Verfahren zur Abwasserreinigung und Kläranlage zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abwasser reinigung, insbesondere zur biologischen Vollreinigung von nicht vorgeklärtem Abwasser, mit in zwei Stufen aufgeteilter Belüftungseinheit und einer Nachklärstufe, wobei in der ersten Belüftungsstufe das ihr zugeführte Abwasser umgewälzt, belüftet und mit in der Nach klärstufe abgesetztem, in die erste Belüftungsstufe zu rückgeführtem Schlamm gemischt wird,
und aus der ersten Belüftungsstufe ein Wasser-Schlamm-Gemisch in die Nachklärstufe geleitet wird, wobei ferner der in der Nachklärstufe abgesetzte Schlammüberschuss, welcher von dort nicht in die erste Belüftungsstufe zurückge führt wird, in die zweite Belüftungsstufe überführt und dort umgewälzt, belüftet und stabilisiert wird, und wobei das gereinigte Wasser aus der Nachklärstufe ab läuft.
Das erfindungsgemässe Verfahren soll insbesondere bei kleineren Ansiedlungen von z. B. 100 bis 5000 Einwohnern zur Reinigung gewerblicher und häuslicher Abwässer dienen, wobei neben dem biologischen Ab bau des Abwassers auch eine aerobe Stabilisierung des Schlammes zu einem weitgehend geruchlosen Produkt gewährleistet sein. sollte. Bei solchen kleineren Siedlun gen sind nämlich die heute gebräuchlichen Anlagen meist entweder . unzulänglich oder müssen unverhältnis mässig gross gehalten werden.
Die biologische Abwasserreinigung von Rohwasser mit aerobem Abbau des Schlammes (Stabilisation) wird heute hauptsächlich in kleinen und mittleren An lagen angewendet, wobei im wesentlichen zwei Verfah ren bekannt sind: Bei der ersten bekannten Verfahrensvariante läuft der Reinigungsprozess und die oxydative Schlammsta bilisation im gleichen Becken ab, wobei in der Regel entweder mit hoher Schlammkonzentration (8 bis 10 kg/ms) und kurzer Belüftungszeit (z. B. 24 Stunden) oder mit normaler Schlammkonzentration (3 bis 5 kg/ ms) mit langer Belüftungszeit (2 bis 3 Tage) gearbeitet wird.
Die Nachklärung kann dabei entweder im Belüf- tungsraum selbst oder in einem nachgeschalteten Nach klärbecken erfolgen.
Bei der zweiten bekannten Verfahrensvariante ist der Reinigungsprozess und die Schlammstabilisation getrennt. Die biologische Reinigung des der Anlage zu- fliessenden rohen oder teilweise vorgeklärten Abwas sers erfolgt in einem sogenannten Belebungsbecken, wobei dann der Schlamm abgesetzt, teilweise ins Bele bungsbecken zurückgeführt und teilweise zwecks weite rer Belüftung und Stabilisierung des anfallenden Schlammüberschusses in einem weiteren Becken 6 bis 10 Tage belüftet, aerob abgebaut und stabilisiert wird.
Bei kleinen Einzugsgebieten schwankt der Abwas seranfall sehr stark (z. B. Stundenmaximum 1/1Q bis 1/14 des Tagesanfalls), so dass zur Gewährleistung einer durchschnittlich guten Reinigung sehr grosse Becken volumen pro Einwohner erforderlich sind.
Ausserdem muss nach den allgemein gültigen Vorschriften für Gef- wässerschutz bei Entwässerung im Mischsystem bei Regenwetter die 1,5-fache Trockenwetterspitze (in be sonderen Fällen die 2-fache) biologisch gereinigt wer den, was wiederum zusätzliche Beckenvolumina erfor derlich macht.
Ein weiterer Unsicherheitsfaktor liegt in der oft unsicheren Entwicklung gerade kleiner Ansied lungen, wo bei starkem Ansteigen des Abwasseranfalls weitere Kläreinheiten installiert werden müssen, die gleich oder ähnlich arbeiten, so dass sich wirtschaftlich und verfahrenstechnisch den Verhältnissen nicht mehr angemessene Zustände ergeben können.
