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Kläranlage

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Funktionen und Abläufe in Kläranlagen

 

 

Mechanische Abwasserbehandlung

 

 

Rechen schützen Kläranlagen vor groben Schwimm- und Treibstoffen. Sie lassen sich in Grobrechen (Durchlassweite: 40 - 100 mm) und Feinrechen (Durchlassweite: 10 - 30 mm) einteilen. Es gibt dabei viele verschiedene Bauweisen, wie z.B. Stabrechen mit zur Abwasserfließrichtung senkrechten, gebogenen oder geneigten Stäben, die aus Flach-, Rund- oder Profilstahl bestehen können.

 

Sehr kleine Stababstände sind ungünstig, da sich die Stabzwischenräume schnell mit Rechengut zusetzen können. Dies beeinflusst den Abwasserdurchfluss ungünstig.

 

Es werden sowohl handbetriebene, als auch maschinelle betriebene Rechenanlagen eingesetzt. Bei letzteren wird das Rechengut automatisch geräumt, danach entwässert, gesammelt und der Entsorgung zugeführt. Liegt eine Wasserspiegelerhöhung durch einen Wasserstau vor, so befreit ein automatischer Rechenräumer die Rechenzwischenräumen von Zusetzungen.

 

Das Rechengut besteht hauptsächlich aus einer Mischung von anorganischen Bestandteilen, wie z.B. Steine u. Kiese, und den organischen Anteilen. Dabei lassen sich die organischen Bestandteile biologisch gesehen in gut abbaubare Stoffe, wie z.B. Fäkalien, Obst- u. Gemüsereste, und in schwer abbaubare Stoffe, wie z.B. Holz, Papier und Kunststoffe unterteilen.

 

Biologisch abbaubare Stoffe können durch Faulprozesse zu unerwünschten Geruchsbelästigungen im Rechengebäude führen. Dies kann durch Auswaschung der Fäkalien aus dem Rechengut, mittels einer Rechengutwaschanlage, vermieden werden.

 

 

 

Siebe lassen sich in Bogen- und Trommelsiebe unterscheiden. Bei den Bogensieben strömt das Abwasser von oben nach unten durch das Sieb hindurch, während das Siebgut auf dem Sieb nach unten rutscht und dabei entwässert wird. Trommelsiebe besitzen eine sich langsam drehende Spalt- oder Lochsiebtrommel. Sie werden entweder von außen nach innen oder umgekehrt vom Abwasser durchströmt. Hierbei wird es von Feststoffen befreit. Die Reinigungswirkung von Sieben ist, verglichen mit Absetzbecken, jedoch relativ gering.

 

Die Einteilung von Sieben kann auch wie folgt geschehen: Fang- und Spülsiebe, oder Siebscheiben und Siebtrommeln. Die Siebtrommel ist hierbei am gebräuchlichsten. Sie dreht sich um eine waagerechte oder vertikale Achse, wobei das Abwasser meist von außen nach innen strömt. Im Innern der Siebtrommel fließt es dann von Feststoffen befreit ab. Die außen an der Siebtrommel zurückgehaltenen Feststoffe werden entweder über eine Druckspülung von innen, oder mittels erhöhter Drehzahl, abgeführt bzw. ausgetragen.

 

In der Abwasserreinigung werden auch Mikrosiebe eingesetzt. Diese werden allerdings erst in der Phase der Nachklärung, zur gleichzeitigen Feststoffentfernung und Phosphoreliminierung, verwendet.

 

 

 

Sandfänge haben die Aufgabe Feinkiese, Sande und andere grobe Mineralteile aus dem Rohwasser zu entfernen. Das Abesetzen der Feststoffe erfolgt hierbei grundsätzlich durch die Verminderung der Fließgeschwindigkeit des Abwassers. Dabei wird die horizontale Kräftekomponente, besthend aus der geschwindigkeitabhängigen Stoke`schen Kräftekomponente und der stellenweise auftretenden dynamischen Abwasserverwirbelkung (z.B. in turbulenten Bereichen des Beckeneinlaufs bzw. -auslaufs) herabgesetzt. Die vertikale Kräftekomponente, bestehend aus Gravitationskraft abzüglich der Stoke`schen bzw. viskosen Kräftekomponente des Sinkvorgangs, überwiegt schließlich. Die Festkörper sinken somit auf den Grund des Sandfangs. Durch den Sandfang werden Ablagerungen in Kanälen, Leitungen und Becken vermieden, Pumpen und Hebelagen vor Störungen und frühzeitigem Abrieb geschützt, und somit eine Beeinträchtigung der nachfolgenden Abwasseraufbereitungsstufen vermieden.

 

Sandfänge lassen sich einteilen in:

  • Langsandfang
  • Tiefsandfang
  • Rundsandfang
  • belüfteter, längsdurchströmter Sandfang

Der Langsandfang wurde früher häufiger verwendet. Sein Fließgerinne wird hierbei auf eine Fließgeschwindigkeit von v = 0,3 - 0,6 ms-1 bemessen. Bei höheren Fließgeschwindigkweiten wird der sich absetzende Sand wieder aufgewirbelt und mit der Fließströmung weiter transportiert. Der Sandfang sollte <= 30 m sein, und es sind mehrere Fließrinnen parallel anzuordnen. Damit wird bei wechselnden Wassermengen im Trennsystem, insbesondere aber beim Mischverfahren, das eben erwähnte Geschwindigkeitsintervall eingehalten. Auch nicht zuletzt wegen der Sandräumung sind zwei nebeneinander angeordnete Fließrinnen in der Praxis sinnvoll. Die Räumung erfolgt meist maschinell. Allerdings gibt es auch handgeräumte Langsandfänge, wie z.B. der Essener Langsandfang. Er kommt aber nur bei vergleichsweise kleinen Anlagen von < 1.000 EGW (Einwohnergleichwert) zum Einsatz.

 

Der Tiefsandfang hat einen geringen Platzbedarf und eignet sich so insbesondere für kleine Abwasserreinigungsanlagen oder zur Klärung von Regenwasser. Bautechnisch handelt es sich hierbei um einen runden Betonzylinder mit trichterförmigen Sammelraum für den sich absetzenden Sand. Dieser kann oben teilweise offen oder abgedeckt sein. Schebstoffe im Abwasser sinken ebenfalls in den Sammelraum ab. Die Ablagerungen werden vor der Druckluftförderung bzw. -räumung mit Hilfe von Wasser und Druckluft gelockert. Dabei werden auch die organischen, flockigen Bestandteile entfernt.

 

Beim Rundsandfang wird das Abwasser tangential in einen flachen Trichter geleitet, das diesen dann horizontal durchströmt. Ähnlich der Strömung bei Flusskrümmungen entsteht auch hier, durch die rundgeleitete Einströmung, eine Querströmung. Diese Querströmung ist außen nach unten gerichtet und nimmt Sinkstoffe mit abwärts. Die horizontale Fließgeschwindigkeit ist außen kleiner als im Zentrum und der Wasserspiegel fällt zur Mitte hin ab. Der Sand wird somit in den inneren Trichterraum eingeschwemmt und kann schließlich mittels Druckluftheber gefördert werden. Die Auflockerung der Ablagerungen erfolgt hierbei wie beim Tiefsandfang. Der herkömmliche Rundsandfang eignet sich bis zu Anlagengrößen von etwa 5.000 EGW. Die Variante des belüfteten Rundsandfangs erreicht eine besonders gute Trennung von Sand und Flocken.

 

Belüftete, längsdurchströmte Sandfänge sind meist mit einem Fettfang ausgestattet und stellen derzeit den Standard bei Kläranlagengrößen ab 5.000 EGW dar. Bei belüfteten Sandfängen ist allerdings darauf zu achten, dass die durch die Belüftung erzeugten Turbulenzen weder zu groß noch zu klein sein dürfen. Sind sie zu groß, so sinken die Sand- und Mineralteilchen nicht zu Boden. Sind sie aber zu klein, so werden bereits Schlammteilchen vom Sandfang zurückgehalten. Durch die Belüftung wird das Abwasser mit Sauerstoff angereichert, so dass es zu ersten biologischen Abbauvorgängen von gelösten organischen Verbindungen kommen kann. Folgt im Anschluss an den Sandfang direkt eine Denitrifikation, so ist dieser Vorabbau unerwünscht. Die verfügbaren organischen Substanzen im Abwasser werden nämlich für die Prozesse der Denitrifikation benötigt.

