DE2558105A1 - Vorrichtung zur umwaelzbelueftung und reinigung von wasser - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Umwälzbelüftung und Reinigung von Wasser
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwälzbelüftung und Reinigung von Wasser insbesondere in biologischen Kläranlagen, Teichen, Seen, Flusen und dergleichen mit Hilfe des Prinzips der Mammutpumpe.
• Der Wirkungsgrad einer biologischen Kläranlage hängt u.a.
• davon ab, daß die Mikroorganismen durch geeignete Umwälzung~ des Wassers mit den abzubauenden Inhaltsstoffen optimal versorgt werden und daß ihnen dafür eine geeignete Sauerstoffmenge zur Verfügung gestellt wird. Durch Einblasen von Luft in das Wasser kann sowohl die Sauerstoffversorgung als auch eine Umwälzung erreicht werden. Dabei kommt es für den in jedem Fall erwünschten möglichst großen Sauerstoffertrag auf eine möglichst große Aufenthalts zeit der Luftblasen im Wasser an.
• Bei der einfachen Beckenbelüftung werden durch die im Wasser aufsteigenden Luftblasen sogenannte Wasserwalzen mit einer vertikal aufsteigenden hohen Wasserströmung erzeugt. So kommt es auch bei feinblasiger Belüftung (Autstiegsgeschwindigkeit der Luftblasen in ruhendem Wasser etwa 0,2 m/sek) zu einer mittleren Aufenthalts zeit der Luftblasen von weniger als einer-Sekunde je Meter Einblastiefe. Die Umwälzung des Wassers durch die Wasserwalze wirkt sich nur auf einen kleinen Raum in der Nähe des Belüfters aus. - Die Nachteile der einfachen Beckenbelüftung können auf verschiedene Weise behoben werden.
• Bei dem sogenannten Linienbelüfter (dt. OS Nr. 17 67 497) ist das Prinzip des Ptalumutpumpenreaktors (bzw. Schlaufen- oder Umlautreaktors) so abgewandelt, daß mit Hilfe eines vertikal aufgestellten Mamniutpumpenschachtes, an dessen Fuß die Luft eingeblasen wird, eine vertikale Wasserströmung erzeugt wird, die durch Leiteinrichtungen in einander entgegengerichtete horizontale Strömungen an der Wasseroberfläche und an der Sohle eines Abwasserteiches umgelenkt werden, sodaß bei entsprechender Wassertiefe ein weit größeres Wasservolumen als mit der einfachen Beckenbelüftung ausreichend umgewälzt werden kann. Wegen der großen Striimungsgeschwindigkeit des Wassers im vertikalen Schacht haben die Luftblasen bei diesem Belüftungsverfahren ebenfalls eine Aufenthaltszeit von unter einer Sekunde je Meter Schachtlänge.
• Der Nachteil des geringen Sauerstoffertrags bei der einfachen Beckenbelüftung und beim Linienbelüfter besteht nicht bei der Belüftung von horizontal fließendem Wasser. Es ist bekannt, daß es bei einer horizontalen Strömungsgeschwindigkeit des Wassers von über 25 cm/sek praktisch keine Wasserwalzen mehr gibt und daß der Sauerstoffertrag wegen der verlängerten Aufenthaltszeit der Luftblasen gegenüber den oben beschriebenen Verfahren etwa verdoppelt ist.
• Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, das Prinzip der Mammutpumpe für die Umwälzbelüftung von Wasser dahingehend abzuändern, daß zwar auf der einen Seite hohe Umwälzleistungen für ein möglichst großes Wasservolumen ermöglicht werden, daß aber auf der anderen Seite wesentlich größere Aufenthaltszeiten für die eingeblasene Luft und damit auch größere Sauerstofferträge als mit den oben beschriebenen Vorrichtungen erzielt werden. Darüber hinaus sollte die neue Vorrichtung eine vereinfachte Verfahrensweise bei der biologischen Abwasserreinigung ermöglichen.- Erfindugrsggenstand ist eine Vorrichtung zur Umwälzbelüftung von Wasser, die eine durch Einblasen von Luft erzeugte Manimutpumpenwirkung mit Hilfe von schachtförmig angeordneten Leitflächen ausnutzt. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen schräg in Richtlrng zur Wasseroberfläche aufsteigenden Schacht, dessen Abmessungen der Formel L @ Vw A @ Vg gehorchen, wobei L die Länge der unteren Leitfläche, A der vertikal gemessene abstand zwischen unterer und oberer Leitfläche, Vw die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Schacht und Vg die mittlere Aufstie##sgeschwindigkeit der Luftblasen im ruhenden Wasser ist, dabei reicht die obere Leitfläche im Wasser mindestens so weit hinauf und hinab wie die untere Leitfläche, in deren Nähe sich der Luftzutritt befindet. Dieser Mammutpumpenschacht kann mit seinem Ein-und/oder Ausströmende an weitere schachtförmig oder kanalartig angeordnete Leitflächen, die abwärts, aufwärts oder horizontal ausgerichtet sind, angeschlossen sein.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Die bevorzugten weiteren Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Nebenansprüchen dargestellt.
• Fig. i. zeigt den vertikalen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen schräg aufsteigenden Schacht, dessen vertikale Seitenleitflächen, die einen Abstand von wenigen Zentimetern bis zu vielen Metern haben können, hier nicht sichtbar sind. Die untere (i) und obere (i') schräg aufsteigende Leitfläche haben einen vertikal gemessenen Abstand (A), der in der Praxis wenigstens etwa 30 cm, im allgemeinen etwa i m , aber je nach den Erfordernissen auch mehrere Meter betragen kann. Der Neigungswinkel (a) ist im allgemeinen kleiner als etwa 600 und richtet sich sehr nach der gewünschten Förder#leistung des Mammutpumpenschachtes und nach de#n -gewünschten Sauerstoffertrag: Die Förderleistung Xfächst mit dem Neigungswinkel, der Sauerstoffertrag nimmt ab. Der Neigungswinkel soll daher für einen hohen Sauerstoffertrag möglichst klein sein. Bei Neigungswinkeln unter 5° wird die Förderwirkung jedoch im allgemeinen zu klein.
• Die Länge des schrägen Schachtes (L) wird gemessen von der Luftzutrittsstelle (2) bis zur Abströmkante (3) der unteren Leitfläche (i). Tatsächlich kann der Schacht aber noch weiter als bis (2) hinabreichen.- Die obere Leitfläche (lot) reicht mindestens bis zur gleichen Wassertiefe wie die untere Leitfläche (t) hinab (2') und hinauf (3'). Ist keine andere Sperre für den Rückstrom des Wassers vorgesehen, so kann die obere Leitfläche (1'), gegebenenfalls mit verändertem Neigungswinkel beispielsweise nach (3") oder nach (311?), bis zur Wasseroberfläche (o) reichen.
• Bläst man bei (2) Luft ein, so wird das Wasser infolge der Mammutpumpenwirkung im Schacht nach oben fließen ( Pfeile in Fig.1 ) und dabei eine Geschwindigkeit erreichen, die man nach den Gesetzen der Strömungslehre berechnen kann. - Die Luftblasen sind in den Zeichnungen punktiert angedeutet.