Diese und andere Nachteile bestehender Kläranla gen zu beseitigen ist Ziel der Erfindung. Es soll mit ihr ein im Prinzip den aerob arbeitenden Anlagen entspre chendes Verfahren und eine zu seiner Ausübung geeig nete Kläranlage geschaffen werden, welche hinsichtlich der Reinigungsleistung, der Anpassungsfähigkeit an un terschiedliche Belastungen und in Bezug auf den Raumbedarf wesentliche Vorteile bietet.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass aus der zweiten Belüftungsstufe kontinuierlich oder intermittierend Flüssigkeit in die den beiden Belüftungsstufen gemeinsame Nachklärstufe geführt wird.
Zweckmässigerweise wird der zweite Belüftungs stufe aus der Nachklärstufe kontinuierlich Schlamm zugeführt, während ihr nur die von<I>der</I> ersten Be lüftungsstufe nicht verarbeitbaren Spitzen-Abwasser- mengen zugeleitet werden. Der in der zweiten Stufe hungernde Schlamm kann dergestalt zum raschen Rei nigen der Spitzenwassermengen Verwendung finden, wobei eine ausreichende Stabilisierung des Schlamms bei richtiger Dimensionierung trotzdem möglich ist.
Überraschenderweise können die Durchsatzmengen pro Beckenvolumeneinheit nach dem erfindungsgemässen Verfahren erheblich höher gehalten werden als bei den bisher praktizierten Verfahren.
Es ist von Vorteil, wenn man der zweiten Belüf tungsstufe durchschnittlich soviel Schlamm zuführt, wie in der ersten Belüftungsstufe täglich Schlammüber schuss entsteht. Dadurch erreicht man eine Anreiche rung an Schlamm in der zweiten Stufe, aus welcher er zeitweise ausgetragen werden kann.
Zum besseren Verständnis sei noch angeführt, dass die erste Belüftungsstufe der sogenannten Belebungs stufe oder Belebtschlammstufe der herkömmlichen Verfahren entspricht, während die zweite Stufe eine Kombination der Wirkungen der Belebungsstufe und der Stabilisierungsstufe bekannter Verfahren vereinigen kann.
Es können somit bei geeigneter Steuerung des Ver fahrens hinsichtlich Schlammbelastung, Belüftungszeit und Sauerstoffhaushalt optimale Werte und dadurch Raumersparnis erreicht werden.
Normalerweise muss ein Belebungsbecken bei klei nen Anlagen mindestens auf das 14-Stundenmittel des Tagesanfalls dimensioniert werden. Wegen des gerin gen Wasseranfalls in der Nacht ergeben sich Betriebs belastungsschwankungen im Verhältnis 1:8 bis 1:12. Beim erfindungsgemässen Verfahren kann das Becken für die erste Belüftungsstufe (Belebungsbecken) norma lerweise zum Beispiel auf das 24-Stundenmittel dimen sioniert werden, woraus eine Senkung der Belastungs schwankungen von Tag- zu Nachtbetrieb auf nur noch 1:4 möglich ist. Ausserdem kann das Belebungsbecken 1,5 bis 2-mal kleiner gehalten werden.
Betrachtet man die Abwasseranfallganglinie kleiner Ortschaften, so zeigt sich, dass, bezogen auf die Total menge, ca. 70 % der Tagesmenge im Bereich des 24-Stundenmittels anfallen und ca. 30 o/a als Spitze. Es müssen demnach zur Reinigung von höchstens 30 % der Tagesmenge die Belebungsbecken 1,5 bis 2-mal grösser dimensioniert werden, was sicherlich unwirt schaftlich ist. Andererseits liegt, bei getrennter Stabili sation (Oxydation) im vorhandenen Stabilisationsbek- ken eine erhebliche Belebtschlamm-Menge brach.
Beim erfindungsgemässen Verfahren kann nun diese Schlamm-Menge zur Reinigungsarbeit eingesetzt wer den. Wie aus den Erfahrungen mit Oxydationsanlagen, in denen der Prozess der biologische Reinigungslei stung als auch die angestrebte Stabilisation des Belebt schlammes dann gewährleistet, wenn unter anderem (genügende Sauerstoffzufuhr, genügende Turbulenz etc.) die Belastung des im Becken vorhandenen Schlammes mit Schmutzstoffen im Bereich zwischen 40-50 g BSB5 pro kg Belebtschlamm-Feststoffe liegt.