 

Das Sandfanggut besteht aus Stoffen, die im Rechen und/oder Sieb nicht zurückgehalten wurden. Es sind vornehmlich Sande, Aschen, Scherben, Nahrungsmittelreste, sowie pflanzliche und tierische Stoffe aller Art. Nach [ATV M369, 2003] fällt eine spezifische Menge von 5 l / E . a (Liter  je Einwohner und Jahr) an Sandfanggut an. Bei einem Wassergehalt von 50% ergibt sich somit eine durchschnittliche Sandfracht von 6,5 kg / E . a. Die anlagenspezifisch tatsächlich auftretenden Sandmengen werden durch nachfolgende Faktoren beeinflusst:

  • geologische Verhältnisse im Einzugsgebiet
  • Art, Länge und Zustand des Kanalsystems
  • Häufigkeit von Regenereignissen

 

 

Fett- und Ölabscheider bzw. Leichtstoffabscheider können durch Aufschwimmen und Abstreifen die leichten Stoffe, mit einer geringeren Dichte als Wasser, vom Abwasser abtrennen. Eine grobe Entfettung lässt sich mit einem belüfteten Sandfang vornehmen. Ständig belüftete Sandfänge besitzen häufig eine Fettrinne zur Abscheidung von Fetten, Ölen und Mineralölen. Diese ist meist an der Wasseroberfläche vom Belüftungsraum abgetrennt und mit einem Schwimmschlammentnehmer ausgestattet. Die eingeblasene Luft dient hierbei nicht nur zur Vorbelüftung des Abwassers, sondern auch zur Flotation von Fett und Öl. Hinter dem Sandfang separat angeordnete Abscheider erreichen eine gründlichere Entfernung von Ölen und Fetten. Diese speziellen Entfettungs- und Entölungsanlagen sind z.B. Längsölabscheider und Parallelplattenabscheider und werden vorwiegend in der gewerblichen und industriellen Vorreinigung eingesetzt.

 

 

 

Das Vorklärbecken ist ein Absetzbecken, das die zu zwei Dritteln aus organischen Bestandteilen bestehenden sedimentierbaren Stoffe aus dem zufließenden Abwasser entfernen soll. Damit werden die weiteren Reinigungsstufen vor Beeinträchtigungen geschützt und von Schmutzstoffen entlastet. Die Vorklärung wird häufig auch zusätzlich dazu benutzt, den aus der biologischen Reinigungsstufe angefallenen Überschussschlamm mit einzudicken. Hierfür wird der Überschussschlamm dem Zulauf der Vorklärung zugeführt. Dadurch fällt eine größere biologische Reststoffmenge aus der Vorklärung an. Diese ist bei einer Biogasnutzung aus der Schlammfaulung als positiv zu bewerten. Wird ein Großteil an biologischen Stoffen bereits in der Vorklärung ausgeschieden, so sinkt der Sauerstoffbedarf für die nachfolgenden Reinigungsstufen, da die biologischen Stoffe keinem aeroben Abbau mehr unterworfen sind. Die Vorklärleistung hängt von den nachfolgenden Reinigungsverfahren ab. Folgt der Vorklärung ein Tropf- oder Tauchkörperverfahren (biologische Reinigungsverfahren), so ist eine weitgehende Abtrennung suspendierter Stoffe bereits in der Vorklärung erwünscht. Diese Stoffe könnten nämlich evtl. die Tropf- oder Tauchkörper verstopfen und somit die Reinigungsleistung und den Abwasserdurchsatz vermindern. Folgt jedoch ein Belebungsverfahren (biologisches Reinigungsverfahren), so ist eine solche Abtrennung nicht im selben Umfang erforderlich, da die schwereren partikulären Stoffe die Eindickung des Belebtschlamms im Nachklärbecken unterstützen. Außerdem werden diese Stoffe als zusätzliche Quelle organischer Verbindungen für die Denitrifikation benötigt. Die erforderliche Leistung der Vorklärung ist somit auf die nachgeschalteten Reinigungsstufen abzustimmen.

 


 

 

Biologische Abwasserbehandlung

 

 

Die biologische Abwasserreinigung entfernt organische Schmutz- und Schadstoffe aus dem Abwasser. Hierbei finden mikrobiologische Vorgänge statt. Mikroorganismen, wie z.B. Bakterien und Protozoen, zersetzen dabei die wasserverunreinigenden organischen Substanzen. Alle Verfahren der biologischen Abwasserreinigung sind den natürlichen Abbauvorgängen in Gewässern nachempfunden. Die biologische Abwasserreinigung kann eingeteilt werden in:

  • natürliche biologische Reinigungsverfahren
  • Biofilmverfahren
  • Belebungsverfahren

Es gibt folgende natürliche biologische Reinigungsverfahren:

  • Rieselfelder
  • Abwasserteichverfahren
  • Planzenkläranlagen

Rieselfelder bestehen aus Verrieselungsanlagen, mit denen das Abwasser auf vorbereiteten Feldern verrieselt wird und dort versickert. Heute haben sie in Deutschland keine Bedeutung mehr. Die letzten Anlagen wurden Anfang der 90er Jahre außer Betrieb genommen.

 

Abwasserteichverfahren besitzen meist nur einfache Erdbecken mit oder ohne Druck- oder Oberflächenbelüftung. Im kommunalen Bereich werden sie nur in kleinen Gemeinden angewandt. Eine Ausnahme bilden dabei die Schönungsteiche, die teilweise noch zur weitergehenden Behandlung von bereits biologisch gereinigtem Abwasser eingesetzt werden. Dadurch wird die erzielte Wassergüte zusätzlich erhöht.

 

Pflanzenkläranlagen, wie z.B. Pflanzenbeetkläranlagen und bewachsene Bodenfilter, werden seit einigen Jahren als natürliche Verfahren eingesetzt. Sie können Reinigungsleistungen wie große technische Anlagen erbringen, sind jedoch in Deutschland wegen des relativ großen Flächenbedarfs eher nur für kleine Anschlusswerte geeignet. Es handelt sich dabei meist um sandige bis kiesige Bodenkörper, die mit unterschiedlichen Sumpfpflanzen, wie z.B. Schilf, Binsen, Rohrkolben, Seggen, Schwertlilien u.a., bewachsen sind.

 


 

Biofilmverfahren sind Verfahren mit festsitzender Biomasse. Diese sitzt als dünner Biofilm auf einer Bewuchs- bzw.Aufwuchsfläche fest. Die Reinigungsleistung wird durch das Angebot an Bewuchsflächen bestimmt, weshalb auch häufig zur Dimensionierung, die Abbauleistung pro Fläche Biofilm benötigt wird. Bei allen Biofilmverfahren muss die Biomasse einerseits im Kontakt mit dem Abwasser stehen, andereseits mit Sauerstoff versorgt werden. Biofilmverfahren lassen sich unterscheiden in:

  • Tropfkörper
  • Rotationstauchkörper
  • getauchte Festbetten
  • biologische Filter (Biofilter)
  • Fließ- bzw. Wirbelbetten
  • Schwebebetten

 

 

Es gibt unterschiedliche Arten von Tropfkörpern:

  • Schwachlasttropfkörper
  • Spül- oder Hochlasttropfkörper
  • Turmtropfkörper

Schwachlasttropfkörper stellen das historisch älteste technische Verfahren der Abwasserreinigung dar. Das Abwasser wird hierbei von oben auf das biologisch bewachsene Füllmaterial (Lavaschlacke, harte Koksschlacke, wetterfester Gesteinsschotter, Klinkerbrocken oder Kunststoffkörper) aufgebracht und durchrieselt diese in engem Kontakt. Dabei gelangen die Nährstoffe durch Austausch des Haftwassers und mittels Diffusion zu den Bakterien. Die Nährstoffe werden teilweise abgebaut und in Biomasse umgewandelt. Es können sich im Tropfkörper aber auch Celiaten (Wimpertierchen), oder noch höher entwickelte Nematoden (Fadenwürmer), Milben und Insektenlarven aufhalten, welche die Biomasse abbauen. Dies führt dann zu einem weitergehenden Abbau organischer Stoffe zu anorganischen Verbindungen. Diese Tropfkörper sind nur schwach zu belasten, d.h. mit niedriger Raumbelastung1 zu betreiben. Sie benötigen deshalb sehr große Bauvolumen und haben somit einen erhöhten Platzbedarf. Dadurch entstehen auch höhere Baukosten.

 

1 Die Raumbelastung ist das Verhältnis von zugeführter organischer Substanzmenge zum spezifischen Tropfkörpervolumen. Dabei ist das spezifische Tropfkörpervolumen das Verhältnis von innerer Oberfläche zum geometrischen Volumen des Tropfkörpers.

 

 

Spül- oder Hochlasttropfkörper erhält man technisch gesehen aus Schwachlasttropfkörper, indem man die Raumbelastung erhöht. Durch die Erhöhung der Beschickungsmenge, wird auch die Spülkraft gesteigert. Der Biofilm verweilt wesentlich kürzer im System, da er schon bei geringerer Schichtstärke vom Bewuchskörper abgeschwemmt wird. Die Artenvielfalt im biologischen System sinkt, und die Mineralisierung geht zurück. Dies ist darin begründet, dass sich nur Organismen mit kurzer Generationszeit entwickeln können. Der Biofilmzuwachs wird täglich ausgeschieden und im nachgeschalteten Absetzbecken sedimentiert. Ein Anstieg der Raumbelastung durch die Zuleitung konzentrierter Abwässer hat zur Folge, dass nur noch eine teilweise Ausspülung der Biomasse stattfindet, da die Spülkraft nicht mehr ausreicht. Dies führt zu Verstopfungen des Tropfkörpers. Kommt es in Bereichen des Tropfkörpers zum Sauerstoffausschluss, so führt das zu unerwünschten anaeroben Prozessen im Tropfkörper. Es entstehen dabei unangenehme Gerüche.

