen werden. Die Halterung der Abzugsvorrichtung erfolgt über die Führungsrohre (14).

Der beim Abbau der Abwasserinhaltsstoffe entstehende Überschußschlamm wird im Anschluß an die Abpumpphase über eine Tauchmotorpumpe (13) und die Leitung (19) in den Überschußschlammspeicher (3) gepumpt und dort zwischengelagert.

Ein weiteres Beispiel einer umgerüsteten Anlage zeigt Fig. 4. Hier wurde eine Ausfaulgrube nach Fig. 3 modifiziert. Das Abwasser fließt in der Anlage nach Fig. 3 einer Hälfte des äußeren Rings zu und durchfließt anschließend die einzelnen Becken. Die Reinigungsvorgänge beruhen auch hier im wesentlichen auf anaeroben Abbauvorgängen.

Dieses Verfahrensprinzip soll auch bei dem Beispiel nach Fig. 4 aufgegeben werden. Die Trennwände der Anlage nach Fig. 3 werden entfernt und das gesamte Becken als PROZESSBECKEN (2) genutzt. Zur Erhöhung des Reaktionsvolumens kann das Becken erhöht werden. Der Vorspeicher (1) und der Überschußschlammspeicher (3) werden aus Betonfertigteilen hergestellt und neben der Anlage angeordnet. Die Konfiguration der umgebauten Anlage ist in Fig. 4 dargestellt. Das Abwasser fließt im freien Gefälle dem Vorspeicher (1) zu und wird dort zwischengespeichert. Vom Vorspeicher (1) aus wird das Abwasser mittels einer Tauchmotorpumpe (10) entsprechend der Zyklusstrategie in das Prozeßbecken (2) gepumpt.

Hierdurch kann die gewünschte konsequente Trennung zwischen Abwasserzulauf und Belebung erzielt werden.

Dem Vorspeicher (1) ist ein kombinierter Rechen und Sandfang (4) vorgeschaltet. Der Rechen (4) ist so konstruiert und dimensioniert, daß das Rechengut und Sand darin zwischengespeichert werden können.

Den Abschluß der Reinigungsphase bilden die Sedimentations- und Abpumpphase. Das gereinigte Abwasser wird über eine schwimmende Abzugsvorrichtung (12) und die Leitung (8) in den Kläranlagenablauf gepumpt. Die Abzugsvorrichtung (12) ist so ausgebildet, daß keine Schwimmstoffe angesogen werden.

Der beim Abbau der Abwasserinhaltsstoffe entstehende Überschußschlamm wird im Anschluß an die Abpumpphase über eine Tauchmotorpumpe (13) und die Leitung (9) in den Überschußschlammspeicher (3) gepumpt und dort zwischengelagert.

Die Bemessung der Anlagen nach Fig. 2 und Fig. 4 kann wie bei konventionellen Belebungsanlagen nach der ATV-Richtlinie A 131 erfolgen. Das Abwasser durchfließt allerdings nicht wie beim konventionellen Belebungsverfahren einzelne Becken sondern wird nach der Zeit gefahren (näheres Kap. 2). Maßgebende Größe ist die Reaktionszeit, die den einzelnen Reinigungsschritten während der gesamten Zykluszeit zur Verfügung stehen.

Die Kläranlagen werden als Belebungsanlagen fit simultaner Schlammstabilisierung betrieben. Der als Überschußschlamm abgezogene Belebtschlamm kann somit problemlos im Überschußschlammspeicher (3) zwischengespeichert werden.

Die höchste Reinigungsleistung insbesondere im Hinblick auf die Elimination der Pflanzennährstoffe Stickstoff und Phosphor läßt sich mit der Methode des wiederholten Füllens erzielen. Hierbei müssen sich, zur Einstellung der aeroben, anoxischen und anaeroben Phasen, die Füll-, Rühr- und Belüftungsphasen im periodischen Wechsel wiederholen. Das Abwasser wird somit entsprechend des von der Steuer- und Regeleinrichtung vorgegebenen Zykluszeitprogramm durch die einzelnen Reinigungsphasen "geführt". Änderungen in den Reinigungsanforderungen und Anpassungen an den Betrieb können in den meisten Fällen durch eine Softwareänderung eingestellt werden.