Beim erfindungsgemässen Verfahren kann. nun dem nor malerweise brach liegenden Stabilisationsbecken, unter gleichzeitiger entsprechender Steigerung des 02-Eintra- ges, so viel Abwasser pro Tag zugeführt werden, dass die oben angeführte Schlammbelastung von 40-50 g BSB5 pro kg Feststoffe nicht überschritten wird; unter normalen Verhältnissen sind das gerade die ca. 30 0lo der Tagesmenge, die als Stundenspitze anfallen.
In welchem Masse dadurch im Vergleich zu den bekannten Oxydationsanlagen, bei gleicher Reinigungs leistung, an Beckenvolumen gespart werden kann, sei am Beispiel einer Anlage für 500 Einwohner mit 300 l/Einwohner und Tag Abwasser- und 75 g/Einwoh- ner und Tag BSB5-Anfall zahlenmässig dargelegt: Abwasseranfall 175 ms/Tag BSB5 37.5 kg/Tag a) Oxydationsanlage normaler Bauweise:
Zulässige Schlammbelastung: 45 g BSB5/kg Feststoffe. Feststoffkonzentration im. Becken: im Mittel .sicher erreichbar 6 kg/ms. Erforderliche Beckenvolumen:
EMI0002.0059
Normalerweise werden diese Anlagen für den Tagesan- fall dimensioniert, das wären im gegebenen Fall 175 ms. b) Erfindungsgemässe Anlage:
EMI0002.0069
Belebungsbecken gewählt 30 ms. Mittlere = minimale Belüftungszeit =
EMI0002.0075
BSB5 = 70 % von 37.5 = 26 kg/Tag.
Zulässige Schlammbelastung für biologische Vollreini gung = 0.25 kg BSB5/kg Feststoffe. Erforderliche Schlammkonzentration:
EMI0002.0088
Stabilisationsbecken, gewählt ebenfalls, 30 ms. Überschuss-Schlamm-Menge = ca. 0.6 - BSB5/Tag = 0.6 - 37.5 = 23 kg/Tag. Erreichbare Konzentration bei Entnahme aus dem Nachklärbeckentrichter: ca. 8 kg/m3.
Tägliche überschuss-Schlamm-Menge:
EMI0003.0007
Total Schlammfeststoff im Stabilisationsbecken: 30 ms - 8 kg/m3 = 240 kg.
Schlammbelastung bei Mitreinigung des Spitzenanfalls von 30 a/o. der Tagesmenge:
EMI0003.0014
Damit kann im Stabilisationsbecken eine volle biologi sche Reinigung, als auch eine zufriedenstelle:nde Schlamm-Stabilisation gewährleistet werden.
Gegenüberstellung der Beckenvolumina: Oxydationsanlage: 140 ms (ev. 175 m3) erfindungsgemässe Anlage: 60 m3 (2 X 30 m3) Einsparung: 80-115M3 Da das Belebungsbecken der erfindungsgemässen Anlage, z.
B. im Gegensatz zu einer Oxydationsanlage üblicher Bauart, mit einer verhältnismässig kleinen Schlammkonzentration gefahren werden kann, ist eine Überlastung der Nachklärung normaler Dimensionie- rung nicht zu befürchten. Bei einem Belebtschlamm- betrieb mit hoher Schlammkonzentration von z. B.
8-10 kg/m3 ergeben sich sehr grosse Nachklärbecken. Da dieser Umstand in der Praxis nicht immer genü gend berücksichtigt wird, arbeiten viele Oxydationsan lagen praktisch ohne überschuss-Schlammanfall, weil dieser als Schwebstoffgehalt des Ablaufes in die Vor flut abgeleitet wird.
Bei Stabilisationsbecken mit einer hohen Schlammkonzentration wird üblicherweise bei Normalbetrieb nur ca. 2-3 % und bei Spitzenbetrieb nur ca. 20-30 % der Abwassermenge als Belebt- schlammgemisch über die Nachklärung zirkulieren,
weshalb sich im Durchschnitt keine wesentlich erhöhte Feststoffbelastung der Nachklärung ergibt.
