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Klärapparat zur Wasseraufbereitung mittels Koagulation und Filtration
Die Erfindung betrifft einen Klärapparat zur Wasseraufbereitung mittels Koagulation und Filtration in vollkommen schwebender Flockenwirbelschicht (Suspensionsschicht) mit eigenen Räumen für Koagulation, für Filtration, für Sedimentation und für das Sammeln des geklärten Wassers, wobei sich jeder Filtrationsraum nach unten konisch verengt und an seiner engsten Stelle mit einem von seinen Wänden gebildeten Einlaufspalt versehen ist, der diesen Raum mit dem Koagulationsraum verbindet.
Gegenstand der Erfindung ist eine derartige Anordnung der einzelnen Räume eines Klärapparates mit Flockenwirbelschicht, dass bei steigender Leistung grosser Klärapparate die Leistungsparameter der leistungsfähigsten kleinen Klärapparate annähernd bewahrt bleiben und dass es möglich ist, ältere Wasserversorgungsanlagen bei deren Rekonstruktion auf leistungsfähige Klärapparate mit Flockenwirbelschicht gemäss dieser Erfindung umzubauen.
Einer der entscheidenden Faktoren für Leistung und Wirkungsgrad von Klärapparaten mit Flockenwirbelschicht ist die einwandfreie Lösung der Aufgabe, in der Flockenwirbelschicht eine gleichmässige, steigende Strömung sicherzustellen. Dies kann auf verschiedene Art erreicht werden, wonach die Klärapparate in drei Kategorien unterteilt werden können : Klärapparate mit zentralem Einlauf, Klärapparate mit schlitzartigem Einlauf und Klärapparate mit gelochten Verteilungsrohren.
Bisher bekannte Klärapparate, die nach dem Prinzip einer unvollkommen schwebenden Flockenwirbelschicht oder mit einer Pulsationsströmung arbeiten, werden hier nicht in Betracht gezogen, da ihre Leistungen nicht mehr dem höchsten Stand der Technik entsprechen. Vom Standpunkt der Leistungsfähigkeit und Reinigungsfähigkeit sind am vorteilhaftesten Klärapparate mit einem Schlitzeinlauf in den Filtrationsraum und mit einer vollkommen schwebenden Flockenwirbelschicht in diesem Raum. Diese Klärapparate enthalten in der Mitte des Behälters einen Koagulationsraum, der sich nach unten trichterförmig erweitert und dessen unteres Ende mit der konischen Wand des sich nach oben erweiternden Filtrationsraumes einen ringförmigen Eintrittsschlitz bildet.
Durch diesen Schlitz fliesst das Wasser aus dem Koagulationsraum in den Filtrationsraum und in diesem aufwärts mit solcher Geschwindigkeit, dass sich die im Koagulationsraum entstandenen Flocken in der Ebene des oberen Randes des Filtrationsraumes
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durch eine Überlaufkante in den Sedimentationsraum abgesaugt. Dieser Raum umgibt die äussere Wand des Filtrationsraumes. Das von den Flocken befreite Wasser strömt von der Flockenwirbelschicht weiter hinauf in den Klärwasserraum, wo es in Sammelringen aufgefangen und dann abgeführt wird.
Bisher bekannte Klärapparate grosser Leistungen erreichen nie die spezifischen Leistungen je Volumeneinheit der leistungsfähigsten kleinen Klärapparate.
Die Leistung je Flächeneinheit grosser Klärapparate ist entweder klein, wie z. B. bei Klärapparaten mit gelochten Verteilungsrohren, oder ist ihre Leistung je Flächeneinheit zwar gross, aber mit sich erhöhender Leistung wächst auch die Höhe der Einrichtung, wie dies z. B. bei Apparaten mit schlitzartigem
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oder zentralem Einlauf der Fall ist. Klärapparate mit zentralem Einlauf sind bei gleicher Leistung wesent- lich höher als jene mit schlitzartigem Einlauf. Aber auch bei diesen ist bei einer Leistung von mehr als
100 1/sec die Bauhöhe bereits übermässig hoch, so dass bisher in der Praxis für höhere Leistungen Einrich- tungen mit kleinerer Leistung je Flächeneinheit, aber mit niedrigerer Bauhöhe verwendet wurden.
