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Verfahren und Vorrichtung zum Eintragen von Luft oder andern sauerstoffhaltigen Gasen in Abwässer
Verfahren und Vorrichtungen zum Eintragen von Luft oder andern sauerstoffhaltigen Gasen in Abwässer, insbesondere, um biologisch abbaufähige Abwässer nach dem Belebtschlammverfahren zu reinigen, sind an sich bekannt. Im einzelnen ist unter anderem bekannt, das Abwasser in einem langgestreckten Becken um die horizontale Mittelachse des Beckens in zirkulierende Bewegung zu versetzen, so dass die an der Oberfläche liegenden Wasserschichten ständig ausgetauscht und sich mit atmosphärischem Sauerstoff beladen können. Die rotierende Bewegung des Abwassers wird dabei zumeist mittels einer sich um die Beckenlängsachse drehenden mit-oder gegenläufig arbeitenden Paddeleinrichtung erzeugt.
Bei Abwässern mit hohem Sauerstoffbedarf (mg BSBs/1) ist jedoch diese einfache Luft- bzw. Sauerstoffzuführung nicht ausreichend. Man hat daher bereits vorgeschlagen, im Becken Zuführungsrohre für Luft oder andere sauerstoffhältige Gase anzuordnen. Die aus diesen Zuführungseinrichtungen austretenden Luft- oder Gasblasen steigen unter der Wirkung des Auftriebes im Abwasser auf und geben dabei Sauerstoff an das Abwasser ab. Um den mit der Luft oder dem Gas eingebrachten Sauerstoff möglichst weitgehend an das Abwasser übertragen zu können, ist man bestrebt, die Aufenthaltsdauer der Luft- bzw. Gasblasen im Abwasser möglichst gross zu halten. Aus diesem Grunde ordnet man die Gaszuführungseinrichtung in der Regel im Bereich des Beckenbodens an und wählt statt grobblasiger feinblasige Belüftungssysteme, um einen grösstmöglichen Weg der Luftblasen im Abwasser zu erhalten.
Durch die bereits beschriebene Zirkulation des Abwassers wird dieser Weg weiter verlängert, da die Gasblasen von einem zirkulierenden Abwasser teilweise mitgeführt und in einem Kreisbogen zur Oberfläche aufsteigen, der länger als der direkte, senkrechte Weg der Luftblasen ohne Wasserzirkulation ist. Jedoch wird durch diese Massnahmen bei normalen Beckentiefen von rund 3 m bei grob-bis feinblasiger Belüftung lediglich eine etwa 5- 15%oige Ausnutzung des über die Luft eingebrachten Sauerstoffes erreicht. Dies ist insofern nachteilig, als der je Kilogramm in das Abwasser eingeblasenen Sauerstoffes erforderliche Energieaufwand mit nur sehr geringem Wirkungsgrad ausgenutzt wird.
Dieser Energieaufwand ist unter anderem einerseits erforderlich, um die Luft oder das sauerstoffhaltige Gas gegen den Wasserdruck in das Abwasser einzubringen und um einerseits das Wasser selbst bzw. anderseits die Einrichtungen anzutreiben, welche das Abwasser in zirkulierende Bewegung versetzen. Dieser Energieaufwand stellt einen erheblichen Anteil der aufzuwendenden Betriebs- und Unterhaltungskosten dar. Um eine möglichst rasche, jedoch umfassende Abwasserklärung bei geringstem Kostenaufwand zu erreichen, ist es deshalb notwendig, ausser einer zweckmässigen und wirtschaftlichen Gestaltung der notwendigen Bauteile der Kläranlage, den spezifischen Energieaufwand je Einwohner und Jahr für die biologische Behandlung des Abwassers zu senken, was nach obigem dann erreicht werden könnte, wenn der in das Abwasser eingebrachte Sauerstoff wesentlich besser ausgenutzt würde.
Dementsprechend liegt die Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Eintragung von Luft oder sauerstoffhaltigen Gasen in Abwasser so durchzuführen, dass die Aufenthaltsdauer der eingetragenen Luft- oder Gasblasen im Abwasser entscheidend verlängert und auf diese Weise eine Senkung des spezifischen Energieaufwandes erreicht wird.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eintragen von Luft oder andern sauerstoffhaltigen Gasen in Abwässer, insbesondere zur Reinigung des Abwassers nach dem Belebtschlammverfahren, wobei das Abwasser in rotierende Bewegung versetzt und die Luft bzw. das sauerstoffhaltige Gas in das rotierende Abwasser eingeführt wird.