Ein Beispiel eines Zykluszeitprogramms ist in Fig. 5 dargestellt. Mehrere Belüftungs- und Rührphasen wechseln sich innerhalb des Zyklus ab. Zu Beginn einer neuen Rührphase wird eine erneute Füllphase angeordnet. Dabei muß die organische Fracht, die dem Prozeßbecken (2) während der jeweiligen Füllphase zugegeben wird ausreichen, um das während der Belüftungsphase erzeugte hohe Sauerstoffniveau durch bakterielle Atmungsvorgänge schnell zu senken. Zudem muß zu Beginn der Denitrifikation genügend organisches Substrat zur Nitratreduktion zur Verfügung stehen. Durch diese Forderung wird die Häufigkeit des Wechsels zwischen den einzelnen Phasen während des Zyklus bestimmt. Ein schneller Substratanstieg während der ersten Füllphase kombiniert mit einer Hungerphase am Ende des vorangegangenen Zyklus fördert eine effektive und selektive Anreicherung von flockenbildenden Bakterien, was zu einer guten Schlammabsetzbarkeit führt. Mit der Belüftungsphase am Ende eines Reinigungszyklus wird eine vollständige Oxidation des restlichen Ammoniumstickstoffs sichergestellt.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird das Abwasser dem Reaktionsraum in drei Füllphasen zugegeben. Die erste Füllung ist zur Sicherstellung eines ausreichenden Substratanstiegs auf mindestens 40 bis 50% des Füllvolumens zu bemessen. Mit den nachfolgenden Füllphasen werden jeweils 25% des Füllvolumens zugegeben.

Der Zyklus beginnt mit einer sogenannten statischen Füllphase, bei der keine Durchmischung oder Belüftung erfolgt. Zur Selektion und Anreicherung von phosphatspeichernden Bakterien schließt sich eine ca. 30minütige anaerobe Phase an. Die Dauer und der Wechsel der anschließenden Reinigungsphasen geht aus Fig. 5 hervor. Im Anschluß an die Hungerphase folgt die Sedimentationsphase und Abpumpphase mit einer gemeinsamen Dauer von 2 Stunden.

Die nächste Abwasserzugabe vom Vorspeicher (1) zum Prozeßbecken (2) erfolgt erst, wenn sich im Vorspeicher (1) genügend Abwasser für die erste Füllung von 50% angesammelt hat.

Da das Abwasser entsprechend dem Zykluszeitprogramm nur in einer vorgewählten Menge und zu bestimmten Zeitpunkten dem Prozeßbecken (2) zugegeben werden kann, wird das der Anlage kontinuierlich zulaufende Abwasser im Vorspeicher (1) zwischengespeichert.

Die Vorspeicherbemessung erfolgt anhand der jeweils gültigen Zuflußganglinie. Das zufließende Fremdwasser wird als über 24 h konstant zufließend angenommen.

Die Bemessung der Vorspeichergröße erfolgt anhand des Summenlinienverfahrens. Dabei werden die zufließenden Abwassermengen und die ins Prozeßbecken (2) abgegebenen Abwassermengen gegenübergestellt. Die Abflußsummenlinie stellt sich aufgrund der diskontinuierlichen Betriebsweise als Treppenfunktion dar. Das Vorspeichervolumen wird graphisch ermittelt, indem die Abflußsummenlinie solange verschoben wird, bis sich das maximal erforderliche Volumen des Vorspeichers (1) ergibt.

Die hier beispielhaft gewählte Zyklusstrategie sieht vor, das Abwasser während des zehnstündigen Reinigungszyklus in drei Schüben von jeweils 50%, 25% und 25% dem Prozeßbecken (2) zuzugeben. Grundlage für die hier gewählte Verfahrensstrategie ist, daß mit dem Reinigungszyklus erst begonnen wird, wenn genügend Abwasser im Vorspeicher (1) vorhanden ist, um für den Zyklus ausreichend Abwasser zur Verfügung zu haben. Um die Aufenthaltszeiten im Vorspeicher (1) möglichst gering zu halten wird der Gesamtzyklus von 10 Stunden geteilt. Es wird somit nicht mit dem Reinigungsvorgang gewartet, bis genügend Abwasser für alle drei Schübe zugelaufen ist. Mit dem Reinigungszyklus wird bereits begonnen, wenn lediglich 50% der erforderlichen Gesamtabwassermenge vorhanden sind. Der zweite und dritte Schub wird nicht unterteilt, so daß zu Beginn des zweiten Schubes auch das Abwasser für den dritten Schub bereitsteht. Mit dieser Verfahrensstrategie muß allerdings in Kauf genommen werden, daß zwischen dem ersten und zweiten Schub der Reinigungsvorgang unterbrochen werden muß, da für den zweiten und dritten Schub eventl. noch nicht ausreichend Abwasser im Vorspeicher (1) vorhanden ist.

