Während in den sechziger Jahren bei der kommunalen Abwasserbehandlung vorrangig Oberflächenbelüftungssysteme mit Kreiseln und Walzen eingesetzt werden, finden sich heute auf modernen Abwasserbehandlungsanlagen fast ausschließlich feinblasige Druckluftbelüftungssysteme.
Ausführungsformen der mechanischen oder Oberflächenbelüftung: Die Formgebung des Belebungsbeckens muss auf die Art der Oberflächenbelüftung (Rotor oder Kreisel) abgestimmt werden, damit ein größtmöglicher Sauerstoffeintrag und Sauerstoffertrag bei ausreichender Umwälzgeschwindigkeit erzielt wird. Nachfolgend werden übliche Ausführungsformen von mechanischen Belüftungssystemen mit den entsprechenden Belebungsbeckenformen unterteilt in:
- Rotoren in Umlaufbecken
- Kreisel in Mischbecken
- Kreisel in Umlaufbecken
dargestellt und konstruktive Einzelheiten diskutiert.
Rotoren in Umlaufbecken
Die Entwicklung der Oberflächenbelüftung als Alternative zur Druckluftbelüftung begann mit der Kessener-Bürste und der Käfigwalze, die zur Belüftung von Oxidationsgräben eingesetzt wurden. Beide werden heute nicht mehr hergestellt und wurden durch Rotoren mit einem Durchmesser von 0,70 m bzw. 1,0 m ersetzt. Das Belebungsbecken wird als Umlaufbecken mit einer Tiefe bis 3,60 m und einer Beckenkanalbreite bis 10,00 m ausgebildet. Der Abstand der Rotoren untereinander soll etwa 25 m betragen, damit eine strömungsmäßige Beeinflussung zwischen zwei Walzen vermieden wird. Durch Leitwände direkt hinter der Belüftungswalze wird erreicht, dass sauerstoffhaltiges Abwasser auch in tiefere Beckenzonen geleitet wird. Bremsbalken im Zustrom zur Walze sorgen für eine Reduzierung der Strömung im direkten Walzenbereich. Der beschriebene Einbau von Leitwänden und Bremsbalken ist zur Erzielung von hohen Sauerstoffeintrags- und -ertragswerten unerlässlich. Mit einer Energiedichte von 30 bis 40 W/m3 lässt sich eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit von ungefähr 30 cm/s im Umlaufbecken erreichen, so dass sich Belebtschlamm nicht absetzen kann. Durch Abdeckung des direkten Walzenbereichs lassen sich Belästigungen durch Lärm und Aerosole sowie Betriebsprobleme im Winter durch Vereisung der Walze vermeiden. Aufgrund der guten Erfahrungen mit Rotoren in Umlaufbecken wurde dieses Belüftungssystem auch in Belebungsbecken mit einer Tiefe bis zu 7,50 m eingesetzt. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit und zum Transport des Sauerstoffs von der Beckenoberfläche zur Beckensohle werden Rührwerke eingesetzt.
Kreisel in Mischbecken
Gleichzeitig mit der Entwicklung der modernen Rotoren wurde auch der Einsatz von Kreiselbelüftern vorangetrieben. Sie werden in Belebungsbecken mit (annähernd) quadratischem Grundriss eingebaut. Dabei können sowohl offene als auch geschlossene Kreisel eingesetzt werden. In Abhängigkeit des Kreiseldurchmessers beträgt die Tiefe des Belebungsbeckens zwischen 2,50 bis 4,00 m. Die Breite bzw. Länge ist ebenfalls vom Durchmesser des gewählten Kreisels abhängig. Das Verhältnis der Beckenbreite zur Beckentiefe sollte größer vier sein, damit ein wirtschaftlicher Sauerstoffübergang und ausrei-chende Umwälzgeschwindigkeiten im Belebungsbecken erreicht werden können. In Belebungsbecken mit Volumen bis 500 m3 muss zur ausreichenden Umwälzung eine Leistungsdichte von 20 W/m3 installiert sein. Bei einem Beckenvolumen von 2.000 m3 ist nur noch eine Leistungsdichte von 10 W/m3 notwendig. Zur Belüftung größerer Beckeneinheiten ist die Anordnung mehrerer Kreisel in rechteckigen Becken möglich. Zwischenwände zur Abgren-zung einzelner Kreisel sind nicht erforderlich, da sich selbständig hydraulische Grenzlinien bilden und damit eine Zuordnung des Wasserkörpers zum jeweiligen Kreisel gegeben ist. Auf dem Beckenboden, direkt unter dem Kreisel, sollte zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen eine Stahlplatte, evtl. mit einem Leitkreuz, zur Stabilisierung der Strömung eingebaut werden. Zur Verhinderung von Belästigungen durch Aerosole und Lärm sowie Vereisungsproblemen im Winter kann der Kreiselbereich oder das gesamte Belüftungsbecken abgedeckt werden. Eine Verringerung des Sauerstoffzufuhrvermögens durch eine vollständige Abdek-kung des Belebungsbeckens ist nicht zu erwarten.
Kreisel in Umlaufbecken
Bedingt durch die guten Erfahrungen mit der Abwasserreinigung in Umlaufbecken versuchte man auch Kreiselbelüfter in diesem Beckentyp einzusetzen. Dies scheiterte aber daran, dass sich keine gerichtete Strömung im Umlaufkanal einstellen ließ. Erst die Entwicklung des Carrouselbeckens ermöglichte einen wirtschaftlichen Einsatz von Kreiselbelüftern in Umlaufbecken. Die Kreisel sorgen für ausreichende Sauerstoffzufuhr und Strömungsgeschwindigkeiten von ungefähr 30 cm/s im Carrouselkanal, so dass sich kein Belebtschlamm absetzen kann. Dazu ist nur eine sehr geringe und damit wirtschaftliche Leistungsdichte von ungefähr 5 bis 15 W/m3 notwendig. Beckentiefen bis zu 5 m und Kanalbreiten bis 10 m können baulich ausgeführt werden. Die Abdeckung des direkten Kreiselbereichs bewirkt einen wirksamen Aerosol-, Lärm- und Vereisungsschutz.