 

 

Turmtropfkörper wurden aus der soeben erwähnten Problematik, der Tropfkörperverstopfung, heraus entwickelt. Hierbei wird die Höhe des Tropfkörpers, bei konstantem Volumen, gesteigert. Die Raumbelastung bleibt somit ebenfalls konstant, während hingegen die Flächenbelastung2 (und damit auch die Spülwirkung) ansteigt. Als Folge besitzen diese Tropfkörper nur noch einen dünnen Biofilm auf dem Füllmaterial, wobei dann der tägliche Biomassezuwachs tatsächlich auch ausgeschwemmt wird. Aufgrund der größeren Höhe steigen natürlich auch die Pumpkosten zur Berieselung des Tropfkörpers.

 

2 Die Flächenbelastung ist die Höhe der aufgebrachten Wassersäule je Zeiteinheit und Tropfkörperoberfläche.

 

 

 

Tropfkörperanlage mit zwei Tropfkörpern und obendrehenden (-gelagerten) Berieselungsröhren

 

 

 

Rotationstauchkörper stellen technisch gesehen die Weiterentwicklung herkömmlicher Tropfkörper dar. Hauptsächlich gibt es Walzentauchkörper und Scheibentauchkörper. Dabei drehen sich diese Tauchkörper langsam in, mit Abwasser durchflossenen, Wannen. Diese Drehung um Ihre Längsachse bewirkt einen ständigen Wechsel an Wasser- bzw. Luftkontakt mit dem Biofilm des Tauchkörpers. Meist handelt es sich bei diesen Anlagen um eine kaskadenartige Anordnung von zwei bis vier hintereinander geschalteten Wannen. Dabei sind in Fließrichtung Tauchkörperbeschaffenheit und Kaskade auf den jeweiligen Verschmutzungsgrad des Abwassers abgestimmt. Durch die Anordnung von Kaskaden werden die Wirkungen von Stoßbelastungen vermindert. Scheibentauchkörper sind bzgl. ihrer Betriebskosten besoders interessant, da sie nur etwa 20-30 %  des Gesamtenergiebedarfs des Belebungsverfahrens (s.u.) benötigen.

 

 

 

Anlagen mit getauchten Festbetten bestehen aus einem oder mehreren Reaktorbecken. Darin befinden sich unter Wasser fest installierte Aufwuchskörper, die von Mikroorganismen besiedelt werden. Hier ist ebenfalls eine Kaskadenbauweise vorteilhaft, damit sich in den verschiedenen Reinigungsprozessen entsprechende Biozönosen unterschiedlicher Zusammensetzung entwickeln können. Die Beschaffenheit des Festbettmaterials muss sicherstellen, dass das nährstoffreiche Abwasser und die durch das Festbett hindurch strömende Luft zur Oberfläche des Biofilms gelangen, und der überschüssige Schlamm abgeführt werden kann. Mittels einer Gitterstruktur des Festbetts ist dies bestens zu bewerkstelligen, da man somit vertikal und horizontal eine größtmögliche Durchlässigkeit erzielt. Die Belüftung wird flächenhaft unter dem Festbett angebracht, um einen optimalen Sauerstoffeintrag und eine ausreichende Spülwirkung zu erzielen.

 

 

 

Biologische Filter bzw. Biofilter sind Festbettreaktoren mit körnigem Füllmaterial, bei denen Filtration und biochemischer Abbau kombiniert sind. Biofilter können prinzipiell zur Kohlenstoffelimination, Nitrifikation, Denitrifikation und Phsophorelimination eingesetzt werden. Es sind nur die sog. Raumfilter zur Biofiltration geeignet. Ein Nachteil der oftmals eingesetzten Filtersysteme liegt im diskontinuierlichen Betrieb, da die Biofilter in zyklischen Abständen rückgespült werden müssen. Dies ist deshalb erforderlich, da sonst die zurück gehaltenen Feststoffe und die sich vermehrende Biomasse nicht ausgetragen werden. Es gibt daher auch Sonderformen von kontinuierlich gespülten Raumfiltern, die somit verfahrenstechnisch einen Übergang zu den Fließbettverfahren darstellen.

 

 

 

Das biologische Fließ- bzw. Wirbelbett wurde in den 70er Jaren in den USA entwickelt und besitzt als Kernstück einen Reaktor. Dieser besteht aus einem Behälter, der nur teilweise mit Partikeln (vornehmlich Sand) gefüllt ist. Durch den Düsenboden wird das mit Sauerstoff angereicherte Abwasser von unten in den Behälter gedrückt. Hierbei ist die Aufströmgeschwindigkeit so groß, dass das Biofilm-Trägermaterial in der Schwebe bleibt. Da die Abwasserzulaufmenge meist für die benötigte Aufströmgeschwindigkeit nicht ausreicht, muss ein Vielfaches vom Zulauf im Umlauf gefördert werden. Ein Vorteil dieses Systems liegt im Raum- und Zeitgewinn, infolge der höheren Konzentration an Biomasse von bis zu  50 kg TS / m3 (TS=Trockensubstanz). Die Partikel mit der größten Biomasse schwimmen aufgrund ihrer geringeren spezifischen Dicht oben auf und werden dort dem Reaktor entnommen. Sie werden in speziellen Trennvorrichtungen (z.B. Zyklone3 und Klassierer4), bis auf einen Restbewuchs, gereinigt und dem Reaktor rückgeführt. Der überschussschlamm wird abgeführt.

 

3 Zyklone sind Fliehkraftabscheider, bei denen die Dichte der Körper für eine schnelle räumliche Trennung ausgenutzt wird.

4 Klassierer werden zur Fest-Flüssig-Trennung eingesetzt (meist im Schneckenbetrieb)

 

Anmerkung:  Beim Fließ- bzw. Wirbelbettverfahren fließt das Abwasser nicht den direkten Weg von Einleitung zum Vorfluter, sondern es wird ein vertikaler Aufstrom im Reaktorinnern erzeugt, wodurch die Aufwuchskörper in Schwebe gehalten werden. Eine treffendere Verfahrensbezeichnung wäre deshalb z.B.: Aufström- bzw. Wirbelbettverfahren.

 

 

 

Anlagen mit Schwebebetten bestehen aus einem oder mehreren Reaktorbecken, in denen die Aufwuchskörper als schwimmende Materialien eingebracht sind. Diese werden durch Wasserbewegung und Belüftung von unten in Schwebe gehalten. Auch hier ist eine Unterteilung in Kaskaden sinnvoll. Dadurch unterbleibt, beim Fortschreiten des Reinigungsprozesses in Fließrichtung, eine Vermischung der Aufwuchskörper.

 

 

Beispiele für Biomasse-Träger in Schwebebetten

 


 

 

 

Das Belebungsverfahren wurde 1914 in England entwickelt und ist von Imhoff in Deutschland eingeführt worden. So wurde die erste Belebungsanlage in Essen-Rellinghausen 1926 durch den Ruhrverband in Betrieb genommen. In den Industrieländern ist das Belebtschlammverfahren heute das wichtigste biologische Abwasserreinigungsverfahren, das in verschiedenen Varianten eingesetzt wird.

 

 

 

Grundprinzip der Belebung:

 

Eine weitgehende Selbstreinigung von Gewässern benötigt in der Regel (i.d.R.) mehrere Tage. Dies liegt einerseits an der geringen Anzahl der im Wasser befindlichen Mikroorganismen, andererseits an dem hohen Verdünnungsverhältnis der organischen Schmutzstoffe. Dabei bilden die Schmutzstoffe die Nahrungsgrundlage der Mikroorganismen. Zusätzlich zu diesen Nährstoffen benötigen sie für den aeroben Abbau Sauerstoff.

 

Beim Belebungsverfahren werden dem Abwasser Mikroorganismen, in Form von Belebtschlamm aus dem Nachklärbecken zugeführt. Dieser Belebtschlamm wird deshalb häufig auch als Rücklaufschlamm oder Impfschlamm bezeichnet. Er enthält in konzentrierter Form aerob abbauende Mikroorganismen, vornehmlich Bakterien. Der Belebtschlamm adsorbiert und oxidiert die im Abwasser gelösten organischen Stoffe, oder baut diese zu neuer Zellsubstanz um. Hierbei wird ein Teil des Belebtschlamms von sich selber verzehrt. Beim Belebungsverfahren wird der natürliche Selbstreinigungsprozess des Wassers nachempfunden und technisch verbessert.

 

Im Belebungsbecken selbst, werden Abwasser und Schlammflocken gemischt und belüftet. Im Gegensatz (Ggs.) zu den Biofilmverfahren, bewegen sich die Mikroorganismen im Abwasser als frei suspendierte Bakterienflocken. Der natürliche Reinigungsprozess intensiviert sich hierdurch, das auf den besseren Nährstofftransport zurückgeführt werden kann.