Die Bemessung des Prozeßbeckens (2) erfolgt anhand der ATV-Richtlinie A 131. Maßgebende Bemessungsgröße ist das Schlammalter. Das Schlammalter zeigt an, in welcher Zeit sich der Schlamm im Belebungsbecken erneuert. Die Anlage wird so bemessen, das neben dem Kohlenstoffabbau und Nitrifikation auch eine Denitrifikation und simultane Stabilisierung erzielt werden kann. Das minimale Schlammalter zur simultanen Stabilisierung des Belebtschlamms beträgt 25 Tage.

Aus dem Schlammalter, dem Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken und der Überschußschlammproduktion kann die Raumbelastung ermittelt werden.

Da die im Anschluß an den Reinigungsprozeß folgende Sedimentations- und Dekantierzeit für die Reaktion verloren ist, muß das Prozeßbecken (2) um das Verhältnis aus Gesamtzyklusdauer zu Reaktionszeit vergrößert werden.

Neben der biologischen Bemessung muß die Anlage auch hydraulisch bemessen werden. Zur Bemessung wird die mittlere Tageswassermenge um einen Sicherheitszuschlag von 10% erhöht. Das erforderliche Volumen des Prozeßbeckens (2) ergibt sich aus der angesetzten Wassermenge dividiert durch die Behälterzahl, die Zyklen pro Tag und die Austauschrate.

Der bei der Schmutzstoffentfernung produzierte Überschußschlamm muß aus dem Prozeßbecken (2) entfernt und zwischengespeichert werden. Dies soll beispielhaft in einem aus Betonfertigteilen bestehenden Überschußschlammspeicher (3) erfolgen, der in den Vorspeicher (1) gestellt (Fig. 2) oder separat aufgebaut wird (Fig. 4). Aufgrund der Stapelwirkung im Überschußschlammspeicher beträgt der Wassergehalt des Überschußschlamms im Überschußschlammspeicher (3) ca. 96%.

Das Prozeßbecken (2) ist in Anlehnung an die ATV-Richtlinie A 131 für ein Schlammalter von 25 Tagen bemessen worden. Die Abwassermenge wird in zwei Zyklen von je 12 Stunden Dauer behandelt. Die Anlage wird nach einer voreingestellten Zyklusstrategie gefahren. Die Abwassermengen sind durch diese statische Betriebsstrategie fest vorgegeben. Sollte durch außergewöhnliche Umstände mehr Abwasser zufließen als voreingestellt, stände bei einer fest voreingestellten Menge von 50% pro Zyklus und einer Zyklusdauer von 12 Stunden keine Zeit zur Verfügung, das mehr zugeflossene Abwasser zu behandeln. Diesem Problem wird entgegengewirkt, indem die Abwassermenge und damit auch die Schmutzlast von jetzt 50% pro Zyklus erhöht wird. Es wird eine Steigerung der Durchsatzleistung um 8% auf 58% gewählt. Da das Beckenvolumen und der Trockensubstanzgehalt nicht verändert werden, erhöht sich das Austauschvolumen. Die höhere Belastung der Anlage führt, bezogen auf 12 Stunden Zykluszeit, zu einer Verminderung des Schlammalters.

Das Schlammalter sinkt aufgrund der höheren Durchsatzleistung während der Reaktionszeit von 25 auf 22 Tage. Einbußen bei der Reinigungsleistung sind, infolge der hierdurch verursachten leicht höheren Belastung der Biomasse, nicht zu befürchten.

Durch die Steigerung der Durchsatzleistung von 50 auf 58% pro Zyklus kommt es unter normalen Zuflußbedingungen im Anschluß an die Sedimentations- und Abpumpphase zu Wartezeiten. Diese Wartezeit wird zur weitergehenden Stabilisierung des Schlamms genutzt, so das sich über einen längeren Zeitraum gesehen wieder ein Schlammalter von 25 Tagen einstellt. Bei erhöhtem Abwasserzufluß kann die Wartezeit als Reaktionszeit genutzt werden.

Der Sauerstoffverbrauch der Mikroorganismen bei der Reinigung des Abwassers ergibt sich aus dem Abbau der Kohlenstoffverbindungen und der Oxidation der Stickstoffverbindungen. Die Bemessungsrichtlinie nach ATV A 131 kann grundsätzlich auch zur Bemessung der Belüftung einer diskontinuierlich betriebenen Belebungsanlage herangezogen werden.

