Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kläranlage zur Reinigung von Abwasser gemäß Anspruch 1.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kläranlage zur Reinigung von Abwasser gemäß Anspruch 6.
Ein Verfahren unter Nutzung von Tropfkörpern zur Stickstoffelimination sowie eine solchermaßen betriebene Kläranlage ist bekannt aus der
Zum Aufbau einer Denitrifikationsbiologie der Vorklärung wird der Überschussschlamm aus der Zwischen- bzw. Nachklärung in die Vorklärung geleitet. Der Schlammspiegel des Rohschlamm-Überschussschlamm-Gemischs in der Vorklärung wird dabei gezielt höher eingestellt, als bei reinem Vorklärbeckenbetrieb. Dadurch wird ein für das Bakterienwachstum notwendiges Schlammalter im Vorklärbecken erreicht. Denitrifikanten können sich nun im Schlamm anreichern.
Mit Hilfe einer kontinuierlichen Räumbewegung wird eine zu starke Sedimentation des Schlammgemischs im Vorklärbecken vermieden. Zusätzlich wird der Mischschlamm aus den Sammeltrichtern des Beckens entnommen und wieder in den Zulauf der Vorklärung gepumpt. Auf diese wird ein interner Schlammkreislauf hergestellt und eine gute Durchmischung des Schlamms mit dem nitrathaltigen Wasser und dem kohlenstoffreichen Rohabwasser sichergestellt. Hauptziel dieser Durchmischung ist der Kontakt zwischen Bakterien und den zu verarbeitenden Substraten Nitratsauerstoff und Kohlenstoffverbindungen.
Dadurch dass die Denitrifikationsbiologie sich im Vorklärbecken befindet, wird das Kohlenstoffangebot im Rohabwasser optimal ausgenutzt. Dies bedeutet, dass dem denitrifizierenden Organismen der gesamte Kohlenstoff des zulaufenden Abwassers, d.h. sowohl gelöste, als auch partikuläre abbaubare Stoffe zur Verfügung stehen.
Eine alternative Verfahrensweise ist aus der Veröffentlichung "
Da der Auslauf der der Denitrifikationsstufe vorgeschalteten Nitrifikationsstufe eine hohe Sauerstoffsättigung und einen bereits stark reduzierten Kohlenstoffgehalt besitzt, ist bei der nachgeschalteten Wirbelbettdenitrifikation die Zufuhr zusätzlichen kohlenstoffhaltigen Materials in die Denitrifikationsstufe erforderlich, um den Sauerstoffgehalt im Abwasser zu senken und die anschließend anoxisch ablaufende Denitrifikation (Nitratatmung) überhaupt starten zu können. Die als externe Kohlenstoffquelle genutzten Materialien (z.B. Brauereiabfälle, Methanol) stellen jedoch hochwertige Rohstoffe dar, die in heutiger Zeit vorzugsweise zur effizienten Energieerzeugung in Biogasanlagen genutzt werden könnten. Die Beschaffung kohlenstoffhaltigen Zusatzmaterials für die Denitrifikation stellt somit bei diesem bekannten Verfahren einen nicht unbeträchtlichen Kostenfaktor dar.