Die Erfindung besteht darin, dass die eingetragenen Luft- oder Gasblasen auf mindestens einen vollen Umlauf im Abwasser bewegt werden und zur Erzielung einer gewünschten mittleren Aufenthaltsdauer T der Gasblasen im Abwasser bei gegebenem Radius R des Abwasserbeckens und gegebener Aufstiegsgeschwindigkeit vL der Gasblasen die Rotation des Abwassers nach der Formel
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eingestellt wird, wobei w die WinkeIfrequenz der Abwasserrotation und a eine experimentell bestimmbare Funktion der Geschwindigkeit vR des Abwassers am Beckenrand ist.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren vollführen also die eingebrachten Luft- bzw. Gasblasen unter der Wirkung des mit hinreichender Geschwindigkeit zirkulierenden Abwassers erzwungene, mehr oder weniger kreisförmige Umlaufbahnen, wobei der Eintragungsort der Gasblasen selbstverständlich so gewählt ist, dass die Umlaufbahnen durch die Beckenwandung nicht gestört werden. Dabei lässt sich die Ausnutzung des mit der Luft ? der dem Gas in das Abwasser eingebrachten Sauerstoffes nach Wunsch variieren, je nachdem, wie die Rotationsgeschwindigkeit des Abwassers und der Eintragungsort der Luft- bzw. Gasblasen und damit die Anzahl ihrer geschlossenen Umläufe gewählt wird. So ist nach dem erfindungsgemässen Verfahren z. B. ohne weiteres eine Ausnutzung des in der eingebrachten Luft enthaltenen Sauerstoffes von 700'in und mehr möglich.
Der wirtschaftlichste Eintrag ergibt sich jedoch bei geringeren Ausnutzungsgraden, bei denen die verschiedenen im System wirkenden Kräfte, beispielsweise zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Zirkulationsgeschwindigkeit des Abwassers, zur Überwindung des Auftriebs der vom Abwasser mitgeführten sauerstoffhaltigen Luft- oder Gasblasen und für den Eintrag der luft- bzw. sauerstoffhaltigen Gasblasen gegen den Druck des Abwassers optimale Werte annehmen. Insbesondere der zuletzt angeführte Energieaufwand zum Eintragen der Luft- bzw. Gasblasen in das Abwasser kann nach der Erfindung wesentlich dadurch verringert werden, dass der Eintragungsort im oberen Bereich des zirkulierenden Abwassers erfolgt, in welchem der Druck des Abwassers infolge der nur noch geringen darüberliegenden Wassersäule wesentlich kleiner als am Beckenboden ist.
Die Wahl dieses Eintragungsortes ist dadurch möglich, dass nach der Erfindung die Gasblasen nicht mehr direkt oder auf einem nur schwach gekrümmten Kreisbogen unmittelbar zur Wasseroberfläche steigen, sondern nunmehr mit dem zirkulierenden Abwasser im Zuge ihrer aufeinanderfolgenden Umläufe auch in tiefere Abwasserbereiche getragen werden.
Dementsprechend kennzeichnet sich eine von der Erfindung bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dadurch aus, dass die Gaszuführungseinrichtung in der oberen Beckenhälfte angeordnet ist, wobei die Vorrichtung im ganzen beispielsweise aus einem das Abwasser enthaltenden Längsbecken mit eckigem bzw. durch Ausrundung der Ecken angenähert kreisrundem oder kreisrundem Querschnitt, aus um die horizontale Beckenlängsachse rotierenden gegen- oder mitläufig arbeitenden Paddeleinrichtungen oder sonstiger Wasserbewegungs-bzw. Antriebseinrichtung besteht. Im einzelnen sieht die Erfindung die Möglichkeit vor, die Antriebswelle der Paddeleinrichtung hohl und als Zuführungsrohr für das einzutragende Gas oder die Luft auszubilden.