Die spezifischen Sauerstoffverbrauchswerte für den Abbau der Kohlenstoffverbindungen OV_c und die Oxidation der Stickstoffverbindungen OV_N müssen getrennt ermittelt werden. Aus der Summe der beiden Sauerstoffverbrauchswerte ist unter Berücksichtigung des Sättigungsdefizites die erforderliche Sauerstoff zufuhr O_B ermitteln.

Bei der Bemessung sind die Lastfälle Nitrifikation bei 10°C und Nitrifikation einschließlich Denitrifikation bei 10°C und 20°C nachzuweisen. Zur Abdeckung der Belastungsspitzen ist die stündliche Sauerstoffzufuhr für den Abbau der Kohlenstoffverbindungen um 10% und zur Stickstoffoxidation von 50% zu erhöhen.

Die Sauerstoffzufuhr wird entsprechend der beschriebenen Betriebsstrategie ausgelegt. Die Belüftung wird zur Erzielung einer weitgehenden Denitrifikation entsprechend der in Fig. 5 dargestellten Zyklusstrategie intermittierend betrieben. In den anoxischen Zeiträumen kann kein Sauerstoff eingetragen werden, so daß die Belüftungsaggregate größer bemessen werden müssen, da der Zeitraum zum Sauerstoffeintrag durch die Denitrifikationszeit verkürzt wird.

Zur Erzielung einer vollständigen Nitrifikation ist diese Verfahrensstrategie nicht erforderlich. Da im Verlauf des Reinigungszyklus keine anoxischen Zeiträume zwischengeschaltet sind, kann, abzüglich einer halbstündigen anaeroben Phase zu Beginn des Zyklus, eine Reaktionszeit von 9,5 h als Belüftungszeit angesetzt werden.

Das Maß der Denitrifikation steigt mit zunehmendem Anteil des Denitrifikationsvolumens am gesamten Belebungsbeckenvolumen, bzw. bei einer SBR-Anlage von dem Verhältnis der Denitrifikationszeit zur gesamten Reaktionszeit. Das Verhältnis von Denitrifikationszeit zur Gesamtreaktionszeit beträgt 3,5/10. Nach der ATV-Richtlinie A 131 ergibt sich eine Denitrifikationskapazität von 0,11 kg Nitratstickstoff pro kg zugeführten BSB₅. Im Gegensatz zur Nitrifikation sind zur Erzielung einer weitgehenden Denitrifikation, entsprechend der Zyklusstrategie, anoxische Phasen mit einer Gesamtdauer von 3,5h pro Zyklus erforderlich. Die Sauerstoffeintragszeit während der gesamten Zyklusdauer von 12 h reduziert sich damit neben der Absetz- und Dekantierzeit von insgesamt 2 h noch um die halbstündige anaerobe Phase zu Beginn des Zyklus und um die anoxischen Phasen von 3,5h. Die Zeit in der der Sauerstoff eingetragen werden muß, beträgt somit 12-2-0,5-3,5 = 6 h. Dies ist bei der Auslegung der Belüftungsaggregate zu berücksichtigen.

Da bei der Berechnung der Belüftung der Sauerstoffeintrag unter Betriebsbedingungen sicherzustellen ist, muß die Sauerstoffzufuhr unter Reinwasserbedingungen durch den Sauerstoffzufuhrfaktor erhöht werden. Der hier angesetzte Sauerstoffzufuhrfaktor wird mit

λ = 0,80

entsprechend einer mittelblasigen Belüftung angesetzt.

Das von der Klarwasserabzugseinrichtung (12) abgepumpte Wasser wird der vorhandenen Freigefälleleitung innerhalb der Kläranlage zugegeben. Die Freigefälleleitung muß daher in der Lage sein, die Wassermengen abzuführen. Die höchste Förderleistung der Abzugseinrichtung (12) ergibt sich zu Beginn des Abpumpvorganges, da zu diesem Zeitpunkt die geodätische Förderhöhe am geringsten ist. Aus der Pumpenkennlinie kann die Fördermenge ermittelt werden.

Die Überschußschlammpumpe (13) wird wie die Vorspeicherpumpe (10) ausgelegt werden, sie ist damit für den Verwendungszweck überdimensioniert. Es besteht aber hierdurch die Möglichkeit, im Störfall die Pumpen untereinander auszutauschen.

Neben der Umrüstung der Ausfaulgrube zu einer leistungsfähigen Kläranlage ist auch die weitere Ausbaufähigkeit in der Konzeptionierung zu untersuchen.

