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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Belüften
von Wasser, wobei im Wasser mehrere Wasserbelüfter angeordnet sind, die über Versorgungsleitungen
mit Luft beschickt werden, wobei die Luft aus den Wasserbelüftern in
das umgebende Wasser austritt. Die Erfindung betrifft ferner eine
Vorrichtung zum Durchführen
dieses Verfahrens.
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Derartige Verfahren werden z. B.
in Belebtschlammbecken von Abwasserbehandlungsanlagen verwendet,
um Mikroorganismen, die das Wasser reinigen sollen, mit Sauerstoff
zu versorgen. Die Wasserbelüfter
sind so ausgebildet, dass sie die Luft in feinen Bläschen an
das Wasser abgeben. Häufig kommt
dabei ein Typ von Wasserbelüfter
mit einer elastischen Membran aus Gummi oder dgl. zum Einsatz, wobei
die Membran feine Schlitze aufweist, die sich durch den Luftdruck öffnen und
die Luft abgeben, die sich jedoch wieder schließen, wenn der Luftdruck zu
gering ist, so dass nach Abschalten der Anlage ein Eindringen von
Fremdkörpern,
Verschmutzungen usw. verhindert wird. Nach Verlassen der Belüfter steigen
die Luftbläschen
senkrecht nach oben zur Wasseroberfläche auf. Nur während dieses
Aufsteigens sind sie für
die Wasserbelüftung
nutzbar. Um die Luft besser nutzen zu können, hat man daher bereits
vorgeschlagen, durch quer gerichtete Strömungen im Wasser die Luftblasen
von ihrem geraden Weg abzulenken und so ihren Aufenthalt im Wasser zu
verlängern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
einem Verfahren der eingangs genannten Art die in das Wasser eingebrachte
Luft noch besser zu nutzen und somit den Wirkungsgrad des Verfahrens
zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren
entsteht eine Verwirbelung der Strömung, die zum einen dafür sorgt,
dass die Luftblasen lange unter der Wasseroberfläche gehalten werden. Zum anderen
wird durch eine erhöhte
Turbulenz die Erneuerung der Luft/Wasser-Grenzfläche an der Einzelblase beschleunigt.
Das letztere ist ein besonders wichtiger Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
da dadurch der Sauerstoffaustausch im Grenzbereich zwischen Luftblase
und Wasser erhöht
wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die höhere Luftmengenabgabe
der einen Teilmenge von Wasserbelüftern dadurch erreicht, dass
die andere Teilmenge von Wasserbelüftern abgeschaltet oder mit einer
geringeren Luftmenge versorgt wird, so dass letztere keine oder
weniger Luft abgeben. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass sie durch einfache Mittel verwirklicht werden
kann, z. B. durch steuerbare Ventile in den Leitungen, die die jeweiligen
Wasserbelüfter
mit Luft versorgen.
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Es liegt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
mehr als zwei Stufen für
die für
die Intensität
der Luftabgabe vorzusehen. Wichtig ist jedoch, dass ein ständiger Wechsel
zwischen einzelnen Belüftern
oder Gruppen von Belüftern erfolgt.
Dabei ist es aber auch möglich,
dass einzelne Belüfter
oder Gruppen von Belüfter
während
der gesamten Betriebszeit mit konstanter Luftabgabe arbeiten.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sind die Wasserbelüfter
zwei Teilmengen zugeordnet, die Luft im Wechsel zueinander in unterschiedlich
großer
Menge abgeben. Vorzugsweise werden die beiden Teilmengen alternierend
an- und abgeschaltet. Vorzugsweise gehören benachbarte Waserbelüfter oder
Gruppen von Waserbelüftern
jeweils unterschiedlichen Teilmengen an.
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Werden die Belüfter nun abwechselnd an- und
abgeschaltet, bildet sich kurzfristig über den abgeschalteten Belüftern eine
Strömungswalze
mit nach unten gerichteter Strömung
aus. In diesem Moment werden die abgeschalteten Belüfter wieder
angeschaltet, die abwärts
gerichtete Strömung
kommt erst zum Stillstand und ändert
dann die Richtung. Der Betrieb dieser Art verlängert die Aufenthaltszeit der Luftblasen
maßgeblich,
da sich keine stehenden Strömungswalzen
ausbilden können.
Weiterhin kommt es durch die häufige
Strömungsumkehr
zu einer erhöhten
Turbulenz im Bereich der auf- und absteigenden Blasenströme.
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Die alternierend angesteuerten Belüfter können größere oder
kleinere Abstände
zur Ausbildung dieser Strömungsform
haben. Die Taktzeit muss den Gegebenheiten der Beckengeometrie,
der Belüftertypen,
Wassertiefe, Abwasserviskosität
und anderen Betriebsparametern individuell angepasst werden. Dieses
Regelverhalten kann z. B. durch einen selbstlernenden Regelmechanismus
optimiert werden.
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Für
das abwechselnde An- und Abschalten der Belüfter sind kurze Taktzeiten
vorteilhaft. Als besonders vorteilhaft haben sich Taktzeiten zwischen 10
und 60 Sekunden erwiesen.