Jedoch besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, zum Eintragen der Luft oder des Gases gesonderte Zuführungsrohre oder Kerzen vorzusehen. Zweckmässig ist im Scheitel des Beckens parallel zur Längsachse eine schlitzförmige Öffnung als Auslass für die ausgenutzte Luft angeordnet, die in einer Höhe von 0, 1 bis 0,15 des Beckendurchmessers über den Beckenscheitel mit Wasser gefüllt ist.
Soll dagegen ein zusätzlicher Lufteintrag von der Oberfläche des Abwassers her erfolgen, so sieht die Erfindung vor, dass der Wasserspiegel im Becken etwa 0, 05-0, 10 des Beckendurchmessers unter dem Beckenscheitel steht. In diesem Fall werden erhebliche Luftmengen aus der über dem Abwasser stehenden Atmosphäre durch die Rotation des Abwassers angesogen und in das rotierende Abwasser eingetragen.
Die durch die Erfindung erreichten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, dass es mittels der erfindungsgemässen Führung der luft- bzw. sauerstoffhaltigen Gasblasen längs mindestens eines, bevorzugt mehrerer Umläufe im Abwasser möglich ist, den eingetragenen Sauerstoff wesentlich besser als bisher auszunutzen und auf diese Weise den für den Betrieb von Kläranlagen der beschriebenen Art erforderlichen Energieaufwand wesentlich zu senken.
Dies ergibt sich einmal daraus, dass wegen der besseren Ausnutzung des eingetragenen Sauerstoffes insgesamt weniger Luft oder sauerstoffhaltiges Gas in das Abwasser einge-
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bracht werden muss und zum andern die Luft oder das sauerstoffhaltige Gas an Stellen in das Abwasser eingetragen werden kann, an welchen der beim Einblasen der Luft bzw. des sauerstoffhaltigen Gases zu überwindende hydrostatische Druck gering ist.
Im folgenden sei die Erfindung an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnungen näher erläutert ; die Fig. 1 und 2 zeigen jeweils einen Querschnitt durch eine für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Im einzelnen zeigen die Figuren ein Becken 1, das entweder einen eckigen Querschnitt besitzt oder dessen Ecken zur besseren kreisförmigen Führung des rotierenden Wassers mehr oder weniger ausgerundet bzw. mit kleineren oder grösseren Leittafeln ausgestattet sind. Das Becken 1, das mehr oder weniger tief in die Oberfläche 2 des Erdreiches eingelassen ist, besteht entweder aus ortsfest hergestelltem Beton, vorgefertigten Beton-oder Stahlbetonteilen bzw. aus entsprechend zusammengesetzten Stahlblech- oder Betonringen. Es ist nach oben entweder weitgehend offen (Fig. 1) oder besitzt nur eine schlitzförmige Öffnung 13 (Fig. 2) im Beckenscheitel.
Die Umwälzung des Wassers erfolgt im Ausführungsbeispiel mittels eines um die horizontale Längsachse 11 des Beckens drehbaren Paddelwerkes 3, dessen Paddel 4 sich entweder über die ganze Länge des Beckens 1 erstrecken oder bei nur geringer Länge zu mehreren in bestimmten Abständen auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind. Jedoch kann die Umwälzung des Wassers auch durch aussenliegende Paddelwerke oder durch Düsenwirkung eines mit höherem Druck eingeführten Stoffes, beispielsweise Wasser oder Rücklaufschlamm, bewirkt werden. Die tangentiale Umwälzgeschwindigkeit des Wassers, die in den Figuren durch den Pfeil 5 angedeutet ist, ist grösser als die Aufstiegsgeschwindigkeit der in das Abwasser eingetragenen Luft oder sauerstoffhaltigen Gasblasen.
Die Belüftung selbst erfolgt über Rohre oder Kerzen, die das sauerstoffhaltige Gas in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit des Abwassers an einer solchen Stelle in das Becken eintragen, dass die unter der Wirkung der Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen und der Rotationsgeschwindigkeit des Abwassers entstehenden mehr oder weniger geschlossenen Umläufe der Luft-. oder Gasblasen nicht durch die Beckenwandung gestört werden.
Die tangentiale Randgeschwindigkeit 5 der kreisenden Abwassermasse beträgt zwischen 0, 3-3, 0 m/sec.