Im folgenden wird ermittelt, in wie weit sich die Kapazität der umgerüsteten Anlage steigern läßt und welche Umbaumaßnahmen hierzu erforderlich sind. Die Kapazität kann gesteigert werden, indem die Bakterienmasse im Prozeßbecken, ausgedrückt durch den Trockensubstanzgehalt TSBB, von 3 auf 5 kgTS/m³, angehoben wird und das gesamte Volumen des Umlaufbeckens von 175 m³ als Reaktionsraum dient.

Die Erweiterung der Kläranlage um den Faktor 2 bis 4 kann lediglich durch einen Austausch der Tauchmotorpumpen der Ejektorbelüftung (11) und einer Änderung der Parameter der Steuer- und Regeleinrichtung auf die geänderten Betriebsbedingungen erreicht werden.

Die nachfolgend beschriebene Einrichtung dient zur Steuerung der nach dem SBR-Prinzip arbeitenden Kläranlage.

Es werden die Meßwerte

- Füllstand Vorspeicher (1)
- Füllstand Prozeßbecken (2)
- Überlauf Schlammspeicher
- Sauerstoffgehalt
- pH-Wert

erfaßt und die Aggregate

- Vorspeicherpumpe
- Rührwerk
- Belüftungseinrichtung (drehzahlgestellt über DDC)
- Klarwasserabzugspumpe
- Schlammpumpe

in Abhängigkeit der Meßwerte nach dem vorgegebenen Zykluszeitprogramm Fig. 5 angesteuert.

Alle Aggregate können sowohl von Hand über ein spezielles Bediengerät (Handbetrieb) als auch von einer elektronischen Steuerung (SPS) angesteuert werden. Der Handbetrieb ist unabhängig von der Steuerung funktionsfähig, d. h. auch bei einem eventuellen Ausfall der Steuerung kann die Kläranlage weiterhin von Hand betrieben werden.

Die elektronische Steuerung und die Handbedienebene arbeiten mit einer batteriegestützten 24V Gleichspannung. Die Erzeugung dieser Spannung, die Batterie und die Batterieladeeinrichtung sind Bestandteil des Schaltschrankes.

Für Bedien- und Anzeigezwecke befindet sich im Schaltschrank ein spezielles Tableau. Hier befinden sich folgende Bedienelemente:

1. Steuerung EIN/AUS
2. Umschalter Handbetrieb/Automatikbetrieb für Handbetrieb:
3. Vorspeicherpumpe EIN/AUS
4. Klarwasserabzugspumpe EIN/AUS
5. Rührwerk EIN/AUS
6. Schlammpumpe EIN/AUS
7. Belüftungspumpe EIN/AUS für Automatikbetrieb:
9. Starttaste
10. Voreinstellung Arbeitsschritt
11. Voreinstellung Arbeitsgang
12. Fehlerquittierung Folgende Zustände werden angezeigt:
1. gegenwärtiger Arbeitsgang: (1.-3. (max. bis 6.) Klärgang, Sedimentieren, Abpumpen, Schlamm abpumpen, warten auf Abwasser)
2. gegenwärtiger Arbeitsschritt (Füllen, Rühren, Belüften)
3. Automatik läuft
4. Fehleranzeigen:
- - Vorspeicher (1) überfüllt
- - Prozeßbecken (2) überfüllt
- - Schlammspeicher überfüllt
- - Vorspeicherpumpe defekt
- - Überschußschlammspeicherpumpe defekt
- - Schlammpumpe defekt
- - Rührwerk defekt
- - Belüftungspumpe defekt
5. Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken
6. pH-Wert im Vorspeicher (1)

Die Anlage besitzt eine umfassende Eigenüberwachung. Hierzu gehören die Überwachung der 24V- Stromversorgung, die Überwachung aller Pumpen und die Überwachung der Füllstände in allen drei Kammern sowie des Sauerstoffgehalts und des pH-Wertes. Auftretende Fehler werden auf dem Tableau angezeigt und bleiben auch nach einem eventuellen Verschwinden des Fehlers gespeichert. Die Fehlermeldungen können quittiert werden. Wenn die Fehler beseitigt sind, verlöschen die entsprechenden Anzeigen.

Alle Fehler werden zu einer Fehlersammelmeldung zusammengefaßt und nach außen durch eine auf dem Schaltschrank montierte Rundumleuchte signalisiert. Die Steuerung signalisiert über eine Anrufeinrichtung den Fehler an drei gewünschte Teilnehmer Alle steuer- und regelungstechnischen Funktionen sind in der Software der speicherprogrammierbaren Steuerung abgelegt.