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Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
sind den Belüftern
bzw. Gruppen oder sich überschneidende
Gruppen von Belüftern
unabhängig
voneinander ansteuerbare Ventile vorgeschaltet. Die Anordnung dieser
Belüfter
auf dem Beckenboden eines Belebungsbeckens, an einem in das Becken
absenkbaren Traggestell oder dgl. ist vorzugsweise streifenartig
gestaltet, wobei ein Streifen jeweils durch eine Gruppe von Belüftern gebildet ist,
die in einer Linie oder in mehreren parallel zueinander angeordneten
Linien sind und gleichzeitig zu- oder abgeschaltet werden können. Grundsätzlich kann
diese geometrische Forderung mit allen gängigen Belüftertypen, wie Teller-, Rohr-,
Platten-, Streifen-, Brett- oder sonstigen Belüftern, erfolgen. Durch die
wechselseitige Ansteuerung sind Belüfter der oben erwähnten Art
mit flexiblen Membranmaterialien wie Gummi oder dergl. gegenüber Belüftern aus im
wesentlichen steifen Materialien, wie porösen Keramiken oder porösen Thermoplasten
zu bevorzugen, um eine im laufenden Betrieb erfolgende schleichende
Verstopfung zu verhindern.
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Um die Strömungsverhältnisse zusätzlich günstig zu beeinflussen, können nach
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung zwischen den Belüftern
bzw. Gruppen von Belüftern
Leitbleche, Wände
oder dergl. angeordnet sein.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass es auch bei vielen bereits bestehenden Anlagen
angewendet werden kann, wobei an vielen dieser Anlagen nur geringe Änderungen
und Nachrüstungen
erforderlich sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner auch
insofern vorteilhaft, da Belüftungssysteme meist
nur im Teillastbetrieb gefahren werden. In vielen Anwendungsfällen benötigen die
Belüftungssysteme
Reserven zum Ausgleich von Belastungs schwankungen, so dass Regelbereiche
von 1 zu 5 bis 1 zu 10 üblich
sind. Bei geringer Beaufschlagung gasen die Belüfter unregelmäßig ab und
neigen auch zu erhöhter
Verstopfung. Durch die Verringerung der jeweils in Betrieb befindlichen
Belüfter,
wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren
bewirkt wird, kann die Mindestbeaufschlagung der Belüfter im
Teillastbereich erreicht werden. Darüber hinaus kann bei einem Betrieb
eines Belüftersystems
durch Reduzierung der Einschaltdauer der einzelnen Belüfter bzw. Belüftergruppen,
evtl. auch durch vollständiges
Abschalten von Belüftern
erreicht werden, dass die Mindestbeaufschlagung nicht unterschritten
wird.
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Es versteht sich ferner, dass das
erfindungsgemäße Verfahren,
auch wenn vorstehend stets von Luft und Wasser die Rede war, auch
zum Transport von anderen Gasen, z. B. von reinem Sauerstoff, geeignet
ist, und dass mit ihm nicht nur Wasser, sondern auch andere flüssige oder
im wesentlichen flüssige
Medien begast werden können.
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren
ist es unerheblich, ob die Belüfter
bzw. Belüftergruppen von
einem oder mehreren Verdichtern oder dergl. mit Luft versorgt werden.
Unerheblich ist auch, ob die Versorgung der Belüfter mit Luft über eine
oder mehrere Zuleitungen erfolgt. Wenn nur eine Versorgungsleitung
zur Verfügung
steht, kann die alternierende Versorgung der Belüfter bzw. der Belüftergruppen durch
das abwechselnde Betätigen
der jeweils zugeordneten Ventile erreicht werden. Wenn jeder Belüftergruppe
jeweils ein Verdichter oder dergl. mit getrennter Zuleitung zugeordnet
ist, können
die Ventile entfallen. Der alternierende Betrieb der Anlage kann dann
durch abwechselndes An- und Abschalten der Verdichter oder dergl.
bzw. durch den Betrieb der Verdichter in wechselnden Teillastbereichen
erreicht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden
anhand der Zeichnungen näher
erläutert werden,
in der zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtungen dargestellt sind. Es zeigen
in schematischer Darstellung:
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1 eine
Draufsicht auf ein Becken mit einem Belüftersystem,
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2 eine
zu 1 alternative Ausführung des
Belüftersystems
in der Draufsicht,
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3 eine
weitere Ausführungsform
des Belüftungssystems
und
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4 einen
Querschnitt durch das Belüftersystem
gemäß 3.
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In einem Becken 1, das z.
B. ein Belebtschlammbecken einer Abwasserbehandlungsanlage sein
kann, sind Wasserbelüfter 2 angeordnet.
Die Belüfter 2 können von
einer Hauptleitung 3 aus mit Luft versorgt werden. Die
Luft kann durch einen oder mehrere in der Leitung 3 angeordneten
Verdichter vorgespannt werden (nicht dargestellt). Die Belüfter haben
poröse
Wandungen oder Gummimembranen mit feinen Schlitzen, über die
die Luft in das umgebende Wasser austreten kann.