Es ist der Zweck der Erfindung, die erwähnten Nachteile zu beseitigen. Dies geschieht dadurch, dass ein Klärapparat der eingangs beschriebenen Art gemäss der Erfindung so ausgebildet wird, dass er aus einem zylindrischen Behälter besteht, in dem mittels eingebauter Wände waagrecht nebeneinander je mehrere, unmittelbar aneinander anliegende, konzentrisch und wechselweise gereihte, ringförmige
Koagulationsräume, Filtrationsräume und Sedimentationsräume abgeteilt sind.
Es sind also rings um einen gemeinsamen Mischraum zwei oder mehrere ringförmige Funktions- grundelemente konzentrisch aneinandergereiht, wobei jedes Funktionsgrundelement aus einem Koagula- tionsraum, einem Filtrationsraum, einem Sedimentationsraum und einem darüberliegenden Klarwasserraum besteht. Diese Räume entstehen durch zweckmässige Unterteilung des Raumes des Funktionsgrundelementes mittels eingesetzter Zwischenwände, die an den Seiten des Funktionsgrundelementes Räume bilden, von denen einer als Koagulationsraum und der zweite als Sedimentationsraum dient ; der zwischen den beiden entstandene Filtrationsraum erweitert sich diffusorartig nach oben hin und der über ihm gelegene Raum dient als Klarwasserraum.
Das aufbereitete Wasser fliesst aus der Verteilungsleitung in den oberen Teil des Koagulationsraumes derart ein, dass in diesem Raum eine homogene Strömung entsteht, die günstige Bedingungen für die Koagulation und eine gleichmässige Verteilung des Wassers beim Einlauf in den Filtrationsraum schafft. Aus dem unteren Teil des Koagulationsraumes gelangt das Wasser durch einen entsprechend angeordneten Einlauf in den unteren Teil des Filtrationsraumes, der so gegestaltet ist, dass die steigende Strömung die Flockenfilterschicht in vollkommener Schwebe erhält und jedwede Sedimentation der flockenartigen Suspension verhindert. Im Filtrationsraum sind Verteilungsgitter angebracht, die zur Erreichung einer homogenen vertikalen Strömung bestimmt sind. In der Flokkenwirbelschicht wird die durch Koagulation entstandene Suspension zurückgehalten.
Den oberen Rand des Filtrationsraumes bildet eine Überlaufkante, über die der überschüssige Schlamm aus dem Filtrationsraum in den Sedimentationsraum fällt. Dieser abgesaugte Schlamm wird zweckmässig durch Wände gegen den unteren Teil des Sedimentationsraumes gelenkt, von wo der eingedickte Schlamm dann abgelassen wird. Das von der Suspension befreite Wasser gelangt aus dem Filtrationsraum in den Raum für geklärtes Wasser und wird aus seinem oberen Teil von einem Sammelsystem abgeführt. Ausserdem wird geklärtes Wasser auch aus dem oberen Teil des Sedimentationsraumes durch zwangsläufiges Absaugen entnommen.
Räume gleicher Funktion in benachbarten Funktionsgrundelementen können im Klärapparat entweder voneinander getrennt bleiben oder untereinander verbunden werden. Die gleichmässige Verteilung des Wassers in die einzelnen Funktionsgrundelemente ist durch eine gemeinsame Verteilungsvorrichtung gesichert, woraus das Wasser durch eine Verteilungsleitung in die Funktionselemente geführt wird. Das geklärte Wasser wird ebenfalls für den gesamten Klärapparat von einer gemeinsamen Abnahmevorrichtung gesammelt und weitergeleitet.
Auch die erwähnten, bisher bekannten Klärapparate haben waagrecht nebeneinander, unmittelbar aneinander anliegend, je einen Raum für Koagulation, Filtration und Sedimentation mit darüberliegendem Klarwasserraum. Beim Erfindungsgegenstand handelt es sich aber nicht um eine einfache Aneinanderreihung von solchen bekannten Klärapparaten, sondern um einen Konstruktionseingriff, der in einer besseren Flächenausnutzung (durch eine neue Flächenaufteilung) besteht, wodurch die Leistung im Vergleich zu einem Klärapparat der bekannten Bauart von gleicher Grundfläche oder gleichem Inhalt um etwa 10-200/0 steigt und wodurch bei grossen Klärapparaten die Baukosten beträchtlich herabgesetzt werden können.