Von der SPS werden alle Eingangssignale (Schalter, Tasten, Meßfühler) zyklisch abgefragt und ausgewertet. Innerhalb der Steuerung laufen mehrere Zeitstufen hintereinander ab, die den gewünschten Ablauf des Reinigungsprozesses realisieren.

Über Softwareschalter kann zwischen einer reinen Zeitablaufsteuerung und einer zustandsabhängigen Steuerung des Prozesses gewählt werden. Es kann wahlweise mit fest voreingestellten Parametern (Füllmengen, Zeiten, Grenzwerte) oder mit prozeßabhängigen Parametern gefahren werden. Alle Parameter sind mit einem über eine serielle Schnittstelle an die SPS angeschlossenen Rechner einstellbar. Programmänderungen, die aufgrund von neuen Erkenntnissen oder auf Kundenwunsch notwendig sind, können problemlos vorgenommen werden.

Während der Belüftungsphase wird der Sauerstoffgehalt ständig gemessen und mit einem in der Steuerung abgelegten Sollwert verglichen. Ein entsprechend angepaßter DDC-Regler steuert die Belüftungseinrichtung je nach Sauerstoffbedarf an. In den anoxischen und anaeroben Prozeßzuständen wird das Rührwerk entsprechend der eingestellten Verfahrensstrategie in Betrieb genommen.

Funktionsbeschreibung

Nach dem Einschalten der Anlage (Einschalten der Versorgungsspannung) muß der Bediener den Arbeitsgang und den Arbeitsschritt einstellen, mit dem die Steuerung beginnen soll. Solange dies nicht erfolgt ist, führt die Steuerung keine Aktionen aus. Die Einstellung erfolgt mit Tasten auf dem Tableau, die jeweilige Einstellung wird mit Leuchtdioden angezeigt. Zum Starten des automatischen Klärprozesses ist dann die Starttaste zu betätigen. Der laufende Automatikbetrieb wird angezeigt.

Von der Automatik werden die entsprechend der Klärstrategie erforderlichen Schritte nacheinander ausgeführt. Das Anzeigetableau gibt jederzeit Auskunft über den gegenwärtig laufenden Prozeß. In jedem Klärgang kann mit unterschiedlichen Parametern (Zeiten, Füllmengen) gefahren werden. Die entsprechenden Parameter hierfür werden fest voreingestellt. Das Füllen wird bei Überschreiten einer Maximalmenge an Abwasser im Prozeßbecken (2) gestoppt.

Wenn die gewünschte Anzahl von Klärgängen abgearbeitet ist, schließen sich das Absetzen und Abpumpen an. Der Zeitpunkt für den Beginn des Abpumpens des gereinigten Wassers und die abzupumpende Wassermenge können fest vorgegeben werden oder in Abhängigkeit von der Höhe des Schlammspiegels von der Automatik selbst ermittelt werden.

Das Abpumpen des Belebtschlammes erfolgt wahlweise von Hand oder automatisch bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes oder in vorgewählten Abständen und Mengen.

Ist der gesamte Klärzyklus beendet, wird ein neuer Zyklus gestartet. Er kann sich unmittelbar an den vorhergehenden Zyklus anschließen oder erst nach Erfüllung bestimmter Bedingungen einsetzen. Ist nicht ausreichend Abwasser für den folgenden Klärprozeß vorhanden, wird auf die erforderliche Abwassermenge gewartet.

Der automatische Betrieb der Anlage kann jederzeit unterbrochen werden. Hierzu ist von Hand auf Automatik umzuschalten. Im Handbetrieb können alle Aktoren unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden. Sofern im Handbetrieb kein neuer Arbeitsgang und Arbeitsschritt gewählt wird, arbeitet die Steuerung nach dem Zurückschalten auf Automatikbetrieb so weiter, als wäre keine Unterbrechung erfolgt.

Über den beschriebenen Leistungsumfang hinaus werden folgende Betriebsarten von der Steuerung im Zusammenspiel mit den Sensoren und Aktoren realisiert:

1. Besseres Zusammenspiel zwischen Vorspeicher (1) und SBR-Reaktor.

2. Zustandsabhängige Steuerung des Prozesses.
Durch die zustandsabhängige Steuerung und Regelung der Reinigungsabläufe über eine entsprechende Sensorik wird der Reinigungsprozeß durch die Steuer- und Regelungseinrichtung überwacht und entsprechend eingestellt. Die einzelnen Prozessphasen, die Anzahl der Schübe und die gepumpten Abwassermengen können in Abhängigkeit von den im Vorspeicher (1) und im Reaktionsbecken herrschenden Bedingungen selbständig eingestellt werden.

