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Verfahren und Einrichtung zum- Eintragen von Gasen in Flüssigkeiten,
insbesondere zum Belüften von Abwasser Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Eintragen von Gasen als Blasen in Flüssigkeiten; misbesondere zum Belüften von Abwasser
in Belebtschlammanlagen, mit Hilfe von an eine Druckgasleitung angeschlossenen Tauchkörpern
mit Gasaustrittsschlitzen.
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Zum Eintragen von Gasen in Flüssigkeiten sind zahlreiche Verfahren.
und Einrichtungen bekannt. Soweit es sich um die Belüftung von Abwasser, vorzugsweise
in Belebtschlammanlagen handelt, unterscheidet man Verfahren und Einrichtungen,
die Luft nur aus der Oberfläche nehmen, Verfahren und Einrichtungen, bei denen die
Luft in das Wasser hineingeschlagen wird, die sogenannten Druckluftverfahren und
Einrichtungen hierfür und schließlich die, kombinierten Verfahren und die dazugehörigen
Einrichtungen. Als älteste Maßnahme zum Eintragen von Luftsauerstoff in Wasser ist
das Einleiten von Druck-,Glas mittels Tauchrohren in den Flüssigkeitsbehälter bekannt.
Die hierbei aus dem unten offenen Rohr austretenden groben Luftblasen geben während
des Aufsteigens zur Wasseroberfläche, z. B. bei 3 m Wasserweg, nur etwa
6 % ihres 02-Gehaltes an das umgebende Wasser ab. Es entweichen demnach rund
94 % ungenutzt in die Atmosphäre. Preßt man Druckluft durch feinstporige Filterelemente
ins Wasser, was ebenfalls bekannt ist, so entstehen kleinste Bläschen, deren Gesamtoberfläche
je Volumeinheit proportional vergrößert wird (2r = Blasendurchmesser). Infolge
der hierbei vergrößerten Kontaktfläche einerseits und der geringeren Aufstiegsgeschwindigkeit
der kleineren Bläschen andererseits, was gleichbedeutend mit einer vergrößerten
Kontaktzeit ist, ist eine Ab-
sorption von 12 bis 25 % des Sauerstoffgehaltes
unter sonst gleichen Bedingungen erreichbar. Diese Art des Eintragens hat jedoch
den Nachteil, daß insbesondere bei Flüssigkeiten mit suspendierten Schmutzstoffen
oder gelösten Härtebildnern Verstopfungen und Inkrustierungen der Filterporen eintreten,
die zu hohen Druckverlusten führen und den Gasaustritt weitgehend drosseln.
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Es ist eine Erkenntnis, daß zum Erreichen einer ho'hen Gasabsorption
eine möglichst große KontaktflÄche zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Medium
erforderlich ist. Da die Gasabsorption innerhalb der monomolekularen Grenzschicht
in Bruchteilen einer Sekunde ihren Sättigungswert erreicht, in den jedoch nachfolgenden
Schichten die, Gasabsorption so verlangsamt wird, daß z. B. der Sauerstoffgehalt
einer Luftblase von nur 1 mm Durchmesser erst nach 208 Minuten im
ruhenden Wasser absorbiert würde, setzt ein wirtschaftliches Druckgasverfahren den
gleichzeitigen intensiven Austausch der Grenzschichten voraus, wie er vornehmlich
im turbulenten Strömungszustand erreichbar ist. Für Belebtschlammanlagen mit dem
Ziel einer ausreichenden Sauerstoffzufuhr zu den Mikroorganismen, die einmal durch
Assimilation die gelösten Schmutzstoffe in lebende Substanz umbauen und zum anderen
die dispergierten Festatoffe durch Adsorption an sich binden, so daß die Schmutzstoffe
zusammen mit dem überschußbelebtschlamm aus dem Wasser entfernt werden, ergibt sich
zur Erzielung möglichst kurzer Behandlungszeiten die besondere Forderung zur Intensivierung
des Belüftungsverfahrens. Diese besteht in der Erzeugung einer solchen Türbulenz
auch beim Druckluftverfahren, wie sie z. B. mit den Turbulenzrotoren erreicht wird.
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Es ist weiterhin bekannt, zur Belüftung von Ab-
wasser Rohre
mit öffnungen zu verwenden, wobei die öffnungen in den Rohren mit elastischen Plättehen,
vorzugsweise mit dünnen Metallplättchen abgedeckt sind, die beim Luftaustritt in
Schwingung geraten und den Luftstrom entsprechend ihrer Schwingungszahl unterbrechen.
Mit diesen Einrichtungen können aber keine höheren Frequenzen erreicht werden, so
daß, die Luftblasen, die in das Abwasser gelangen, verhältnismäßig groß sind.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile und löst die gesteckte Aufgabe
dadurch, daß das Gas in Form von dünnschichtigen filmartigen Blasen intermittierend
in die Flüssigkeit eingetragen wird.