Die Leistungssteigerung ist folgendermassen zu erklären : Die Leistung des Klärapparates ist von mehreren Faktoren abhängig, z. B. von der Fläche des Filtrationsraumes (gemessen im breitesten Durchmesser des Trichters), und von der Separationsfläche im Sedimentationsraum, das ist die Fläche gemessen am unteren Ende der Führungswand für den Zulauf. In dieser Ebene beginnt nach unten die sekundäre Reinigung durch Sedimentation und nach oben steigt das sekundäre gereinigte Wasser. Das primäre Klarwasser wird aus dem darüberliegenden Raum entnommen. Deshalb ist in der Fig. l zu sehen, dass die Trichter im breitesten Durchmesser in Berührung sind, so dass sie die ganze Fläche des Behälters einnehmen.
Wenn nun in einem Behälter, der nur ein einziges Funktionsgrundelement enthält, dieses Element durch eine grössere Anzahl von Funktionsgrundelementen ersetzt wird, bleibt die Fläche des Filtrations-
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rames unverändert, aber es entstehen damit mehrere Sedimentationsräume unter den Zuführungswänden und somit eine grössere Separationsfläche, wodurch die Separationsleistung des Klärapparates um 10-20% gesteigert werden kann.
Ein weiterer Vorteil dieser verbesserten Konstruktion besteht in der Möglichkeit, eine kostspielige Bauhöhe für Klärapparate von grösseren Leistungen herabzusetzen. Zum Beispiel wäre ein Klärapparat für 200 1/sec, der ein einziges Funktionsgrundelement enthalten würde, gleich ob mit einer vollkommen oder unvollkommen schwebenden Flockenwirbelschicht, ungefähr um 500/0 höher als ein Klärapparat mit mehreren Funktionsgrundelementen von gleicher Grundfläche. In hohen Behältern müsste aus hydraulischen Gründen der Inhalt des Filtrationsraumes unangemessen grösser sein und er könnte nicht zweckmässig ausgenutzt werden.
Deshalb ist es vorteilhafter, die Fläche des Behälters in mehrere Funktionsgrundelemente aufzuteilen, wobei die Fläche der Filtrationsräume gleich bleibt, die Leistung durch Einsetzen mehrerer Sedimentationsräume gesteigert wird und die Bauhöhe herabgesetzt wird.
Aus diesen Erläuterungen geht hervor, dass eine Einreihung einer grösseren Anzahl von Sedimentationsräumen als eine Konstruktionsabänderung betrachtet werden kann, und dass diese Änderung nicht den Zweck hatte, eine lineare Leistungssteigerung zu erreichen, sondern eine grössere, nichtlineare Steigerung der Leistung und die Herabsetzung der Baukosten. Die Konstruktionsänderung hat also zwei höhere Effekte zur Folge, was die Patentfähigkeit begründet.
Die Erfindung soll nun an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Darin zeigen Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen Klärapparat mit ringförmigen Funktionsgrundelementen, die in der linken Hälfte der Figur gemäss Alternative I und in der rechten Hälfte gemäss Alternative II angeordnet sind, Fig. 2 den Grundriss dieses Klärapparates.
Beim dargestellten Klärapparat befindet sich in der Mitte eines zylindrischen Behälters Z ein ge- meinsamer Mischraum A. Um diesen Raum herum sind konzentrisch die einzelnen ringförmigen Funktionsgrundelemente F., F, und Es angeordnet, von denen jedes aus einem Koagulationsraum B, einem Filtrationsraum C, einem Sedimentationsraum D und einem Klarwasserraum E besteht.
Die angeführten Räume sind für die einzelnen Funktionsgrundelemente mit den Indizes 1, 2 usw. bezeichnet. In der Alternative I sind bloss die Klarwasserräume E untereinander verbunden. Das Zuleitungsrohr 1 mündet im Mischraum A in den Tauchzylinder 2, der der Strömung eine zweckentsprechende Richtung gibt. Im unteren Teil des Mischraumes A befindet sich die Entleerungsleitung 3. Oben am äusseren Umfang des Raumes A ist die gemeinsame Verteilungsvorrichtung, eine in Segmente geteilte Verteilungsrinne 4, angeordnet, aus deren einzelnen Segmenten das Wasser durch die Verteilungsrohre 5 und 6 in den oberen Teil der Koagulationsräume B strömt, die noch, ausser den gelochten Verteilungsrohren 6, mit Verteilungsrinnen 7 versehen sind. Im untersten Teil des
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und an seinem oberen Rand die Überlaufkante 11 angebracht.