 

Die Reinigungsleistung kann auch dadurch intensiviert werden, indem die Anzahl der am Abbau beteiligten Organismen erhöht wird. Hierbei darf allerdings, zur Sicherung des Abbaus durch möglichst alle Mikroorganismen, die Sauerstoffkonzentration ein bestimmtes Minimum nicht unterschreiten. Der Bedarf an Sauerstoff richtet sich nach dem  BSB5- Abbau  und der belüfteten Schlammmenge. Ist genügend Luft vorhanden, so kann der Belebtschlamm seine volle Abbauleistung entwickeln. Der Sauerstoffverbrauch hängt von der Schlammbelastung5 ab.

 

5 Die Schlammbelastung ist der Quotient aus Raumbelastung in [g BSB5 / (m3BB. d)] und Schlammgehalt  TSBB in [g TS / m3BB].

 

(BB = Belebungsbecken,  d = Tag,  BSB5 = Biolochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen)

 

Anmerkung: Der  BSB5  ist der Verbrauch an gelöstem Sauerstoff bei  20° C  innerhalb von 5 Tagen in [ mg O2 / l ], (aufgrund biologischer Stoffwechselvorgänge).

 

 

 

Sauerstoffeintrag:

 

Der Sauerstoffeintrag in das Wasser ist umso größer, je niedriger Wassertemperatur und Sauerstoffkonzentration sind. Durch feinste Dispergierung von Gasbläschen lässt sich der Sauerstoffeintrag erhöhen. Des selben Effekt erzielt man unter Verwendung von Reinsauerstoff, der allerdings vergleichsweise teuer ist. Ein hoher Gehalt an gelöstem Saerstoff ist wichtig, da es aufgrund unterschiedlicher Schlammalter auch unerschiedliche Größen von Bakterienflocken gibt. Ist der Schlamm relativ alt, so sind die Bakterienflocken groß. Die an der Flocke außen angesiedelten Bakterien erhalten genügend Sauerstoff von den an ihnen vorbeistreifenden Sauerstoffbläschen und dem gelösten Sauerstoff im Wasser. Die Bakterien im Innern der Flocke jedoch werden durch ihre umgebenden Artgenossen von den Sauerstoffbläschen abgeschirmt, und nur der im Wasser gelöste Sauerstoff kann sie erreichen. Das Abwasser ist somit also gleichzeitig das Transportmedium für gelösten Sauerstoff und Nährstoffe. Der entsprechend am Abbauprozess aktiv beteiligte Anteil der Bakterienflocke ist von ihrer Größe abhängig.

 

Im Belebungsbecken sollte überall eine Sauerstoffkonzentration von  1-3 [g/l]  vorhanden sein. Da am Beckeneinlauf meist mehr Sauerstoff benötigt wird, erfolgt auch im ersten Beckenabschnitt ein größerer Lufteintrag als zum Ende des Beckens hin. Die Luft kann aber auch, über die gesamte Beckenlänge gesehen, gleichmäßig zugeführt werden, sofern eine sog. verteilte Abwasserführung zum Einsatz kommt. Hierbei wird das Abwasser gleichzeitig auf mehrere Stellen des Belebungsbeckens verteilt.

 

Der aus dem Nachklärbecken in das Belebungsbecken rückgegebene Impfschlamm ist dort feinst im Abwasser zu dispergieren, so dass die Konzentration des belebten Schlammes ca. 3 - 6 [ g TS / l ]  beträgt. Die Größe der Bakterienflocken reduziert sich durch die Feinstverteilung im Abwasser. Die vormals teilweise innen angesiedelten Bakterien sitzen nun wieder außen, und können nun ebenfalls am Abbauprozess teilnehmen. Die gesamte Abbauleistung wird dadurch erhöht. Die Belüftung dient aber nicht nur zur Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen, sondern auch zur Durchmischung des Beckeninhalts. Dabei werden die Bakterienflocken in Schwebe gehalten, und die Bakterien haben stets Zugang zu den Nährstoffen im Abwasser.

 

Die Mikroorganismen verbrauchen für folgende Vorgänge Sauerstoff:

  • Oxidation der Stickstoffverbindungen (N)
  • Substratatmung beim Kohlenstoffabbau (= Gesamtatmung abzgl. der endogenen Atmung, --> Biomasseaufbau)
  • endogene Atmung (eigene Atmung, ohne Substratzufuhr, ---> Biomasseabbau)

 

 

Möglichkeiten der Belüftung:

 

Der Lufteintrag in das Belebungsbecken kann unterschiedlich erfolgen und lässt sich einteilen in:

  • Oberflächenbelüftung
  • Druckbelüftung
  • kombinierte Belüftung

Bei der Oberflächenbelüftung wird dem Abwassser die Luft mechanisch zugeführt. Die Zuführung erfolgt oberhalb des Wasserspiegels, mittels ein oder mehrerer Oberflächenbelüfter. Dabei erfolgt der Sauerstoffeintrag durch in Wasser eingetragene Luftbläschen, oder über eine Abwasserversprühung in der Luft. Es entsteht somit eine große Kontaktfläche zwischen Luft und Abwasser, die durch schnelles Umwälzen ständig erneuert wird. Die Walzenbelüftung ist ein angewandtes Verfahren der Oberflächenbelüftung, bei dem das Belebungsbecken möglichst in eine gerade Anzahl an Rinnen aufgeteilt ist. Hierbei sind die, sich zur Beckenwand hin drehenden, Walzenkörper an den Längsseiten des Beckens auf Konsolen befestigt. Es sind vier bis fünf Walzen, mit einer jeweiligen Länge von 3-6 m, hintereinander angeordnet. Sie werden mit einem Getriebemotor auf Drehzahlen von  100-120 U/min  gehalten. Diese Belüftungsmöglichkeit wird z.B. beim Kessener-Becken verwendet. Eine andere Möglichkeit der Oberflächenbelüftung stellt der Mammutrotor dar, der in Umlauf- und Durchlaufbecken verwendet wird und dabei quer zur Hauptfließrichtung des Abwassers wirkt. Durch den sich drehenden Rotor wird Luft in das Abwasser eingetragen, und eine Durchmischung im Becken erzeugt. Der Rotor besitzt einen Durchmesser von 1 m, und ist vor Spritzwasser geschützt. Eine weitere Möglichkeit der Oberflächenbelüftung stellen Kreiselbelüfter dar, die häufig in größeren Kläranlagen ihren Dienst verrichten. Es handelt sich dabei um Becken mit runder oder quadratischer Grundfläche. Darin ist jeweils in der Mitte eine vertikale Welle mit Kreisel angeordnet. Der Kreisel wird von einem, auf der Brücke installierten, Getriebemotor angetrieben. Von der Beckensohle aus, wird das Abwasser in einem Strudel angesogen und mit dem Kreisel radial über die Wasseroberfläche geworfen, bzw. geschleudert. Häufig werden sie deshalb auch Wurfkreisel genannt. Der Lufteintrag in das Abwasser findet durch das Auftreffen der Wasserstrahlen auf die Wasseroberfläche statt.

 

Die Geräuschdämmung bei Oberflächenbelüftern ist, aufgrund ihrer Systemanordnung, nur schwierig und unvollständig zu bewerkstelligen.

 

 

Bei der Druckluftbelüftung sind Eintragstiefe, Größe der Luftblasen und Turbulenz im Belüftungsbecken entscheidend. Die komprimierte Luft wird in das Abwasser eingeblasen und erzeugt somit feine aufsteigende Luftbläschen. Diese sind für den Sauerstoffeintrag und die Abwasserumwälzung verantwortlich. Die Belüfter sind dabei meist an der Längsseite der Beckensohle angebracht. Sie erzeugen dann, zusammen mit dem Fließstrom des Abwassers, eine spiralförmige Umwälzströmung in Längsrichtung des Beckens. Dazu sind i.d.R. die Becken, bzgl. ihrer Geometrie, mit Abschrägungen und Ausrundungen zu versehen, um somit eine störungsfreie Querströmung zu ermöglichen. Mit einer flächenhaften Druckbelüftung lässt sich aber auch eine totale Durchmischung erreichen. Die Abbauleistung im Abwasser ist um so besser, je feiner die eingeblasenen Luftbläschen sind. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten des Lufteintrags, wie z.B. über Düsen, Platten, Rührkreisel, mittels Unterdruckwirkung oder im Gegenstrom-Prinzip. Die wohl gebräuchlichste Methode ist der Eintrag über Filterrohre. Dabei können die Filterrohre als Membranfilter, Lochfilter, keramische Filter oder Düsenrohre ausgebildet sein.

 

Bei diesen Anlagen darf die Luftzufuhr nicht abgestellt werden, deshalb arbeiten sie mit zwei Gebläsen. Fällt ein Gebläse aus, so arbeitet das andere weiter, und die Schlammzusetzung der Filteröffnungen wird dadurch verhindert. Es ist auch für die Haltbarkeit der Filterplatten und Filterrohre wichtig, dass die darin beförderte Luft entstaubt und trocken ist. Ansonsten wüden sich die Filter von innen zusetzen, bzw. es kommt zu Korrosionen innerhalb der Anlage. Für den unterbrechungsfreien Beckenbetrieb sind sogar herausschwenkbare Filterrohre entwickelt worden. Sie können bei Bedarf während des Betriebs herausgenommen und gereinigt oder ausgewechselt werden.