Falls die Anlage vorzugsweise symmetrisch ausge bildet wird, kann sie, bei entsprechend kleinem Abwas seranfall, auch parallel betrieben werden, wobei sie dann wie eine übliche Oxydationsanlage funktioniert.
Zur Aufrechterhaltung eines Notbetriebes kann jedes der beiden Belüftungsbecken vorübergehend ab geschaltet werden, ohne die Reinigungsleistung wesent lich zu beeinträchtigen.
Die Anlage ist einfach zu vergrössern: z. B. durch Verlängerung der beiden Belüftungsbecken und Einset zen weiterer Belüftungsrotoren sowie dem Anbau eines weiteren Nachklärbeckens in Längsrichtung. Durch Vorschalten einer mechanischen Reinigung und Erstellung einer Schlammfaulanlage und Betrieb beider Belüftungseinheiten als Belebungsbecken kann sie jederzeit zu einer mechanisch-biologischen Anlage erweitert werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Kläranlage zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass zwei wahl weise mit Abwasser beschickbare Belüftungsbecken vorgesehen sind, welche miteinander durch eine Lei tung so verbunden sind, dass in dem einen Belüftungs becken anfallendes Oberwasser in das andere Belüf tungsbecken überfliessen kann, wobei beide Belüf tungsbecken mit einem gemeinsamen Nachklärbecken durch Oberläufe verbunden sind, und Mittel vorgesehen sind, um jedem der beiden Belüftungsbecken regelbare Mengen an Schlamm aus dem Nachklärbecken zuzu führen.
Zweckmässig wird in wenigstens einem der Belüf tungsbecken, welches als Stabilisierungsbecken dient, der Oberlauf in Glas Nachklärbecken als Klärtasche aus gebildet.
Es ist ausserdem zweckmässig, die überlaufcharak- teristik der die Belüftungsbecken mit dem Nachklär- hecken verbindenden Oberfälle (z. B. Thompson-Ober- fälle) so auszulegen, dass je nach Abwasseranfall pro Zeiteinheit das Eintauchen der in den Belüftungsbek- ken vorgesehenen Rotoren variiert und dadurch der Sauerstoff-Eintrag proportional der jedes Belüftungs becken durchfliessenden Flüssigkeitsmenge ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeich nung beispielsweise erläutert: Fig. 1 zeigt eine Kläranlage in Richtung der Pfeile 1-T in Fig. 3 gesehen.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach II-11 in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen. Schnitt (ohne Hintergrund) nach Linie III-III in Fig. 1.
Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungs form der Erfindung.
Die Anlage besteht aus einem ersten Belüftungs becken, dem Belebungsbecken 1 und einem zweiten Belüftungsbecken, dem Stabilisationsbecken 2 und einem Nachklärbecken 3 mit einem Schwimmschlamm raum 4. Die beiden Belüftungsbecken werden vorzugs weise als Umlaufbecken mit Rotorbelüftung 11, 12 und horizontaler Umwälzung des Belebtschlammgemi- sches ausgebildet.
Das Abwasser, vorzugsweise roh, oder auch ganz oder teilweise mechanisch vorgereinigt, fliesst vom Zulaufkanal 14 in den Verteilkanal 15 und von diesem direkt ins Belebungsbecken 1, wo es mit dem vorhandenen Belebtschlamm vermischt, von der Belüftungseinrichtung 11, welche vorzugsweise als horizontaler Rotor bekannter Bauart ausgebildet ist, belüftet und umgewälzt wird. Die Betriebsparameter im Becken 1 sind diejenigen einer normalen Belebt schlammanlage mit biologischer Vollreinigung von z. B. 3-4 Stunden mittlerer Belüftungszeit, und einer Schlammbelastung von 0,2-0,4 kg BSB5/kg Belebt schlammfeststoffe.