3. Die ins Prozeßbecken (2) abgegebene Abwassermenge wird in der ersten Ausbauphase volumengesteuert und nicht zeitgesteuert.
Der Wasserstand im Vorspeicher (1) wird von der Steuerung erfaßt und die Pumpe solange angesteuert, bis der Wasserspiegel auf das der vorgewählten Wassermenge entsprechende Niveau abgesunken ist. Da die Oberfläche des Wasserspiegels im Behälter bekannt ist, kann das abzupumpende Volumen aus der Wasserspiegeldifferenz ermittelt werden.

4. Anpassung des Austauschvolumens an die Schmutzlast.
Die Größe des Reaktionsbeckens sowie das Austauschvolumen eines Reinigungszyklus werden von der zu erwartenden Schmutzlast bestimmt. Mit der Anordnung eines Vorspeicher (1) ist eine Trennung zwischen PROZESSBECKEN (2) und Abwasserzulauf möglich. Das Abwasser kann dem Reaktionsraum nicht mehr beliebig zufließen, sondern wird im Vorspeicher (1) zurückgehalten. Der Zeitpunkt der Abwasserabgabe und die Abwassermenge können hierdurch entsprechend dem Zykluszeitprogramm vorgewählt werden.

Bei den bekannten Kläranlagen nach dem SBR-Prinzip ist die Menge des weitergegebenen Abwassers aufgrund der Zeitsteuerung der Pumpen nur unzureichend gegeben.

Bei dieser sogenannten statischen Betriebsstrategie wird das Abwasser unabhängig von der Schmutzlast volumenbezogen dem Prozeßbecken (2) zugegeben. Es wird dabei vereinfachend davon ausgegangen, daß die Abwasserzusammensetzung bei jedem Schub gleich ist und die Schmutzlast durch das Abwasservolumen beschrieben werden kann. Tatsächlich ist die Abwasserzusammensetzung im Verlaufe eines Tages starken Schwankungen unterworfen, die durch Regenereignisse und den daraus resultierenden hohen Fremdwasseranteil und Zugabe von hoch konzentriertem Fäkalschlamm noch verstärkt werden. Diese Schwankungen können zu Problemen bei dem Betrieb einer SBR-Kläranlage führen. Da hier alle Reinigungsschritte in einem Becken zusammengefaßt werden, ist es besonders zur Erzielung einer weitergehenden Reinigung erforderlich, daß die einzelnen Phasen aerob, anoxisch und anaerob eingestellt werden können. Ein wichtiger Faktor hierbei ist, daß beim Wechsel von einer aeroben zu einer anoxischen Phase der Sauerstoffgehalt durch einen neu zugegebenen Abwasserschub weit genug abgesenkt wird und den Denitrifikanten genügend Kohlenstoff zum Abbau des Nitrats angeboten wird. Die Menge des eingebrachten Kohlenstoffs ist somit zur Einstellung der Prozeßphasen und für den Reinigungserfolg von großer Wichtigkeit. Die Steuerung der Kohlenstoffmenge bzw. der Schmutzlast über das Abwasservolumen ist damit ein nicht ganz zufriedenstellender Zustand. Die einzelnen Schübe sowie die Austauschmenge eines Zyklus werden in Abhängigkeit von der Schmutzlast gesteuert. Es handelt sich damit um einen dynamischen Anlagenbetrieb, bei dem das Volumen des dem Prozeßbecken (2) zugegebenen Abwassers vom Grad der Abwasserverschmutzung bestimmt wird. Die Messung der Abwasserverschmutzung erfolgt mit einer kontinuierlich arbeitenden UV-Extinktionsmessung. Mittels einer Tauchsonde kann die Abwasserzusammensetzung on-line im Vorspeicher (1) erfolgen. Anhand der Abwasserverschmutzung und der in den vorherigen Schüben abgegebenen Schmutzlast wird von der Steuerung das abzupumpende Wasservolumen berechnet.

5. Der Reinigungszyklus und das Zykluszeitprogramm werden selbständig, in Abhängigkeit von den im Reaktor herrschenden Bedingungen eingestellt.

Die SBR-Strategie bietet im Gegensatz zum konventionellen, kontinuierlichen Belebungsverfahren die Möglichkeit, auf die im Reaktionsbecken herrschenden Bedingungen einzugehen, da die Abwasserzusammensetzung nicht durch ständig ein und auslaufendes Abwasser verändert wird.