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Die Wasserbelüfter 2 sind zu Gruppen 4, 5, 6 und 7 zusammengefasst,
wobei einen Gruppe jeweils aus zwei parallelen Reihen 8 und 9 von
Wasserbelüftern 2 besteht.
Die Luftversorgung erfolgt jeweils über eine Leitung 10,
die sich in zwei Leitungen 11 und 12 aufspaltet,
die den Reihen 8 und 9 zugeordnet sind. Die Leitungen 10, 11 und 12 können durch
steife Rohre gebildet sein, die gleichzeitig zur Befestigung der
Wasserbelüfter 2 dienen.
Die Wasserbelüfter 2 können z.
B. rohrförmig
sein und sich quer zu den Leitungen 11, 12 nach
beiden Seiten erstrecken.
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Die Ventile 14, 15, 16 und 17 sind
von außen ansteuerbar.
Sie können
z. B. elektromagnetisch betätigbar
sein. Durch eine besondere Steuerung der Ventile kann die Anlage
nun im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens
betrieben werden. Dazu werden in ständigem Wechsel entweder die
Ventile 14 und 16 geöffnet und die Ventile 15 und 17 geschlossen,
oder die Ventile 14 und 16 werden geschlossen und
die Ventile 15 und 17 geöffnet. Somit werden entweder
die Belüftergruppen 4 und 6 mit
Luft beschickt, während
die jeweils benachbarten Gruppen 6 und 7 abgeschaltet
sind, oder die Verhältnisse
werden umgekehrt. Die sich herausbildenden Strömungsmuster werden dabei ständig in
neue Richtungen gezwungen, so dass es zu einer intensiven Verwirbelung kommt.
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Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens
können
auch die Belüfter-Gruppen 4 und 5 gleichzeitig
und im Wechsel mit den Belüfter-Gruppen 6 und 7 betrieben
werden. Das Abschalten jeweils einer oder mehrerer Belüfter-Gruppen
und das in Betrieb nehmen einer beliebigen Anzahl anderer Belüfter-Gruppen bildet eine
weitere Betriebsmöglichkeit.
Auch ist es möglich,
die Anzahl und die Zugehörigkeit
einzelner Belüfter
zu einer Belüfter-Gruppe
zu variieren. Im Sinne der Erfindung ist nicht nur das Ab- und Anschalten
von Belüfter-Gruppen
oder einzelner Belüfter,
sondern auch der alternierende Betrieb mit wechselnder Luftbeaufschlagung,
z. B. der Betrieb mit 20% und 60% der maximalen Luftbeaufschlagung
im Wechsel. In jedem Fall können
auch die Taktzeiten variieren. Während
in 1 lediglich vier
Belüfter-Gruppen
dargestellt sind, können
bei größeren Anlagen
selbstverständlich
auch noch mehr Belüfter
vorgesehen sein, wobei allein wichtig ist, dass eine Teilmenge dieser
Belüfter
im Wechsel mit einer anderen Teilmenge zu- und abschaltbar ist.
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In 2 ist
eine Belüfteranlage
mit einer gegenüber 2 abgewandelten Anordnung
der Leitungen dargestellt. Bei dieser Anlage sind zwei Leitungssysteme 21 und 22 mit
ihren Abzweigungen verschränkt
zueinander angeordnet. An den Abzweigungen befinden sich die Belüftungselemente 2.
Jedem Leitungssystem 21, 22 ist jeweils ein Ventil 23 bzw.
24 vorgeschaltet. Für
einen Betrieb gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird entweder das Ventil 23 geöffnet und das Ventil 24 geschlossen, oder
das Ventil 24 geöffnet
und das Ventil 23 geschlossen. Die Anlage gemäß 2 hat den Vorteil, dass
der Aufwand bezüglich
der Ventile besonders gering ist.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind zwei Gruppen von
Belüftern 2 zu
sehen, die über Ventile 33 und 34 unabhängig voneinander
mit Luft beschickt werden können.
Die Belüftungselemente können bei
diesem Beispiel Tellerbelüfter sein.
Zwischen den Gruppen 31 und 32 ist ein Leitblech 35 angeordnet.
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In 4 ist
der Fall dargestellt, wo die Gruppe 32 mit Luft beschickt
wird, während
die Gruppe 31 ruht. Die Luftblasen, die aus den Belüftungselementen 2 austreten,
haben die Tendenz, im Sinne des Pfeils 36 zur Wasseroberfläche 37 aufzusteigen.
Dieses führt
zur Ausbildung einer Strömung
im Wasser im Sinne der Pfeile 38, die das Leitblech 35 umkreist. Diese
Strömung
stößt jedoch
auf eine ähnliche,
jedoch entgegengesetzte Strömung,
die dem Wasser durch den vorherigen Betrieb der Belüfter-Gruppe 31 aufgeprägt worden
ist und die in der Zeichnung durch gestrichelte Pfeile 39 angedeutet
ist. Dabei bilden sich Wirbel 40, die zu dem durch die
Erfindung angestrebten intensiven Stoffaustausch führen.