Je nach Ausbildung der Rohre oder Kerzen wird die Luft bzw. das sauerstoffhaltige Gas entweder gleichmässig über die Länge des Beckens verteilt oder in gleicher Höhe über der Sohle an bestimmten Punkten in das Abwasser eingetragen.
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durchwirbelt wird. Es ist dabei auch bei kleineren Wassergeschwindigkeiten fast ohne Unterschied, ob die Luft bzw. das Gas beispielsweise an der mit 6 oder 7 bezeichneten Stelle eingebracht wird. Die gerin- gere Wassersäule über dem Einbringungsort 7 bewirkt jedoch einen merklich geringeren Energieaufwand für die Zuführung der erforderlichen Luft bzw. des sauerstoffhaltigen Gases. Bei höheren tangentialen Randgeschwindigkeiten des Wassers und bei dem angedeuteten Wasserspiegel 9 wird sogar das in Höhe von 8 eingebrachte sauerstoffhaltige Gas bzw. die Luft in das Wirbelfeld einbezogen.
Bei höheren Wassergeschwindigkeiten, etwa 1 m/sec, und einem geeignet gelegenen tieferen Wasserstand 10 im Becken wird auch aus der über dem Abwasserspiegel stehenden Atmosphäre eine erhebliche Luftmenge angesogen und in die Wirbelzone hineingezogen. Im dargestellten Fall beträgt der Abstand zwischen dem Beckenscheitel 14 und dem Wasserspiegel 10 etwa 0, 05 - 0, 10 des Beckendurchmessers. Bei solchen höheren tangentialenRandgeschwindigkeiten des Wassers besteht deshalb das Problem darin, die sauerstoffhaltigen Gasblasen nicht zu lange im rotierenden System zu lassen.
Um die Erfindung weiter zu erläutern, seien folgende Erörterungen gegeben :
Wird Gas, z. B. Luft, an geeigneter Stelle in einen rotierenden Wasserkörper eingebracht, der in einem zylinderförmigen oder zylinderähnlichen Becken um die horizontal liegende Längsachse kreist, bildet sich-im Querschnitt gesehen-eine etwa kreisförmige Zone aus, die spiralförmig von Gasblasen durchwandert wird. Diese kreisförmigen Zonen sind in den Fig. 1 und 2 mit der Bezugszahl 12 bezeichnet.
Je höher die Randgeschwindigkeit vR (in den Fig. 1 und 2 durch den Pfeil 5 angedeutet) der rotierenden Wassermasse ist, desto grösseren Raum nimmt der von Gasblasen durchsetzte Teil ein und desto grösser wird die mittlere Aufenthaltszeit T der einzelnen Luftblase im Wasserkörper. Wie die Versuche in einem zylinderförmigen Becken mit einem Durchmesser D = 0,50 m zeigten, weist der von Blasen durchsetzte Raum einen kreisförmigen Querschnitt auf, und der Mittelpunkt liegt etwa in Höhe der Mittelachse des Beckens.
Die genaue mathematische Erfassung des Gasblasenweges in der sich ausbildenden Gas-Wasserzone
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Für den durchgeführten Versuch im zylindrischen Becken mit D = 0, 5 m soll hienach die endgültige Funktion ermittelt werden. Es wird ein rechtsdrehender Wasserkörper angenommen und das Gas in der rechten Zylinderhälfte in Höhe der x-Achse eingebracht.
Der Wert a, der für eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit konstant ist und den mittleren Weg eindeutig beschreibt, lässt sich verhältnismässig einfach finden, wenn die mittlere Aufenthaltszeit der Luftblase im Wasserkörper bekannt ist. Für das Becken mit D = 0,5 m ist diese versuchsmässig in Abhängigkeit von der jeweils herrschenden Winkelgeschwindigkeit w des Wasserkörpers leicht zu bestimmen.
Zum Beispiel wurde im Versuchsbecken bei den verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten w die durch die Luftblasen verdrängte Wassermenge und die Leistung des Belüfters gemessen. Die mittlere Aufenthaltszeit T der Gasblasen ergibt sich zu
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(sec),QL = Leistung des Belüfters in cm3/sec ist.