 

 

Die kombinierte Belüftung nutzt gleichzeitig sowohl mechanische Umwälzung als auch Drucklufteintragung. Bei reinen Druckluftbecken ist für die Umwälzung des Beckeninhalts sehr viel Druckluft erforderlich. Die zusätzlich angeordnete machanische Umwälzung soll somit den Umwälzanteil der Druckluft ersetzen. Als Vertreter kann der Turbinenbelüfter genannt werden, bei dem im unteren Beckenteil ein Belüftungsrohr-Ring angebracht ist. Hierdurch tritt die Druckluft in großen Blasen in das Becken. Direkt über der Austrittsöffnung ist an einer vertikalen Welle ein Rührkreisel angeordnet, derdie Blasen im Abwasser fein verteilt und auch die Umwälung bewerkstelligt. Der Aero-Accelerator verwendet ebenfalls diese Anordnung. Ferner gibt es bewegliche Belüftungseinrichtungen, bei denen sich die Luftaustrittsrohre im Gegenstrom über die Beckensohle bewegen. Dabei lassen sich Luftmenge und Fahreschwindigkeit getrennt regeln. Eine weitere Möglichkeit sind Tauchbelüfter, die an der Beckensohle aufgestellt oder hängend betrieben werden können. Hierbei saugt eine Turbine die Luft oberhalb des Wasserspiegels über eine Ansaugleitung an. Das gleichzeitig in die Turbine strömende Abwasser vermischt sich dort mit der Luft, wobei sie sich in kleine Blasen aufteilt. Über einen Leitkranz wird das Gemisch wieder radial unter Wasser ausgetragen und erzeugt somit den Lufteintrag und die Gemischumwälzung.

 

 

 

Bauformen der Becken:

 

Der Belebtschlamm wird im Belebungsbecken mit dem Abwasser vermischt und in Suspension gehalten. Eine weitere Aufgabe erfüllt das Belebungsbecken mittels Zuführung und Vermischung von Luft mit der Suspension. Sie sind die Grundlagen für den aeroben Substratabbau durch Mikroorganismen. Es lassen sich somit im aeroben Milieu Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette, Seifen und Chemikalien effektiv abbauen. Dennoch ist aber für ausreichende Turbulenz, Umwälzung, oder Strömungsgeschwindigkeit zu sorgen, damit die Biomasse in Suspension bleibt. Dabei beeinflussen sowohl Belüftungsart als auch Betriebsform die Geometrie des Belebungsbeckens. Die wichtigsten Becken lassen sich in folgende Bauarten unterscheiden:

  • Druckluftbecken
  • Umlaufbecken
  • Becken mit Wurfkreiseln
  • Kessener-Becken
  • Rührwerkbecken mit Zusatzluft
  • Sauerstoffbegasung

In Druckluftbecken wird die Belüftung mittels Druckluft vorgenommen. Dabei wird die Luft, durch gleichmäßig an der Sohle verteilte Filterdome, Filterkerzen oder Filterplatten, eingeblasen. Es kann aber auch sein, dass die Lufteinblasung über die Längsseite eines langgestreckten Beckens erfolgt. Der Beckeninhalt wälzt sich infolgedessen um. Beispiele hierfür sind das Hurd- oder Manchester-Becken, sowie das Inka-Becken von Fischerström und Gullström. Bei letzterem tritt allerdings die Luft aus  0,8 m  unter dem Wasserspiegel liegenden, gelochten Rohren oder Kästen aus.

 

    Umwälzbecken Hurd                       Umwälzbecken Inka                                                       Haworth-Rinnen

 

In Umlaufbecken wurde damals das Wasser- und Belebtschlammgemisch von Schlagrädern angetrieben und von Haworth in Sheffield, als langgestreckte, schlangenförmige hin- und hergeführte Wasserrinnen ausgeführt. Sie belüften punktuell im Becken, wobei Teile des Abwassers mehrfache Umläufe erzielen. Inzwischen gibt es Weiterentwicklungen wie den Oxidationsgraben und das Carrousel. Stab- und Käfigwalzen dienen beim Oxidationsgraben als Belüftung und als Antrieb für die Wasserumwälzung. Beim Carrousel sind ein oder mehrere vertikale Kreiselbelüfter angeordnet. In anderen Fällen wid die Luft durch Unterwasserpropeller getrennt an der Sohle eingeblasen, um so die Wasserumwälzung zu erzwingen. Umlaufbecken sind Belebungsbecken mit einem internen Kreislauf. Die Becken oder Gräben sind dabei parallel angeordnet und an den Enden miteinander verbunden.

 

Becken mit Wurfkreiseln besitzen Kreiselbelüfter. Dies sind Oberflächenbelüfter mit einer, sich an einer senkrecht stehenden Welle drehenden, kreisrunden Scheibe. Diese besitzt aufgesetzte Bleche bzw. Leitkanäle, die im Betrieb das Abwasser aufnehmen und durch die Luft werfen. Bei diesem Vorgang findet der Lufteintrag statt. Der Kreisel hebt dabei das Schlammgemisch von der Sohle und wirft es fein verteilt über die Wasseroberfläche. Bekannte Vertreter sind der Bolton-Kreisel oder das Simplex-Verfahren, mit einem in der Beckenmitte stehendem Rohr inkl. Wurfkreisel.

 

             Bolton- oder Simplex-Kreisel                             Kessener-Becken                        Rührwerkbecken mit Zusatzluft

 

Beim Kessener-Becken ist an einer Längsseite des Beckens, an der Wasseroberfläche, eine Bürstenwalze angebracht. Diese sorgt für Belüftung und Umwälzung des Schlammgemisches. Stabwalze und Mammutrotor sind Weiterentwicklungen der Bürstenwalze. Dabei kann man maximal, bei einem Rotordurchmesser von 1 m, eine stündliche Sauerstoffeintragsleistung von  7 kg / lfm  Rotorlänge annehmen, wobei jedoch das betriebliche Optimum darunter liegt.

 

Im Rührwerkbecken mit Zusatzluft verrichtet ein Rührwerk, das in der Längsachse des Langbeckens angebracht ist, seinen Dienst. Zusätzlich erfolgt eine Druckbelüftung an einer der Beckenlängsseiten. Diese Bauart kommt hauptsächlich Dann zum Einsatz, wenn die herkömmliche Druckbelüftung nicht zur vollständgen Umwälzung und Vrwirbelung ausreicht. Dabei ist die Rotationsbewegung des Rührwerks den aufsteigenden Luftbläschen entgegen gerichtet.

 

Die Sauerstoffbegasung war früher aufgrund der teuren Sauerstofferzeugung kaum gebräuchlich. Über neue Herstellverfahren lässt sich Sauerstoffgas mittlerweile günstiger produzieren, wodurch der Einsatz von Reinsauerstoff zur Belüftung wirtschaftlicher geworden ist. Die Belebungsbecken werden dabei abgedeckt, um den eingesetzten Sauerstoff weitgehend auszunutzen. Durch die Benutzung von Reinsauerstoff ergibt sich ein kompakterer Schlamm, weshalb die Anlagen auch etwa doppelt so hoch belastet werden können. Dieses Verfahren ist somit für hohe Abwasserkonzentrationen gut geeignet. Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise liegt im relativ geringen Platzbedarf. Es ist ferner, aufgrund der Abdeckung, bei Anfall von geruchsintensiven Abwässern einsetzbar. Allerdings hat die Beckenabdichtung den Nachteil, dass bei einer  CO2-Anreicherung im Becken zu Betonkorrosionen6 kommen kann.

 

Sauerstoffbegasungsanlage

 

Vorgänge der 6Betonkorrosion: 

 

1. Ca(OH)2 + CO2 --> CaCO3 + H2O

CaCo3 ist härter, und ein schwerer lösliches Kalziumkarbonat

2. CaCO3 + CO2 + H2O --> Ca(HCO3)2

leicht lösliches Ca-Hydrogencarbonat, das über das Wasser aus dem Beton herausgelöst wird ---> Gefügelockerung im Beton !!


 

 Ca(OH)2 = gelöschter Kalk = Kalziumhydroxid im Beton,   CO2 =  Kohlenstoffdioxid 

 

Wie bei einigen Biofilmverfahren ist bei den Belebtschlammverfahren auch eine kaskadenartige Anordnung der Mischbecken möglich. So kann man z.B. das Volumen eines Mischbeckens in eine Mischbeckenkaskade aufteilen. Somit ändert sich, bei einer sprunghaften Zulaufkonzentrationsänderung, die Ablaufkonzentration zuerst langsamer und dann schneller, als bei einem einzelnen Mischbecken mit dem gleichen Gesamtvolumen. Konzentrationssprünge im Zulauf werden deshalb besser abgefangen. Darum ist die Mischbeckenkaskade dem herkömmlichen Mischbecken deutlich überlegen. Man verwendet daher in der praktischen Abwassertechnik i.d.R. eine Folge von Mischbecken.