• Beispiel Ein etwa quadratisches Becken ( Oberfläche etwa 10.000 m² ) mit abgerundeten Ecken, mittlere Wassertiefe etwa 3 m, mit einer Trennwand in der Mitte zu einem horizontalen Umlaufreaktor (ähnlich einem Oxidationsgraben) gestaltet, soll mit Hilfe eines schräg aufsteigenden Mammutpumpenschachtes ausgerüste-t werden. Dazu wird ein 50 m breiter Mammutpumpenschacht zwischen einem Ufer und der Trennwand eingebaut. Die untere Leitfläche reicht dabei von der Beckensohle bis zu einer Wassertiefe von-etwa 50 cm. und wird an eine Leitfläche.angeschlossen, die wieder zur Beckensohle herabreicht. Die obere Leitfläche reicht von 2 m Wassertiefe bis zur Oberfläche. Mit A = 1 m, L = 4 in, Vw = 1 m/sek und Vg = 0,2 m/sek werden bei einer Einblastiefe von 2 m und einem Neigungswinkel (a) von etwa 20° stündlich etwa 2.000 m3 Luft benötigt. Dabei wird der Beckeninhalt stündlich über 5 mal durch den Schacht gepumpt und kann eine Sauerstoffmenge von über 100 kg (ähnlich wie bei der Belüftung von horizontal fließendem Wasser mit der gleichen Luftmenge) aufnehmen. - Als Fortschritt gegenüber dem heutigen Stand der Technik ergibt sich, daß bei gegebenem Energieaufwand entweder der Sauerstoffertrag oder die Umwälzleistung zusätzlich gewonnen wird.
• Im Umlaufbecken, in dem das Wasser mit einer mittleren horizontalen Geschwindigkeit von über 0,3 m/sek fließt können weitere Rohrbelüfter zur Steigerung des Sauerstoffeintrages eingesetzt werden.
• Fig. 2 zeigt im vertikalen Schnitt, wie man mehrere Mammutpumpenschächte ( 21/21', 21'/21", 21"/21"t usw.) zu einer Einheit zusammenschalten kann. - Diese Form der Umwälzbelüftung ist beispielsweise anwendbar, wenn man trotz geringer Luft-Einblastiefe große Förderleistungen und Sauerstofferträge in tiefen Becken erreichen will.
• Fig. 3 zeigt im horizontalen Schnitt, wie mehrere Schächte (31/31?, 32/32?, 33/33' usw.) nebeneinandergeschaltet werden können. Dabei können die vertikalen Leitflächen (31 bis 33' usa z.B. aus Filtermaterial bestehen, so daß man aus den Zwischenräumen (31'/32, 32?/33, 33'/34 usw.) gereinigtes Wasser abziehen kann. Da die Filterflächen vom Wasser längs angeströmt werden, erbringen sie eine hohe Leistung.
• Fir; 4 zeigt im vertikalen Schnitt, wie man einen schrägen Mammautpumpenschacht in einem tiefen Becken vorteilhaft an einen horizontalen Schacht (42/42' oder 43/43') oder Kanal anschließen kann. Dabei ordnet man die Lufteinblasvorricht=lg (2) in der Nähe der Leitfläche (42) so an, daß die Luftblasen in der Nähe der unteren Leitfläche (41) in den.
• schrägen Mamniutpumpenscliacht (41/41?) eintreten, so daß sie in den horizontalen Schacht oder Kanal (43/43') ebenfalls in der x na der unteren Leitfläche (43) eintreten. Dabei gelten die Abmessungen L' @ Vw' A' Vg wobei L' und A' aus Fig. 4 zu entnehmen sind und Vw' die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Schacht ist.
• Man kann den Schacht (42/42') statt horizontal auch abwärts geneigt bauen. Bei gleicher Formel für die Abmessungen ist jedoch zu beachten, daß in diesem Fall die eingeblasene Luft das strömende Wasser bremst.
• Bei größeren Wassertiefen ist es daher eher von Vorteil, wenn man schräge und horizontale Schächte etwa zickzackförmig anordnet.
• Fig. 5 zeigt im vertikalen Schnitt, wie mehrere schräge Mammutpumpenschächte (51./51', 52/52', 53/53' usw.) im Wechsel mit schräg abwärts geneigten Schächten (51/52?, 52/53?, zu 53/5h' usw.) hintereinandergeschaltet werden können.