Eine andere Verfahrensweise ist aus der
Ferner beschreibt die
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Kläranlage sowie auch eine Kläranlage selbst vorzuschlagen, bei dem bzw. der sich auf energieeffiziente Weise und ohne Verwendung einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle in der Denitrifikationsstufe geringe Gesamtstickstoffgehalte im Abwasser erzielen lassen.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird die vorgenannte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Denitrifikation in der Denitrifikationsstufe mittels im Abwasser fluidisierbaren und mit Biomasse besetzten Aufwuchsträgermaterials gemäß Anspruch 1 erfolgt.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich somit dadurch aus, dass sie vom Prinzip einer der Nitrifikationsstufe vorgeschalteten Denitrifikationsstufe ausgeht. Der Kohlenstoffgehalt des Abwassers in der Denitrifikationsstufe ist somit hoch, weshalb auf die Zuführung externen Kohlenstoffs aus einer sonstigen Quelle bei dem Verfahren nach der Erfindung gänzlich verzichtet werden kann. Darüber hinaus zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren aber auch durch eine sehr gute Energieeffizienz aus, da zum einen die Nitrifikation im Tropfkörper bzw. einem anderen natürlich belüfteten System erfolgt, das i.d.R. durch Naturzug belüftet wird, und zum anderen die Denitrifikation unter Nutzung auf fluidisierten Aufwuchsträgermaterial fixierter Biomasse erfolgt, wodurch sich eine Schlammrückhaltung bzw. Biomasseentfernung nach dem Auslauf aus der Denitrifikationsstufe erübrigt; vielmehr wird der Überschussschlamm aus der Denitrifikation einfach durchgespült und der Nitrifikationsstufe zugeführt. Aufgrund seiner geringen Konzentration und seiner eher "stückigen" Konsistenz ist dies für die Nitrifikationsstufe, auch wenn diese, was zu bevorzugen ist, als Tropfkörper ausgeführt ist - nicht schadet, solange der Tropfkörper hinreichend große freie Strömungsquerschnitte aufweist und mit einem ausreichenden Abwasser-Volumenstrom durchgespült wird. Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann somit auf typischerweise großdimensionierte Zwischenklärbecken zwischen der Denitrifikationsstufe - sofern diese als Belebtschlammstufe ausgeführt ist - und der Nitrifikationsstufe verzichtet werden.
Demgegenüber zeichnet sich das aus der
Erfindungsgemäß sind somit beide Teilschritte bei der Stickstoffelimination, nämlich zum einen die Nitrifikation und zum anderen die Denitrifikation mit Hilfe von trägerfixierter Biomasse möglich, wobei die energetisch günstigste Nitrifikation in einem Tropfkörper oder einem anderen natürlich belüfteten System erfolgt. Der extrem niedrige Energiebedarf, der signifikant unter dem des alternativen Belebtschlammverfahrens zur Nitrifikation/Denitrifikation liegt, kann rechnerisch aus der Verstromung des Biogases aus einer mesophilen Schlammfaulung des Vorklärschlammes einschließlich der geringen Überschussschlammmenge gedeckt werden, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erstmals ein energieautarker Betrieb der gesamten Kläranlage ohne ständige Nutzung externer Energiequellen möglich wird. Gleichzeitig liegt die Überschussschlammproduktion deutlich unter der des Belebtschlamm-verfahrens, so dass das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr wirtschaftliche Alternative sowohl zu konventionellen Belebtschlammverfahren als auch zu anderen Biofilmverfahren mit Zugabe von externem kohlenstoffhaltigem Material darstellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der Denitrifikationsstufe eine Vielzahl von fluidisierten Aufwuchsträgerkörpern mit einer Dichte von ungefähr 1 kg/dm3 in dem Abwasser mittels mindestens einer Bewegungseinrichtung bewegt. Die Aufwuchsträgerkörper, die eine Größe (Durchmesser, Kantenlänge) von ca. 5 mm bis 20 mm besitzen können, weisen eine sehr große spezifische Oberfläche und somit eine große Kontaktfläche zwischen den die Oberfläche besiedelnden Bakterien und dem zu behandelnden Abwasser auf. Vorzugsweise mit Hilfe eines Ablaufsiebs wird verhindert, dass die fluidisierten Aufwuchsträgerkörper mit dem Ablaufstrom aus der Denitrifikationsstufe ausgetragen werden.
Da der rezirkulierte Strom, der aus der vorzugsweise als Tropfkörper ausgebildeten Nitrifikationsstufe stammt, einen hohen Sauerstoffgehalt aufweist, wird dieser Rezirkulationsstrom gemäß Anspruch 1 zunächst in eine sauerstoffzehrende Stufe geführt, bevor er mit stark reduziertem Sauerstoffgehalt in die Denitrifikationsstufe geleitet wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Nitratstickstoff enthaltende Rezirkulationsstrom sogleich bei seinem Eintritt in die Denitrifikationsstufe zur Erzielung anoxischer Bedingungen beiträgt, so dass die Denitrifikation effizient durchgeführt werden kann.