 

Arten der Belebungsverfahren:

 

Die Belebungsverfahren lassen sich einteilen in:

  • einstufige Verfahren
  • zwei- und mehrstufige Verfahren

 

Zu den einstufigen Verfahren gehören z.B. das einfache bzw. ursprüngliche Belebungsverfahren, das SBR-Verfahren, das CAST-Verfahren, das Biocos-Verfahren und das Membran-Belebungsverfahren.

 


 

 

Beim einfachen Belebungsverfahren wird das mit Schmutzstoffen versetzte Abwasser eingeleitet. Über den Rücklaufschlamm, aus dem Nachklärbecken, wird das Belüftungsbecken mit Mikroorganismen versorgt. Bei der Belüftung wird das Abwasser mit Sauerstoff angereichert und das Abwasser-Belebtschlammgemisch gleichzeitig umgewälzt. Die Mikroorganismen erhalten somit Nährstoffe in Form von aerob abbaubaren organischen Substanzen, Sauerstoff zur Atmung und Oxidation der Substrate, und werden durch die Umwälzung im Abwasser in Schwebe gehalten. Somit sind die grundlegenden Lebensbedingungen für die Mikroorganismen geschaffen. Sie können sich nun vermehren und durch ihre Aktivität das Abwasser reinigen. Der Durchfluss durch das Belebungsbecken erfolgt kontinuierlich, mit Hilfe der hydraulischen Verdrängung. Das Gemisch aus Abwasser und Belebtschlammflocken gelangt dabei in das Nachklärbecken (NKB). In diesem Absetzbecken setzt sich nun der Schlamm gravitationsbedingt ab. Ein konstanter Teil des sedimentierten Schlammes wird  20-50 mal dem Belebungsbecken rückgeführt. Bei jeder Kreislaufführung entsteht im Belebungsbecken durch Biomasseaufbau zusätzlicher Schlamm. Dieser wird zur Kreislaufführung nicht benötigt und ist deshalb überschüssig. Er wird daher als Überschussschlamm bezeichnet, aus dem Nachklärbecken abgezogen, und der weiteren Schlammbehandlung zugeführt. Belebungsbecken und Nachklärbecken bilden somit eine Reinigungsstufe.

 

Fließschema des einfachen Belebungsverfahrens

 

Die Reinigungsqualität hängt auch davon ab, wie gut sich die Biomasse im Nachklärbecken vom Wasser trennen lässt. Die zeitlich begrenzte Sedimentation, in Form von Absetzeigenschaften der Mikroorganismen, ist hierfür verantwortlich. Bei hochbelasteten Abwässern werden die Grenzen der Leistungsfähigkeit beim einfachen Belebungsverfahren schnell erreicht, da der Sauerstoffeintrag physikalisch begrenzt ist. Dies kann durch Volumenvergrößerung des Beckens und/oder reiner Sauerstoffbegasung kompensiert werden. Hierbei steigen dann die Betriebskosten an, insbesondere bei der Sauerstoffbegasung. Die Belebungsbecken werden heute meist mit  4-5 m  Tiefe aus Stahlbeton realisiert. Für größere Volumen steigen somit auch die Investitionskosten. 

 

 

Das SBR-Verfahren7 ist eine Variante des Belebungsverfahrens, die sich seit Anfang der 90er Jahre in Deutschland durchzusetzen begann. Sie wird vor allem zur Reinigung von Industrieabwässern, wie z.B. Molkereien und Wäschereien, aber auch in kommunalen Klärwerken eingesetzt. Alle nachfogenden Prozesse finden dabei in einem Becken statt. Das Nachklärbecken entfällt somit. Ein Zyklus umfasst die folgenden Phasen:

  • Füllen des Beckens
  • Durchmischen von Abwasser und Belebtschlamm
  • Belüftung für den aeroben Abbau
  • Sedimantation der Belebtschlammflocken, bzw. Dekantierung8
  • Abzug des Überschussschlamms
  • Abzug des gereinigten Abwassers
  • optionaler Stillstand bzw. Warten auf Befüllung

7 SBR bedeutet hierbei Sequencing Batch Reactor bzw. sequentielles biologisches Reinigungsverfahren 

8 Die Dekantierung ist die Trennung von Flüssigkeit und den abgesetzten Feststoffen

 

Hierbei sind meist zwei oder mehrere Becken bzw. Bioreaktoren parallel angeordnet. Dies ist deshalb notwendig, da i.d.R. ein kontinuierlicher Abwasserzufluss zur Kläranlage erfolgt.

 

Früher wurden Pumpen, Schieber und Belüfter von Hand geschaltet, weshalb es oft zu Fehlschaltungen kam. Deshalb wurde das Verfahren in eine kontinuierlich durchströmte Anlage mit anschließendem Nachklärbecken und problemloser Schlammrückführung umgestaltet. Somit war das einfache Belebungsverfahren geboren.

 

Inzwischen gibt es aber drei weiterentwickelte Varianten des SBR-Verfahrens:

  • kontinuierliche Wasserzuführung,
  • alternierende Beschickung und
  • Kurzzeit-Beschickung.

Bei der kontinuierlichen Wasserzuführung wird meist nur ein Becken verwendet. Hierbei fließt das Abwasser in den Phasen Füllen, Durchmischen, Belüften und Sedimentieren dem Becken stetig zu, wobei das Ablaufventil dabei geschlossen bleibt. Der Wasserspiegel hebt sich bis zu einer oberen Wasserstandmarke, bei der die Belüftung ausgeschaltet wird. Es kann sich nun der Belebtschlamm absetzen. Danach wird das Ablaufventil geöffnet, und das Wasser kann bis zu einer unteren Wasserstandsmarke abfließen, bevor das Ablaufventil erneut schließt. Hierbei fließt natürlich , einschließlich der Sedimentierungsphase, ungereinigtes Abwasser dem Becken zu. Dieses hat somit keine Zeit mehr, um von den Mikroorganismen gereinigt zu werden. Unerwünscht fließt also auch ungereinigtes Abwasser mit ab. Somit ist dieses Verfahren nur dann tragbar, wenn darauf eine weitere biologische Reinigung folgt.

 

Für die alternierende Beschickung werden mindestens zwei Becken benötigt. Das Abwasser wird in das erste Becken eingeleitet, bis dieses gefüllt ist. Danach folgt direkt die Füllung des zweiten Beckens. Nach dem Befüllen des jeweiligen Beckens folgen darin die Phasen Durchmischen, Belüften und Sedimentieren. Nachteilig wirkt sich dabei ein variabler Abwasserzufluss aus. D.h. wird das zweite Becken, z.B. bei Mischwasserzufluss schneller voll als die Phasen zeitlich als Summe im ersten Becken benötigen, so muß der Reinigungsvorgang im ersten Becken abgebrochen werden, wenn anlagentechnisch kein Auffangbecken installiert wurde. Andererseits ist das erste Becken bereits leer und in Wartephase, falls das Füllen des zweiten Beckens wegen geringem Zufluss länger gedauert hat. Dies ist einerseits bzgl. der Reinigung unbefriedigend, andererseits bzgl. des Betriebs unwirtschaftlich. Durch die parallele Anordnung zusätzlicher Becken kann zwar die Reinigungsleistung gesichert werden, aber dadurch steigt der Faktor für Unwirtschaftlichkeit bei geringem Abwasserzufluss an.

 

Bei der Kurzzeit-Beschickung werden die Becken aus einem speziellen Vorlagebehälter mit Abwasser beschickt. Dieser ist meist über Kopf angeordnet, wodurch ein schnelles Befüllen der Becken mit nur geringem Energieaufwand sichergestellt wird. Bei diesem Verfahren soll so die Prozessabfolge von biologischer Reinigung, Sedimentation und Klarwasserabzug unabhängig von wechselnden Abwasserzuflussvolumina zur Kläranlage gemacht werden. So lässt sich durch das schnelle Befüllen der Becken, innerhalb kurzer Zeit, für optimale Ausgangsbedingungen zur Bildung absetzbarer Belebtschlämme sorgen. Dies liegt daran, dass auch schneller eine maximale Konzentration der organischen Substanzen im Abwasser erreicht wird. Allerdings wirkt sich der Vorlagebehälter nachteilig auf die Investitionskosten aus.

 

 

Das CAST-Verfahren ist eine Modifizierung des SBR-Verfahrens. Es wurde als zyklisch betriebenes Belebungsverfahren für den Einsatz in Großkläranlagen entwickelt, und wird z.B. bereits in Australien für Anlagen bis 400.000 EGW eingesetzt. In der ersten Phase, die ca. zwei Stunden dauert, erfolgt die Befüllung des Beckens. Gleichzeitig erfolgt die Belüftung des Abwassers. Danach beginnt der Absetzvorgang, der ungefähr eine Stunde dauert. Während des Absetzvorgangs fließt das Abwasser dem Becken weiter zu, bis die obere Wasserstandsmarke erreicht ist. Im Anschluss folgt dann die dritte Phase als Klarwasser-Abzugsphase, mit etwa einer Stunde Dauer. Mit Hilfe von Tauchpumpen wird der Überschussschlamm direkt abgepumpt. Bei diesem Verfahren werden weder Nachklärbecken noch Räumer und Rührwerke verwendet. Dies schlägt sich positiv auf die Investitions- und Betriebskosten nieder. Ein Teil der Kosteneinsparungen relativiert sich allerdings wieder, da bei diesem Verfahren das Becken mit Hilfe von Zwischenwänden in drei unterschiedlich große Bereiche unterteilt wird. Hierdurch soll eine Vermischung des ungereinigten Abwassers mit dem Klarwasser der dritten Zone verhindert werden. Der Beckenbereich des Klarwassers beansprucht dabei den meisten Platz.