• So kann man in Kläranlagen, die einen hohen Sauerstoffbedarf haben, durch das Abwärts führen eines Teiles der eingeblasenen Luft einen entsprechenden Sauerstoffertrag erzielen.
• Bei der Belüftung von Fließgewässern kann es von Vorteil sein, wenn man viele schräge Mammutpumpenschächte längs des Ufers, aber in einem Abstand von diesem, hintereinanderschaltet, das Wasser unter der einen seitlichen Leitfläche ansaugenzulassen und über die andere seitliche Leitfläche abströmenzulassen.
• Aus verfahrenstechnischen Gründen kann es zweckmäßig sein, anstelle von Luft andere Gase (z.B. CO2, Methan, Sauerstoff) oder deren Gemische mit Luft in das Wasser einzublasen und das nicht ausgenutzte Gas an der Wasseroberfläche aufzufangen und erneut einzublasen.
• - Patentansprüche - L e e r s e i t e

Claims (7)

1. Patentansprüche Vorrichtung zur Umwälzbelüftung und Reinigung von Wasser, wobei eine durch Einblasen von Luft erzeugte Nammutpumpenwirkung mit Hilfe von schachtförmig angeordneten Leitflächen ausgenutzt wird, gekennzeichnet durch einen schräg in Richtung zur Wasseroberfläche aufsteigenden Schacht, dessen Abmessungen der Formel L Z Vw A Vg gehorchen, wobei L die Länge der unteren Leitfläche, A der vertikal gemessene Abstand zwischen unterer und oberer Leitfläche, Vw die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Schacht und Vg die mittlere Aufstiegsgeschwindigkeit der Luftblasen im ruhenden Wasser ist, dabei reicht die obere Leitfläche im Wasser mindestens so weit hinauf und hinab wie die untere Leitfläche, in deren Nähe sich ein Luftzutritt befindet, dieser Nammutpumpenschacht kann mit seinem Ein-und/oder Ausströmende an weitere schachtförmig oder kanalartig angeordnete Leitflächen, die abwärts, aufwärts oder horizontal ausgerichtet sind, angeschlossen sein.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere in Strömungsrichtung hintereinander und parallel zu einander zu einer Einheit geschlossene Schächte, wobei nur die der Anströmseite zugewandte obere Leitfläche eines Schachtes zur Wasseroberfläche reicht.
3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i oder 2, gekennzeichnet durch mehrere mit ihren Seitenflächen etwa parallel zueinander angeordnete Schächte , wobei die Seitenflächen benachbarter Schächte aus Filtermaterial bestehen, so daß diese Seitenflächen Zwischenräume bilden, aus#-#-denen man gereinigtes Wåsser ab.ziehen kann.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder ), gekennzeichnet durch horizontale, abwärts oder aufwärts geneigte Schächte oder Kanäle, die über geeignete Umlenkeinrichtungen an den schrägen Schacht angeschlossen sind, wobei die Abmessungen der Formel L / lTws AJ Vg gehorchen, wenn L' die Länge eines Schachtes, A' der Abstand von unterer und oberer Leitfläche und Vw' die mittlere StröungsgeschwindigReit des Wassers im Schacht sind, wobei sich der Luftzutritt in einem Abstand Lt von der Abströmkante des Schachtes (zugleich Unterkante der unteren Leitfläche des schrägen Schachtes) befindet.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch das Hintereinanderschalten von mehreren schräg aufsteigenden Mammutpumpenschächten im Wechsel mit schräg absteigenden Schächten.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch das Hintereinanderschalten von mehreren schräg aufsteigenden Mammutpumpenschächten, wobei eine seitliche Leitfläche bis zum Wasserspiegel oder darüber und die andere bis zum Grund eines Gewässers reichend gestaltet ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der.Luftzutritt durch eine Vorrichtung zum Einblasen verschiedener Gase ersetzt wird und daß sich an der Wasseroberfläche eine Vorrichtung zum Auffangen von Gas befindet.