Um eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den die Sauerstoffzehrung durchführenden Bakterien und dem zu reduzierenden Abwasser zu erzielen, sollte die Sauerstoffzehrung mittels mindestens einer in der Sauerstoff zehrenden Stufe fluidisierten Aufwuchs-Trägermaterialfüllung der Dichte nahe 1 g/cm3 mit daran anhaftender Biomasse erfolgen. Die Sauerstoffzehrung erfolgt typischerweise mit Hilfe heterotropher aber auch autotropher Bakterien, die aus dem Tropfkörper eingespült werden und sich auf dem Trägermaterial ansiedeln. Die fluidisierbaren Aufwuchsträgerkörper im Reaktor können vorzugsweise mittels mindestens einer langsam laufenden Rührvorrichtung bewegt werden. Der Energieaufwand zur Durchmischung des zu reduzierenden Rezirkulationsstroms wird auf diese Weise gering gehalten.
Da der Kohlenstoffgehalt in dem Rezirkulationsstrom gegenüber dem Zulaufstrom des Abwassers deutlich reduziert ist, kann zur Beschleunigung der Sauerstoffzehrung in der sauerstoffreduzierenden Stufe der Zulaufstrom des Abwassers während eines begrenzten Zeitraums in den während der übrigen Zeit als sauerstoffzehrende Stufe dienenden Reaktor geleitet werden, von wo aus er der Nitrifikationsstufe zugeführt wird, wobei der Rezirkulationsstrom während dieses Zeitraums in den während der übrigen Zeit als Denitrifikationsstufe dienenden Reaktor geleitet und dort der mitgeführte Sauerstoff reduziert wird, von wo aus er dem ersten Reaktor zugeführt und dort denitrifiziert wird.
Durch eine derartige wechselweise Beaufschlagung zweier Reaktoren mit dem kohlenstoffhaltigen Rohabwasser wird eine hinreichende Kohlenstoffversorgung auch der Bakterien in der sauerstoffzehrenden Stufe erreicht und gleichsam die Überschussschlammproduktion in der Denitrifikationsstufe gemindert.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die zugrunde liegende Aufgabe ausgehend von einer Kläranlage der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Denitrifikationsstufe gemäß Anspruch 6 mindestens einen Reaktor mit einer im Becken bzw. Behälter befindlichen Teilfüllung von mit Biomasse besetzbaren und fluidisierbaren Aufwuchsträgerkörpern aufweist. In Abkehr von dem Belebtschlammverfahren ohne Biomassefixierung basiert die erfindungsgemäße Kläranlage auf dem Prinzip einer vorgeschalteten Denitrifikationsstufe mit trägerfixierter Biomasse und produziert daher in reduzierter und in leicht sedimentierender Form anfallende Überschussbiomasse.
Für die Denitrifikationsstufe eignen sich insbesondere fluidisierbare Aufwuchsträgerkörper mit einer Dichte von ungefähr 1 kg/dm3, die einer großen Anzahl mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung in dem Abwasser bewegbar sind, so dass eine gute Durchmischung und Versorgung der Biomasse mit den im Abwasser enthaltenden Stoffen gewährleistet ist.
Um die für die Denitrifizierung erforderlichen anoxischen Bedingungen in der Denitrifikationsstufe zu erreichen, wird der Denitrifikation eine sauerstoffzehrende Stufe vorgeschaltet, in welche der aus der Nitrifikationsstufe rezirkulierte Teilstrom einleitbar ist, wobei der die sauerstoffzehrende Stufe verlassende Strom mit entsprechend reduziertem, vorzugsweise nahezu 0 betragendem Sauerstoffgehalt so dann der Denitrifikationsstufe zuführbar ist.
Um einen größeren Biomasseaustrag auch aus der sauerstoffzehrenden Stufe zu verhindern, sollte letztere gleichfalls mindestens einen unterhalb eines Wasserspiegels angeordneten Füllung mit Biomasse besetzbaren Aufwuchsträgerkörper aufweisen. Bevorzugt wird auch hier eine Vielzahl von fluidisierbaren Aufwuchsträgerkörpern mit einer Dichte von ungefähr 1 kg/dm3, die in dem Abwasser mittels einer Bewegungsrichtung bewegbar sind, um eine gute Durchmischung und Nährstoffversorgung der Biomasse zu gewährleisten.