 

 

Das Biocos-Verfahren kann als Kombination, aus einfachem Belebungsverfahren und SBR-Verfahren, gesehen werden. Anstelle des Nachklärbeckens sind nach dem Belebungsbecken zwei SU-Becken9 parallel zueinander angeordnet. In jedem Becken findet der, aus vier Phasen bestehende, Betriebszyklus statt.

 

Die S-Phase ist die Phase der Rückführung des eingedickten Schlammes aus dem SU-Becken in das Belebungsbecken. Das dadurch verdrängte Volumen im Belebungsbecken wird über eine Verbindungsöffnung zum SU-Becken hin ausgeglichen. Hierfür ist wenig Energie erforderlich, da beide Becken hydraulisch miteinander verbunden sind und nahezu gleiche Wasserspiegel besitzen.

 

In der U-Phase erfolgt eine Umwälzung, die nur wenige Minuten dauert. Dabei wird der Schlamm aufgerührt und im SU-Becken ein nahezu homogener Zustand erzeugt. Am Ende dieser Phase befindet sich im Belebungsbecken eine deutlich höhere Schlammkonzentration als im SU-Becken. Einerseits ist dies gut für die biochemischen Prozesse im Belebungsbecken, andererseits wird der Absetzvorgang des Schlammes im SU-Becken begünstigt. (Ein loser, offener Schlammteppich setzt sich leichter u. schneller ab, als ein vollständig geschlossener)

 

Während der V-Pase setzt sich der Schlamm im SU-Becken ab. Diese Vorabsetzphase beginnt direkt nach der Beruhigung des Beckeninhalts. Der Schlammspiegel senkt sich dabei mit nahezu konstanter Geschwindigkeit  vS  ab. Der Schlamm wirkt dabei als Flockenfilter und filtert bei seiner Abwärtsbewegung kleine Schwebeteilchen mit aus. Darüber bildet sich dann eine immer stärker werdende Klarwasserschicht. Die Filterwirkung reduziert den CSB10-Wert des Ablaufs zusätzlich, was sich besonders günstig für eine nachfolgende Entkeimung (z.B. mit UV-Bestrahlung) auswirkt. Diese setzt nämlich einen feststofffreien Ablauf voraus.

 

Die A-Phase ist die Klarwasserabzugsphase, in der das gereinigte Abwasser oben aus dem Ablauf des SU-Beckens fließt. Dabei senkt sich der Wasserspiegel im SU-Becken. Durch die bodennahe Verbindungsöffnung, vom Belebungsbecken her, strömt das Abwasser nach. Die darin enthaltenen Belebtschlammflocken werden jedoch durch den absinkenden Schlammfilter am Aufsteigen gehindert. Ein entsprechend gestalteter Abzug verhindert eine Abfließen von unzureichend gereinigtem Abwasser.

 

Im SU-Becken laufen in allen vier Phasen biochemische Prozesse ab. Ist Nitrit bzw. Nitrat im Abwasser vorhanden, so kann mit einer speziellen endogenen Denitrifikation gerechnet werden. Die hinter dem Belebungsbecken parallel zueinander angeordneten SU-Becken durchlaufen dabei innerhalb eines entsprechenden Zeitintervalls unterschiedliche Phasen. Damit soll sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt der Abfluss nahezu konstant, und möglichst quantitativ gleich dem Zufluss ist. Nur so ist das Durchflussprinzip aufrecht zu erhalten und eine gleichmäßige Belastung des Vorfluters gewährleistet.

 

Bei Großkläranlagen mit einer Mio. EGW werden z.B. zehn sog. Biocos-Straßen parallel zueinander angeordnet. Eine Biocos-Straße besteht dabei aus dem Belebungsbecken und zwei SU-Becken.

 

Es gibt auch dreiphasige Biocos-Anlagen, bei denen die ersten beiden Phasen zusammen genommen werden und gleichzeitig ablaufen. Bei diesen Anlagen handelt es sich meist um Kläranlagen mit ca. 1.000 EGW.

 

9 SU-Becken ist die Bezeichnung für ein Sedimentations- und Umlaufbecken

 

10CSB ist der chemische Sauerstoffbedarf in  [ mg O2/l ]

 

 

Beim Membran-Belebungsverfahren werden die Membran-Module direkt im Belebungsbecken durchflossen. Es kann sich dabei aber auch um ein separates Becken handeln, welches dann von dem Gemisch aus Abwasser und Belebtschlamm durchflossen wird. Für die Gewährleistung des Durchflusses ist die Membrananlage für einen maximal auftretenden Abwasserzulauf zu bemessen. Damit die Membranen nicht durch die Feststoffe verstopfen, muss bei diesem Verfahren eine leistungsfähigere Vorreinigung stattfinden als bei den herkömmlichen Belebungsverfahren. Dies kann z.B. mittels Einsatz von Porensieben mit einer maximalen Durchlässigkeit von  0,5 mm  erreicht werden. Ferner sind auch mit einer, bereits in der Vorklärung integrierten, Vorfällung gute Ergebnisse erzielt worden. Im Ggs. zu herkömmlichen Belebungsverfahren mit  3-5 g/l TS (TS=Trockensubstanz) an Belebtschlammkonzentration, können hierbei TS-Gehalte im Belebungsbecken mit  10-20 g/l  erreicht werden. Dies liegt an der Unabhängigkeit der Biomassekonzentration vom Sedimentationsverhalten. Somit ist auch ein kleineres Beckenvolumen wählbar.

 

Die Anfallmenge an Überschussschlamm entspricht dem der herkömmlichen Belebungsanlage. Auch sind mit Membran-Belebungsanlagen geringere Ablaufkonzentrationen erreichbar, und im filtrierten feststofffreien Abwasser lässt sich eine deutliche Reduzierung an gefährlichen Inhaltsstoffen feststellen. Die Wiederverwendungsmöglichkeiten des Abwassers werden dadurch erhöht.

 

Es ist aber zu beachten, dass spezielle Spüleinrichtungen, und auch Chemikalien wie Natriumhydrochlorid oder Wasserstoffperoxid, zur Membranreiniguung erforderlich sind. Diese wirken sich kostenverursachend aus. Ferner ist ein guter Sauerstoffeintrag notwendig, aufgrund der höheren Biomassekonzentration.


 

 

Bei den zwei- oder mehrstufigen Belebungsverfahren werden zwei oder mehrere Belebungsstufen hintereinander geschaltet. Hierbei besitzt jede Stufe ein eigenes Nachklärbecken und der Rücklaufschlamm kreist ausschließlich nur innerhalb der jeweiligen Stufe. Manchmal wird sogar dabei das Vorklärbecken weggelassen. Dadurch fließt der Abwasserschlamm direkt in das erste Belüftungsbecken. Der belebte Schlamm wird deshalb in der ersten Reinigungsstufe stark belastet und setzt sich dann im ersten Nachklärbecken, auch Zwischenklärbecken genannt, ab. Er wird als Rücklaufschlamm in das erste Belebungsbecken abgezogen, wobei der überschüssige Schlamm aus dem System entfernt wird.

 

Bei einer zweistufigen Anlage wird der Belebtschlamm des ersten Belüftungsbeckens durch den Überschussschlamm aus der zweiten biologischen Stufe aufgefrischt. Aufgrund der geringeren Belastung der zweiten Stufe ist dieser Überschussschlamm jünger und gesünder. Die günstigen Anwendungen einer Belebungs-Belebungs-Kombination (B+B) sind unter dem Menüpunkt <Aufbau> dargestellt.

 

 

Zweistufiges Belebungsverfahren

 

L1, L2   =  Lüftungsbecken der jeweiligen Stufe                            U1  =  Überschussschlamm, der das System verlässt

A1, A2  =  Nachklärbecken der jeweiligen Stufe                             U2  =  Überschussschlamm für das Belebungsbecken  L1

R1, R2  =  Rücklaufschlämme innerhalb der jeweiligen Stufe

 

 

 

Ein weiteres Verfahren mit zwei Stufen ist das A-B-Verfahren. Dieses Adsorptions-Belebungsverfahren wurde von Böhnke ab 1977 entwickelt und angewendet. Es besteht aus einer hoch belasteten ersten Stufe und einer normal belasteten zweiten Reinigungsstufe. Beide Stufen werden dabei strikt voneinander getrennt, so dass sich unterschiedliche Biozönosen ausbilden können. Die Schlammkreisläufe sind somit ebenfalls voneinander unabhängig, und der entsprechende Rücklaufschlamm verbleibt in der jeweiligen Stufe.