Bis zu einem bestimmten Abwasser- zufluss, z. B. in der Höhe der mittleren Stunden belastung, fliesst das Abwasser-Belebtschlammge:misch durch den Bodenlauf 5 über den Oberfall 7 in den Schwimmschlammfang 4 und von diesem ins Nachklärbecken 3, wo sich der Belebtschlamm ab setzt und das biologisch gereinigte Abwasser über die Ablaufrinne 20 zum Vorfluter abfliesst. Der grösste Teil des sich im Nachklärbecken 3 absetzenden Belebt schlammes wird mit der Druckluftpumpe 9,
die vom Kompressor 13 mit Druckluft versorgt wird, konstant in das Belebungsbecken 1 zurückgefördert, wobei die Fördermenge durch eine entsprechende Dosierung der Luftmenge am Schieber 13.1 gesteuert wird. Die Spie gelschwankungen im Becken 1 sind durch die Charak teristik des Überfalls 7 bestimmt, wodurch eine weitge hende Anpassung der Eintauchtiefen des Rotors und damit des Sauerstoffeintrags proportional zur Durch satzmenge erreicht wird.
Der beim Reinigungsprozess anfallende Überschuss- Schlamm wird aus der Trichterspitze des Nachklärbek- kens 3 in eingedicktem Zustand von der Druckluft pumpe 10 kontinuierlich in das Stabilisationsbecken 2 gefördert, wobei die Förderleistung der Pumpe 10 durch Zugabe von mehr oder weniger Druckluft mit dem Schieber 13.2 beliebig geregelt werden kann.
Im Stabilisationsbecken 2 wird der überschuss-$chlamm vom Belüftungsrotor 12 horizontal umgewälzt und be lüftet und dadurch aerob stabilisiert. Die Steuerung der Eintauchtiefe des Rotors 12 durch den Überfall 8 er folgt in gleicher Weise, wie die des Rotors 11 durch den Überfall 7.
Durch die Förderwirkung der Druck luftpumpe 10 wird demnach eine ständige Schlammzir- kulation zwischen dem Nachklärbecken 3 und Becken 2 aufrechterhalten, wobei der Ablauf aus Becken 2 über den Bodenablauf 6, den Überfall 8 und den Schwimm schlammraum 4 geführt wird; die Zirkulationsmenge entspricht der täglichen überschuss-Schlamm-Menge, also ca. 2-3 0!n der täglichen Abwassermenge.
Da die ser Zirkulationsschlamm, bevor er ins Nachklärbecken 3 überfliessen kann, die Schlammtasche 6.1 mit einer Klärzeit von ca. 30 Minuten durchfliesst, wird die Schlammkonzentration. des Abflusses aus der Klärta sche 6.1 immer kleiner sein, als diejenige im Becken2, wodurch eine Steigerung der Schlammkonzentration im Becken 2 erreicht wird. Der stabilisierte Schlamm kann mit der Schlammpumpe 23 aus der Bodenvertiefung 19 entnommen und auf die Trockenbeete 21 gepumpt werden, die vorzugsweise als Überdachung der ganzen oder eines Teils der Anlage (z. B.
Maschinenhaus und Nachklärbecken) ausgebildet sind; die gleiche Schlammpumpe 23 ermöglicht auch die Entnahme von Ablagerungen in der Bodenvertiefung 18 des Beckens 1 (Sand etc.) und Ein Überpumpen derselben ins Becken 2 zur Stabilisation.
Steigt bei Spitzenanfall (während der Tagesspitzen oder bei Regenwetter) die in das Becken 1 zufliessende Abwassermenge über die für das Becken 1 zugelassene Beschickungsquote, wird Becken 1 über den Entla stungskanal 22 ins Becken 2 entlastet, wobei die Entla stungsmenge durch die festgelegte Länge und die ver stellbare Höhenlage der Überfallkante 22.1 und die entsprechend festgelegte Abflusscharakteristik des Über- falls 7 dosiert wird.
Da mit zunehmender Beschickung des Beckens 2 mit Abwasser-Belebtschlammgemisch in demselben die Spiegellage ansteigt, gesteuert durch die Abflusscharakteristik des Überfalls 8, über welchen die totale dem Becken 2 zugeführte Flüssigkeitsmenge ins Nachklärbecken 3 abfliessen muss, nimmt die Ein tauchtiefe des Belüftungsrotors 12 entsprechend zu und zwar in dem Masse, dass bei jeder Belastung die Ver sorgung des Beckens 2 mit Sauerstoff gewährleistet ist.