Um eine effiziente Kohlenstoffversorgung der Biomasse in dem sauerstoffzehrenden Reaktor sicher zu stellen, ohne eine zusätzliche Kohlenstoffquelle zu verwenden, kann der Zulaufstrom wahlweise einem von zwei Reaktoren zuführbar sein. Beide Reaktoren sind entweder als Denitrifikationsstufe oder sauerstoffzehrende Stufe nutzbar. Entsprechend der gerade gewählten Einleitung des Zulaufstroms entweder in den ersten oder in den zweiten Reaktor, ist auch der Rezirkulationsstrom entweder dem einen oder dem anderen der beiden Reaktoren zuführbar, wobei der Nitrifikationsstufe wahlweise der Ablaufstrom des denitrifizierten Wassers aus einem der beiden Reaktoren zuführbar ist.
Um den Bauaufwand gering zu halten, wird erfindungsgemäß ein Kombinationsreaktor vorgeschlagen, der zwei fluidisch voneinander getrennte Reaktoren aufweist, die beide wechselweise sowohl als Denitrifikationsstufe als auch als sauerstoffzehrende Stufe nutzbar sind. Eine Fördereinrichtung erlaubt es, fluidisierte, mit Biomasse besetzte Aufwuchsträgerkörper von einem Reaktor in den anderen Reaktor und wieder zurück zu fördern. Auf diese Weise können nach dem Umschaltvorgang die Startbedingungen für die sauerstoffzehrende Stufe verbessert werden, da die im jeweiligen Reaktor benötigte Biomasse aus dem jeweils anderen Reaktor überführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele einer Kläranlage, die schematisch in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.
Es zeigt:
Bei der in
Der Zulaufstrom 3 enthält nahezu kein Nitrat und auch keinen Sauerstoff. Der Ammoniumgehalt beträgt ca. 40 bis 60 mg/l. Das Abwasser besitzt einen biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB5-Wert) von 200 bis 400 mg/l) sowie einen chemischen Sauerstoffbedarf (CSB-Wert) von 400 bis 800 mg/l. Im Anschluss an die Denitrifikationsstufe 4 wird das Abwasser sodann mit Hilfe einer Pumpe 7 einer als Tropfkörper ausgebildeten Nitrifikationsstufe 8 zugeführt. Sowohl der Nitratgehalt des Wassers am Einlauf des Tropfkörpers als auch der Gehalt an Ammoniumionen ist gegenüber dem Zulauf im Wesentlichen unverändert. Das Abwasser wird oberhalb des Tropfkörpers mit Hilfe einer Verteileinrichtung 9 über den gesamten Querschnitt des Tropfkörpers der Nitrifikationsstufe 8 gleichmäßig ausgebracht und rieselt über den anhaftenden Biomassefilm, der sich auf der gesamten Oberfläche des Tropfkörperaufwuchsträgers ausbildet.
Der Ablaufstrom der Nitrifikationsstufe 8 wird an einer Rohrverzweigung 10 in zwei Teilströme aufgeteilt: Ein erster Teilstrom wird einer kombinierten Nachklär- und Phosphatfällungs-Stufe 11 zugeführt. Die Zugabe von Fällmitteln erfolgt in einen turbulenten Zulauf 12 der Nachklär- und Phosphatfällungs-Stufe 11, in dem eine Sedimentation des ausgeflachten Schlamms stattfindet. Der Überschussschlamm der Kläranlage 1 wird über eine vom Boden der Nachklär- und Phosphatfällungs-Stufe 11 ausgehenden Leitung 13 abgezogen und in eine nicht dargestellte mesophile Faulstufe geführt. Das dort erzeugte Methangas kann zum Betrieb von Gasmotoren dienen, die zum Antrieb von Generatoren herangezogen werden, um den Bedarf der Kläranlage 1 mit elektrischer Energie im Wesentlichen vollständig decken bzw. unter Umständen sogar eine Einspeisung überschüssiger elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz vornehmen zu können. In der als Sedimentationsstufe arbeitenden Nachklär- und Phosphatfällungs-Stufe 11 kann die Wirksamkeit bedarfsweise durch einen Lamellenklärer erhöht werden.