 

Der Überschussschlamm wird jedoch, im Ggs. zur vorigen B-B-Kombination, aus beiden Kreisläufen abgezogen und komplett aus dem System entfernt. In der ersten Reinigungsstufe werden qualitative und quantitative Belastungsänderungen abgefangen, wodurch die zweite Stufe eine gute Prozessstabilität erhält. In der ersten Stufe sollte dabei ein Wirkungsgrad der BSB-Eliminierung von etwa höchstens 70% angestrebt werden. Ansonsten sind in der zweiten Stufe nicht mehr genügend abbaubare Substanzen verfügbar, die für Nitrifikation und Denitrifikation wichtig sind.

 

 

A-B-Verfahren

 

 BB    =  Belebungsbecken                              R1, R2   =  Rücklaufschlamm der jeweiligen Stufe                            

 ZKB  =  Zwischenklärbecken                        ÜS1, ÜS2 =  Überschussschlamm der jeweiligen Stufe, der das System verlässt

 NKB  =  Nachklärbecken

 


 

Chemische Abwasserbehandlung

 

 

In der chemischen Abwasserreinigung (dritte Reinigungsstufe) soll, bei ungünstigen Vorflutverhältnissen oder Kläranlagen ab 5.000 EGW, die Entfernung der Phospor- und Stickstoffverbindungen aus dem Abwasser sichergestellt werden. Damit eliminiert man die Nährstoffe für den Pflanzenwuchs. Phosphor fördert dabei den Algenwuchs und wirkt sich somit sauerstoffzehrend au das Wasser aus. Dies kann zur Eutrophierung von Gewässern und zu qualitativen Geruchs- und Geschmacksverlusten bei Trinkwasserentnahmen führen.

 

Es werden in der chemischen Abwasserreinigung meist solche Chemikalien eingesetzt, die eine Flockenbildung von Feststoffen unterstützen. Die so entstandenen größeren Flocken können dann besser vom Abwasser abgetrennt werden. Die Menge der dem Abwasser zugesetzten Metallsalze wird dabei so dosiert, dass die Löslichkeit der Metallhydroxide wesentlich überschritten wird. Sie fallen als Feststoff-Flocken aus, in denen dispergierte, suspendierte Teilchen eingeschlossen sind. Diese größeren, wasserreichen Aggregate an suspendierten Stoffen und Metallhydroxiden lassen sich anschließend sedimentieren. Bei optimalem Betrieb verbleiben die gelösten organischen Stoffe im Abwasser.

 

 

Schema einer chemischen Abwasserreinigung

 

 

Dabei kann die chemische Abwasserreinigung zwischen Fällung und Flockung unterschieden werden.

 

Bei der Fällung werden dem Abwasser Chemikalien zugesetzt, die die gelösten Salze in unlösliche Feststoffe (Salze) umwandeln. Diese werden dann im Anschluss durch Sedimentation vom Abwasser getrennt. Die wohl wichtigste Fällung ist die Phosphatfällung. Sie erfolgt bei der chemischen Phosphorelimination mit Hilfe von Eisen-, Aluminium- oder Kalziumsalze. In Europa werden jedoch Kalziumsalze zur Phosphatfällung eher selten eingesetzt. Die Endprodukte der Fällung sind flockige, suspendierte Stoffe. Diese können durch Sedimentation zusammen mit anderen Schlämmen abgetrennt werden. Als Folge der Fällung verringern sich die gelösten Phosphate im Abwasser. Allerdings nimmt die Schlammproduktion dadurch zu.  

 

Die chemische Phosphorelimination lässt sich einteilen in:

  • Vorfällung
  • Simultanfällung
  • Nachfällung

 

Bei der Vorfällung wird das Fällmittel in den Zufluss der Vorklärung gegeben. Es unterstützt dort durch Flockung mitunter auch die Elimination suspendierter Stoffe. Die Leistung des Vorklärbeckens wird dadurch erhöht. Allerdings ist der Fällmittelbedarf hoch, da verschiedene andere Prozesse (z.B. Flockung) mit der Fällung konkurrieren. Durch die Aufgabe, das Phosphor zu entfernen, werden damit auch die nachfolgenden Verfahrensstufen entlastet. In seltenen Fällen kann die Vorfällung als eigenständige Abwasserreinigung eingesetzt werden. Hierfür dürfen aber die Anforderungen an das gereinigte Abwasser nicht hoch sein. Dieser Umstand kann, z.B. beim Vorhandensein eines leistungsfähigen Vorfluters, vorliegen. Alte bzw. bereits bestehende Kläranlagen können einfach mit der Vorfällung nachgerüstet werden. Allerdings wird eine nachfolgende Denitrifikation erschwert, da nach der Vorfällung weniger organisch gebundener Kohlenstoff im Abwasser vorhanden ist. Die Vorfällung erhöht den Schlammanfall.

 

 

Die Fällmittel werden, bei der Simultanfällung, mit in die biologische Abwasserreinigung gegeben. Die Fällungsprodukte werden dabei in den biologischen Schlamm eingeschlossen. Diese Systemanordnung der Fällung kommt heute, von den drei beschriebenen Möglichkeiten, am häufigsten zum Einsatz, da sie bei genügender Dosierung eine zuverlässige Leistung erbringt und bzgl. Installation und Betrieb einfach handhabbar ist. Es wird, durch die Rezirkulation der Metallsalze im Rücklaufschlamm, eine gute Ausnutzung des Fällmittels erreicht. Ferner führen die Metallsalze zur Beschwerung des Schlammes und wirken gegen die Blähschlammproduktion. Für den Einsatz sind nur geringe bauliche Veränderungen notwendig. Auch hier ist der Schlammanfall erhöht, jedoch geringer als bei der Vorfällung. Es ist darauf zu achten, dass die sauren Metallsalze nicht den pH-Wert im Belebungsbecken absenken.

 

 

Die Nachfällung findet in speziellen Bauwerken, hinter der biologischen Abwasserreinigung, statt. Hauptsächlich wird eine Flockungsfiltration eingesetzt, in der die Fällungsprodukte mittels Filtration ausgeschieden werden. Die Nachfällung wird häufig nach einer Simultanfällung, als sog. zweite Fällungsstufe, angewendet. Hierbei wird das Fällmittel hinter dem Nachklärbecken in ein Mischbecken dosiert. Diesem ist ein Flockungsbecken und ein Absetz- oder Flotationsbecken nachgeschaltet. Der Umstand verursacht damit höhere Baukosten, und durch den gesonderten Reinigungsprozess wird zusätzlicher Schlamm produziert. Vorteilhaft ist allerdings, dass bei der Nachfällung der biologische Reinigungsprozess nicht beeinflusst wird.

 

 

Die nachteiligen Eigenschaften der chemischen Phosphorelimination lassen sich mit dem erforderlichen Chemikalienzukauf und der zusätzlich produzierten Menge an Klärschlamm beschreiben, welche sich dadurch kostenverursachend auswirken. Die eben erwähnten Nachteile besitzt eine biologische Phosphorelimination nicht. Ferner ist, bei allen Möglichkeiten der Fällmittelzugabe, auf die richtigen Aufenthaltszeiten in den entsprechenden Vorklärbecken, Belebungsbecken und Nachklärbecken zu achten. Hinsichtlich der Phosphatfällung ist die Nachfällung am wirksamsten. Die soeben erwähnten Fällverfahren lassen sich allerdings auch kombinieren, so dass z.B. an zwei unterschiedlichen Punkten in der Kläranlage jeweils eine Fällung stattfindet. Man spricht dann von einer Zweipunktfällung. In der Praxis besteht die Zweipunktfällung aus der Kombination von Simultan- und Nachfällung. Diese Anordnung besitzt einen besseren Wirkungungsgrad und dient zusätzlich zum Schutz eines etwaigen Flockungsfilters.

 

 

Bei der Flockung werden dem Abwasser Chemikalien zugesetzt, die mit unterschiedlichen Mechanismen die Abstoßungskräfte einzelner Feststoffe untereinander verringern. Es kommt so zur Flockenbildung bzw. zum Feststoffzusammenschluss. Die Flockungsfiltration wird nur dann eingesetzt, wenn hohe Anforderungen von  0,5-0,1  mg P / l  (mg Phosphor je Liter) an die Ablaufkonzentration gestellt werden. Dabei lassen sich Konzentrationswerte aus diesem Intervall, durch die Kombination der Flockung mit einer Simultan- oder Nachfällung, erreichen.

 

Meist laufen in der chemischen Abwasserreinigung die beiden Prozesse, Fällung und Flockung, gemeinsam ab. In der Praxis hat es sich als sinnvoll erwiesen, die Optimierung von Fällungsreaktion und Flockungsvorgang gleichermaßen zu berücksichtigen.

 


--->  Informationen zur biologischen P-Elimination bzw. N-Elimination finden sie oben, unter dem Menüpunkt <N/P-Elimination>

 


 


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