Eine weitere Steigerung der Reinigungsleistung kann erzielt werden, indem sich die Zyklusstrategie der Zusammensetzung der im Becken vorhandenen Abwasserzusammensetzung anpaßt. Es wird dabei durch entsprechende Steuerung der einzelnen Prozeßphasen solange auf das im Prozeßbecken (2) befindliche Abwasser eingangen, bis sich der gewünschte Reinigungserfolg eingestellt hat.

6. Biologische Phosphatelimination.
Die vorgestellte Lösung ermöglicht eine biologische Phosphatelimination. Dies wird durch einen gezielten Wechsel zwischen anaeroben und aeroben Phasen erreicht. Hierdurch kann auf eine chemische Fällung verzichtet, bzw. der Einsatz stark eingeschränkt werden.

Claims

1. Kläranlage nach dem SBR-Prinzip, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus einem Vorspeicher (1), einem Prozeßbecken (2) und einem 3. Becken (3) besteht, das der Speicherung des Überschußschlamms dient.

2. Kläranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das 1. Becken, das als Vorspeicher (1) genutzt wird über eine Leitung (18) mit dem als Überschußschlammspeicher (3) dienenden Becken verbunden ist.

3. Kläranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Vorspeicher dienende 1. Becken mit dem 2. als Prozeßbecken dienende Becken über eine Leitung verbunden ist.

4. Kläranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das 2. als Prozeßbecken dienende Becken (2) über eine Leitung (9) mit dem 3. als Überschußschlammspeicher (3) dienende Becken verbunden ist.

5. Kläranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Prozeßbecken dienende Becken (2) über eine Leitung (7) mit einer Fangeinrichtung (19), die wiederum mit einer Leitung (8) mit dem Vorfluter oder einem Nachklärbecken, verbunden ist.

6. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die die Becken (1, 2, 3) und/oder den Vorfluter verbindenden Leitungen (5, 6, 7, 8, 9, 18) Pumpen (10, 13, 12) und/oder Ein- oder Mehrwegventile eingefügt werden können.

7. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem als Vorspeicher dienende Becken (1) und in dem als Prozeßbecken dienende Becken (2), wahlweise Sensoren zur Messung des Sauerstoff-, Nitrat-, Nitrit-, Phosphatgehalts, des Redoxpotentials und/oder des Füllstands angeordnet sind.

8. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßbecken (2) und/oder der Vorspeicher (1) mit einer Belüftungseinrichtung (11) ausgerüstet ist.

9. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile, Pumpen (10, 12, 13) und die Belüftungseinrichtung (11) von einer Steuer- und Regeleinrichtung angesteuert werden.

10. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Ventile, Pumpen (10, 12, 13) und/oder der Belüftungseinrichtung (11) schwingungspaketgesteuert und/oder pulsdauermoduliert, mit einer Paketdauer von 1/f Sekunden bis ∞/f Sekunden oder einer Pulsdauer von 0 Sekunden bis ∞ Sekunden erfolgen kann.

11. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungseinrichtung (11) zur Erweiterung des Stellbereichs und/oder zur Verbesserung des Wirkungsgrades aus mehreren Pumpen bestehen kann.

12. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Leitung (7, 8) zwischen Prozeßbecken und Vorfluter oder Nachklärbecken wahlweise eingeschaltete Pumpe (12) so angeordnet und gehalten wird, daß nur das Klarwasser abgezogen wird.

13. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzug des Klarwassers aus dem Prozeßbecken (2) über eine Leitung (7, 8) im Freigefälle ohne zusätzliche, kontinuierlich während des Abzugs arbeitende Pumpe erfolgen kann.

14. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage über einen sogenannten Rechen (4) verfügt, der so ausgeführt ist daß, das Verkleben oder Verstopfen des Rechenaustritts durch eine Tauchwand (20), die der Grobabscheidung der Feststoffe und des Fettes dient, und durch die schräge Anordnung des siebartig ausgeführten Rechenaustritts (17) verhindert wird.

15. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechen (4) über eine Absaugvorrichtung (16) verfügen kann.

16. Kläranlage nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine vorhandene Kläranlage oder ein oder mehrere vorhandene Becken durch das Hinzufügen und/oder Entfernen von Trennwänden und/oder anderen Komponenten derart umgestaltet wird, daß die Kläranlage oder das oder die Becken, wahlweise und den jeweiligen Gegebenheiten und/oder Erfordernissen folgend, in einem, mehreren oder allen Punkten den Ansprüchen 1 bis 15 entsprechen kann.