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Für die stoßweise Eintragung können an sich bekannte technische Mittel
zum Zerhacken einer Strömung eingesetzt werden, z. B. vor den Tauchkörpern, liegende
federbelastete und/oder gesteuerte Ventile oder Drefischieber.
Als
vorteilhafteste Lösung wird jedoch nach der Erfindung der Einsatz Diner Interzepterdüse
mit einer oder mehreren spaltförmigen Gasaustrittsöffnungen angesehen. Jede der
Gasautrittsöffnungen dieser Düse bzw. dieses Tauchkörpers ist von elastisch gegeneinander
beweglichen Wandungen begrenzt, -die ein vorzugsweise mit Tonf#ie)quenz schwingendes
'Schwingsystem bilden. Vorteilhaft ist es, vor den spaltfÖrmigen GasaustrittsöiÜ#aungen
in Form von Ausnehmungen im Tauchkörper am Tauchkörper angeordnete, der jeweiligen
Ausnehmung vorgelagerte, gekrümmte und gegeneinander abgestützte, aus Gewebegummi,
Kunststoff, Kunststoffolien mit Schaumstoffauflage-od. -dgl.- bestehende-Lappen-
zu verwenden, die nachgiebig ausgebildet und vorgespannt sind und/o.der unter Außendruck
stehen.
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Bei derartig ausgebildeten Tauchkörpera vergrößert sich der Gasdurchtrittsquerschnitt
mit zunehmendem Innendruck, jedoch werden im -Betriebsdruckbereich nur Spalte von
etwa 1 TnTn Weite wirksam. Durch Abstimmung der Strömungsquerschnitte, der
Federkonstante, der Größe der beweglichen Massen auf das Volumen des Stauraumes
und der in der Zeiteinheit durchströmenden Luftmenge wird dabei ein schwingungsfähiges
System geschaffen. Die Schwingungen werden dabei dadurch bewirkt, daß eine beschleunigte
Gasströmung in einem sich gesetzmäßig verengenden Spalt infolge der Umwandlung der
potentiellen Druckenergie in kinetische Strömungsenergie im engsten Spaltquerschnitt
einen Unterdruck hervorruft, wodurch die Spaltwandungen durch ihre eigene Spannung
oder auch durch von außen wirksamen Druck zusammengepreßt werden. Dies führt zu
Spaltverengungen, die infolge der Massenträgheit der Wandungen sogar einen vollkommenen
Verschluß hervorrufen können. Mt der Unterbrechung des Gasaustrittes ist auch die
Energieumwandlung beendet, so daß erst der volle Druck bzw. noch ein zusätzlicher
Staudruck in der Staukammer der Düse die öffnung des Spaltes bewirkt und sich dieser
Vorgang periodisch wiederholt. Durch Anwendung eines derartigen Systems ergeben
sich bei Belebtschlammanlagen folgende Vorteile.
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1. Es werden Luftblasen mit extrem großem Verhältnis der wirksamen
Oberfläche in bezug zum Blasenvolumen erhalten, da im Gegensatz zu
einem kontinuierlich
durchströmten Querschnitt hier kein zusammenhängender Luftschlauch, sondern nacheinander
in dichter Folge austretende kleine Luftblasen erzeugt werden. Die periodische Unterbrechung
des Luftaustritts verhindert dabei den Zusammenschluß der einzelnen Luftblasen zu
einer großvolumigen Blase. Im Gegensatz hierzu würde sich bei einer kontinuierlich
durchströmten Düse nur am Austritt ein - Luftschlauchquerschnitt entsprechend
dem Düsenquerschnitt ausbilden, um unmittelbar danach infolge des Luftaufstaues
im -umgebenden Flüssigkeitsmedium in eine sackartige, großvolumige Luftblase überzugehen.
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2. Infolge der tonfrequenten Schwingungen, die sich auf die umgebende
Flüssigkeit übertragen, wird eine Turbulenz auch innerhalb der sauerstoffgesättigten
monomolekularen Grenzschicht erzeugt, die deren Austausch gegen sauerstoffarmes
Wasser der nachfolgenden Schichten beschleunigt und somit die Diffusionsgeschwindigkeit
und damit auch die Sauerstoffausnutzung in der zu belüftenden Flüssigkeit erhöht.
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3. Bewirken die tonfrequenten Schwingungen im Bereiche der
Düse eine Auflockerung und unter Umständen eine Zerschlagung großvoluiniger Aggregate
von Mikroorganismen, so daß die absorptive Oberfläche der numnebr freigelegten Einzelorganismen
wirkungsvoller für den Abbau der Schmutzstoff e ausgenutzt wird.