Bei dem zweiten Teilstrom des Ablaufstroms aus der Nitrifikationsstufe 8, handelt es sich um einen Rezirkulationsstrom 14, der einer sauerstoffzehrenden Stufe 15 zugeführt wird. Die sauerstoffzehrende Stufe 15 wird gebildet von einem Reaktor 17, in dem sich eine Vielzahl fluldisierter, mit Biomasse besetzter Aufwuchsträgerkörper befinden. Die Dichte der Aufwuchsträgerkörper entspricht ungefähr der des Wassers und mit Hilfe einer motorbetriebenen Bewegungseinrichtung 18 werden die Aufwuchsträgerkörper in dem unbelüfteten Reaktor 17 gleichmäßig im Sinne eines Wirbelbettreaktors umgewälzt, um einen guten Kontakt der Biomasse mit dem zu behandelnden Rezirkulationswasser zu erreichen. Das rezirkulierte Abwasser weist einen Sauerstoffgehalt von etwa 4 bis 8 mg/l auf. Der Nitratgehalt beträgt üblicherweise ca. 10 bis 20 mg/l und der Ammoniumgehalt noch ca. 1 bis 5 mg/l. Der BSB5-Wert beträgt ca. 0 bis 15 mg/l und der CSB-Wert ca. 0 bis 90 mg/l.
In der sauerstoffzehrenden Stufe 15 wird der Sauerstoffgehalt des rezirkulierenden Abwassers im weitestgehend abgebaut. Der Sauerstoff des Abwassers reagiert mit den noch vorhandenen Ammoniumionen zu Nitrationen. Bei Weiterleitung des Rezirkulationsstroms über eine Leitung 19 in die Denitrifikationsstufe 4 liegen somit dort die erforderlichen anoxischen Bedingungen vor und die Denitrifikanten können tätig werden. Der Rezirkulationsstrom 14 beträgt typischerweise etwa 200 bis 300 % des Zulaufstroms, er kann bei sehr hoher Stickstoffbelastung des Zulaufstroms aber auch bis zu ca. 400 % des Zulaufstroms betragen. Im Falle eines Mischsystems ist die Rezirkulationsmenge bei starken bzw. anhaltenden Regenereignissen auf die maximale hydraulische Leistung der Kläranlage 1 zu beschränken.
Gemäß der in
Eine Ablaufleitung 25 des Reaktors 5' und eine Ablaufleitung 26 des Reaktors 17' vereinigen sich zu einer Leitung 27, die das denitrifizierte Abwasser in Richtung des in
Wird der Zulauf umgeschaltet und das Rohabwasser über die Zweigleitung 24 dem dann der Denitrifikation dienenden Reaktor 17' zugeleitet, erfolgt der Ablauf des denitrifizierten Wassers über die Leitungen 26 und 27 zur Nitrifikationsstufe 8. Der Rezirkulationsstrom wird dann über die Leitungen 28 und 30 in den als sauerstoffzehrende Stufe dienenden Reaktor 5' geleitet, von wo aus eine Versorgung der Denitrifikationsstufe mit nitrifiziertem Wasser über die Überströmleitung 32 erfolgt, die in diesem Fall in die andere Richtung durchströmt wird.
Beide Reaktoren 5', 17' sind mit fluidisierten Aufwuchsträgerkörpern gefüllt, die mit Hilfe von Bewegungseinrichtungen 6 und 18 z.B. in Form von motorbetriebenen Rührwerken umgewälzt werden. Sowohl die Ablaufleitungen 25 und 26 als auch die Überströmleitung 32 sind mit Rückhalteeinrichtungen in Form von Sieben oder Gittern versehen, um ein Abströmen der schwimmenden Aufwuchsträgerkörper aus dem jeweiligen Reaktor 5', 17' zu verhindern.
Es ist aber auch möglich, ohne Umschaltung des Zulaufstroms unter Beibehaltung der Funktion der jeweiligen Reaktoren 5', 17' (oder ausgehend von der Ausführungsform gemäß
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