Eine entsprechende Beschickung des Beckens 2 wäh rend des Ausgleichsbetriebes mit Rücklaufschlamm ist dadurch- gewährleistet, dass dieses nicht mit Abwasser allein, sondern mit einem Abwass.er-Belebtschlammge- misch aus Becken 1 beschickt wird, wobei die Rück führung der totalen Rücklaufschlamm-Menge aus dem, beiden Becken gemeinsamen, Nachklärbecken 3 durch die Druckluftpumpe 9 erfolgt.
Die Förderleistung der- Druckluftpumpe 10 bleibt auch während des Aus gleichsbetriebes die- des Normalbetriebes (die -tägliche Überschu"chlamm-Menge). Die täglich dem Stabfisa- tionsbecken zuführbare Schmutzstoffmenge ist festge legt durch die zulässige Schlammbelastung zur Auf rechterhaltung der erwünschten Schlamm-Stabilisation; die geforderte biologische Reinigungsleistung ist dann auf alle Fälle gewährleistet.
Ist der tägliche Abwasseranfall wesentlich kleiner als der, der Planung einer Anlage zugrundegelegten (z. B. bei Inbetriebnahme einer für ein bestimmtes Ausbauziel dimensionierten Anlage), können während der Übergangszeit durch eine entsprechende Einstellung der Regulier- und Absperrklappe 17 beide Belüftungs becken mit Abwasser beschickt, und beide Druckluft pumpen für die gleiche, angepasste Rücklaufschlamm- förderleistung eingestellt werden, so dass dann die An lage wie eine übliche Oxydationsanlage funktioniert,
in welcher der biologische Abbau und die Sc_hiamm-Sta- bilisierung unter Einhaltung -der für diesen Betrieb zu lässigen Schlammbelastung im. gleichen Becken ge währleistet sind.
Soll aus irgendwelchen Gründen eines der beiden Belüftungsbecken abgestellt werden, so kann mit nur einem- Becken eire Notbetrieb aufrechterhalten werden, der zumindest eine biologische Teilreinigung während dieser Zeit gewährleistet. Es ist sogar möglich, vor übergehend das Nachklärbecken auszuschalten und in dieser Zeit die beiden Belüftungsbecken durch inter- mittierenden Aufstaubetrieb, ähnlich wie er bei Oxyda tionsgräben praktiziert wird, auch für die Nachklärung einzusetzen.
Die erfindungsgemässe Anlage wird vorzugsweise beiderseits der Längsachse symmetrisch aufgebaut und aus Fertigbetonteilen zusammengesetzt.
In Fig. 4 erkennt man die voneinander getrennt ge zeichneten Umrisse der drei Becken 1, 2, 3. In das Becken 1 fliesst entsprechend dem dicken ausgezoge nen Pfeil Abwasser ein, wird darin in beschriebener Weise verarbeitet und fliesst durch den Überlauf in das Nachklärbecken 3. Gleichzeitig. wird- entsprechend dem gestrichelten Pfeil Schlamm aus dem Becken 3 in Bek- ken 1 gepumpt, von wo der Schlammüberschuss paral lel .zum dicken, ausgezogenen Pfeil mit dem gereinigten Wasser in Becken 3 gelangt.
Zwischen den Becken 2 und 3 besteht ebenfalls ge- mäss gestricheltem Pfeil ein Schlammkreislauf. Das als dünner ausgezogener Pfeil angedeutete zusätzliche Wasser, welches in Spitzenzeiten in Becken 1 gelangt, fliesst gemäss dünnem ausgezogenen Pfeil in Becken 2 über, von wo es nach Reinigung durch den hungernden Schlamm in Becken 3 gelangt.
Der Schlammüberschuss, welcher im Becken 2 zu rückbleibt und sich ansammelt, wird gemäss strich punktiertem Pfeil, in der Regel zeitweise, auf das Trok- kenbeet 21 gefördert.
Der weisse dicke Pfeil, welcher aus Becken 3 her auszeigt, bedeutet das abfliessende gereinigte Wasser. Die örtliche Lage der Pfeile ist unmassgeblich. Sie ist nur nach Gesichtspunkten der Übersichtlichkeit ge wählt.