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4. Die Wandungen der Gasaustrittsöffnungen erfahren derartig starke
Schwingungen, daß eine Anlagerung von Schmutzstoffen unmöglich ist. -Auch- bei Anwendung
engster Durchflußquerschnitte besteht daher keinerlei Verstopfungsgefahr. Die Düse
ist somit selbstreinigend. _
5. Bei Stillsetzung der Anlage
bzw. bei Unterbrechung der Luftzuführ wirkt die Düse als Rückschlagventil und verhindert
somit den Eintritt verschmutzten Wassers in das Düseninnere und auch des Leitungssystems,
so daß Ablagerangen in diesem nicht mehr auftreten können. . Einige Ausführungsformen
der Erfindung - sind in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt.
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F i g. 1 und 2 zeigen das Beispiel einer Düse, wobei F i
g. 1 einen Längsschnitt durch eine derartige Düse zeigt und F i
g. 2 einen Querschnitt in der Ebene I-I; . F i g. 3 a zeigt
die teilweise geschnittene Draufsicht und F i g. 3 b den dazugehörigen Querschnitt
durch eine wirtschaftliche Ausführungsform einer Düse in Dreifachanordnung; F i
g. 4 zeigt das Beispiel einer Düse mit sechs Austrittsquerschnitten, teilweise
geschnitten; F i g. 5 erläutert die Anwendung von Düsen bei einem in Längsrichtung
durchflossenen Belüftungsbecken; F i g. 6 bis 10 geben Prin ipskizzen
der Zusammen
fassung von Düsen zu Aggregaten.
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Nach den F i g. 1 und 2 besitzt das Gehäuse 1 einer
rohrartigen Lufteintragungsdüse einen Anschlußstutzen 2 für den Anschluß an. die
Druckluftleitung 3. Im unteren Teil des Gehäuses ist eine über annähernd
die ganze Gehäuselänge reichende Ausnehmung 4 für. den Luftaustritt eingearbeitet.
Außerhalb sind z. B. mittels Klemmleisten 5 die elastischen Lappen
6 mit dem Gehäuse durch Schrauben 7 luftdicht verbunden. Die elastische
Vorspannung dieser Lappen, ihre Masse und Formgebung sind so auf den Stauraum
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der Düse abgestimmt, daß die fär den Betrieb benötigten Luftmengen beim
Durchtritt vorwiegend tonfrequente Schwingungen erzeugen, so daß nur ein intermittierender
Luftdurchtritt stattfinden kann.
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Bei-den Ausfüllrungsformen nach F i g. 3 a und 3 b
verlaufen
die Aufstiegsbahnen der Luftwalzen in drei getrennten Ebenen äquidistant voneinander,
wodurch gegenseitige Beeinflussungen weitgehend unterbunden werden. Die Ausführung
nach F i g. 4, mit sechs Schlitzen, ist für besondere Anwendungsfälle gedacht.
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An Stelle eines rohrartigen Gehäuses kann auch ein prismatischer Hohlkörper
von Dreieck- bzw. beliebiger Polygonform Verwendung finden, wobei die Ausnehmungen
für den Luftaustritt in: einfacher Weise durch Entfernen der Eckkanten erzeugt werden.
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Bei dem Anwendungsbeispiel nach F i g. 5 werdenin einem durchflossenentelüftüngsbecken
10 je zwei
Mehrfachdüsen 11 durch ein Hosenfitting
12 zu einem Aggregat zusammengefaßt und über ein Tauchrohr 13 mit der Luftleitung
14 verbunden. Durch Aneinanderreihen weiterer Aggregate entsteht der Belüftungsstrang.
Hierbei kann es für eine gleichmäßigere Verteilung der Luft vorteilhaft sein, auch
mehr als zwei Düsen zu einem Stern-Aggregat zusammenzufassen, wie etwa aus den Prinzipskizzen,
gemäß den F i g. 7 bis 10 ersichtlich ist. Die aus den Düsen austretenden
Blasen rufen bekanntlich eine Aufwärtsströmung im Blasenbereich hervor, so daß im
gezeichneten Beckenquerschnitt 15 eine Doppelzirkulation erzwungen wird,
wie sie für den Austausch der mit Sauerstoff verschieden hoch angereicherten Wasserteile
günstig ist. Die Auswahl der geeignetsten Aggregatform richtet sich dabei nach dem
Sauerstoffbedarf der zu belüftenden Flüssigkeit und nach der Einhaltung einer Strömungs-Nlindestgeschwindigkeit
an der Beckensohle, bei der noch keine Schlammablagerung eintritt.
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Die Pfeile geben jeweils die Strömungsrichtung der Luft bzw. der Flüssigkeit
an.