Nach pig. l ergibt sich :
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für einen Umlauf ist.
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Hierin ergibt sich
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Da ein voller Umlauf = 27f ist, vereinfacht sich die Bestimmungsgleichung für die Konstante a zu :
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Für den speziell zu betrachtenden Fall mit vL = 25 cm/sec und R = 25 cm ergibt sich für a als Funktion von vR die nachfolgende Tabelle sowie der in der Fig. 2 dargestellte Verlauf :
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<tb> vT <SEP> vT <SEP> vT
<tb> T <SEP> # <SEP> T <SEP> T## <SEP> # <SEP> 1 <SEP> - <SEP> # <SEP> R(1 <SEP> - <SEP> #) <SEP> #L#R(...)
<tb> vR <SEP> vR <SEP>
<tb> cm/sec <SEP> l/S <SEP> S---cm
<tb> 50 <SEP> 2, <SEP> 0 <SEP> 12 <SEP> 24 <SEP> 0, <SEP> 500 <SEP> 0, <SEP> 500 <SEP> 12, <SEP> 50 <SEP> 2, <SEP> 525 <SEP> 0, <SEP> 1052 <SEP>
<tb> 100 <SEP> 4,0 <SEP> 56,5 <SEP> 226 <SEP> 0,250 <SEP> 0,750 <SEP> 18,75 <SEP> 2,940 <SEP> 0,0130
<tb> 140 <SEP> 5,6 <SEP> 114 <SEP> 638 <SEP> 0,179 <SEP> 0,821 <SEP> 20,50 <SEP> 3,020 <SEP> 0,0047
<tb> 167 <SEP> 6, <SEP> 7 <SEP> 235 <SEP> 1573 <SEP> 0, <SEP> 150 <SEP> 0, <SEP> 850 <SEP> 21, <SEP> 20 <SEP> 3, <SEP> 055 <SEP> 0, <SEP> 0019 <SEP>
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Mit dem Faktor a lässt sich nunmehr aus der Funktion a. n' r = e auch abschnittsweise der Ablauf übersehen.
Mit grösserer Geschwindigkeit vR wird a kleiner, d. h. der Winkel Y nähert sich 90 und die Spiralbahnen verlaufen sehr eng zueinander. Das Ergebnis entspricht durchaus den Versuchsergebnissen.
Zusammenfassend ergibt sich somit :
Der Weg jeder einzelnen Luftblase im rotierenden Wasserkörper verläuft nicht nach einem exakten
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telpunkt des kreisförmigen Wirbelfeldes bzw. des Nullpunktes des Wasser-Luft-Gemisches liegt da, wo die Aufstiegsgeschwindigkeit vL der Luftblase und die Drehgeschwindigkeit des Wasserringes
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Aus der in Versuchen zu ermittelnden Aufenthaltszeit T errechnet sich unter Verwendung der Bezeichnung
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Der kennzeichnende Faktor a zu
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Für eineversuchsanlage mit D = 0, 5 m ergibt sich der Parameter a der e-Funktion in Abhängigkeit
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tes aus Fig.
2 a) der mittlere Weg einer Luftblase aus der Funktion
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angeben und b) die mittlere Aufenthaltszeit der Luftblase im System errechnen zu
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PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren und Vorrichtung zum Eintragen von Luft oder andern sauerstoffhaltigen Gasen in Abwässer, insbesondere zur Reinigung des Abwassers nach dem Belebtschlammverfahren, wobei das Abwasser um eine horizontale Achse in rotierende Bewegung versetzt und die Luft bzw.
das sauerstoffhaltige Gas in das rotierende Abwasser eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die eingetragenen Luft- oder Gasblasen dadurch auf mindestens einen vollen Umlauf im Wasser bewegt werden und zur Erzielung einer gewünschten mittleren Aufenthaltsdauer T der Gasblasen im Abwasser bei gegebenem Radius R des Abwasserbeckens und gegebener Aufstiegsgeschwindigkeit vL der Gasblasen die Rotation des Abwassers nach der Formel
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eingestellt wird, wobei w die Winkelfrequenz der Abwasserrotation und a eine experimentell bestimmbare Funktion der Geschwindigkeit vR des Abwassers am Beckenrand ist.