Im oberen Teil jedes Sedimentationsraumes D befindet sich die Führungswand 12 und die Entnahmeleitung 13 für geklärtes Wasser. In einem jeden Sedimentationsraum D ist unten am Boden die Ablassleitung 14 zur Beseitigung des eingedickten Schlammes. Im oberen Teil des Klarwasserraumes E befinden sich Sammelrinnen 15 für geklärtes Wasser, das durch die Abflussrinne 16 abgeleitet wird.
Die Arbeitweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende :
In der Alternativanordnung I wird das Wasser mit den zugesetzten Chemikalien durch das Zuleitungsrohr 1 in den Mischraum A geleitet, wo unter dem Einfluss des Tauchzylinders 2 die Strömungsrichtung umgekehrt und das Wasser mit den Fällmitteln vollkommen durchgemischt wird. Durch die Entleerungsleitung 3 werden grobe Verunreinigungen abgelassen, die sich im gemeinsamenMisch- raum A abgesetzt haben. Das durchmischte Wasser fällt in die einzelnen Segmente der Verteilungs- rinne 4 über, von wo es durch die Verteilungsleitungen 5 und 6 in die Koagulationsräume B geführt wird.
Durch die gelochten Verteilungsleitungen 6 und die Verteilungsrinnen 7 wird in den Koagulationsräumen B eine gleichmässige Bewegung sichergestellt. Das Wasser mit den Mikroflocken strömt aus dem Koagulationsraum B durch den Einlauf 8 in den Filtrationsraum C, der so ge- btaltet ist, dass darin eine optimale Geschwindigkeit und turbulente Strömung des Wassers erreicht werden, um die Flockenfilterschicht im Zustand vollkommener Schwebe zu erhalten und jedwede Sedimentation der flockenartigen Suspension in diesem Raume zu verhindern, wo die durch Koagulation entstandenen, in Suspension befindlichen Teilchen durch Filtration in der Flockenwirbelschicht abgetrennt werden. Das geklärte Wasser dringt durch die Flockenwirbelschicht in die Klarwasserräume E, von wo es dann von den Sammelringen 15 abgenommen wird.
Das Nieveau der Flockenwirbelschicht in den
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Filtrationsräumen C wird von den Überlaufkanten 11 bestimmt, über die der überschüssige Schlamm aus der Wirbelschicht in die Sedimentationsräume D abgesogen wird. Die Strömungsrichtung des Schlammes wird in jedem Sedimentationsraum D von der Führungswand 12 derart geleitet, dass sich der Schlamm im unteren Teil des Sedimentationsraumes D absetzt, und das durch Sedimentation geklärte Wasser wird dann durch die Entnahmeleitung 13 entnommen und in die Sammelringe 15 geführt. Der abgesetzte Schlamm wird durch die Ablassvorrichtung 14 abgelassen. Das geklärte Wasser aus den Sammelringen 15 fliesst in der Abflussrinne 16 den Schnellfiltern zu.
In der Alternative II ist die Anordnung der Funktionsgrundelemente die gleiche wie in der Alternative I ; die Funktionsräume der einzelnen Funktionselemente sind aber derart angeordnet, dass benachbarte Koagulations- und Sedimentationsräume B, D zweier benachbarter Elemente stets untereinander verbunden sind. Die Funktionsräume B, C, D und E haben die gleiche Funktion wie in der Alternative I und sind für die einzelnen Funktionsgrundelemente ebenfalls mit den Indizes 1,2 usw. bezeichnet. Die Arbeitsweise der Alternativanordnung II ist im wesentlichen die gleiche wie die der
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14.
Der Klärapparat gemäss der Erfindung hat gegenüber den bisherigen Vorrichtungen zahlreiche Vorteile. Im Gegensatz zu Klärapparaten mit schlitzartigem oder zentralem Einlauf ermöglicht die Anordnung der Funktionsgrundelemente in einer Ebene den Bau von Klärapparaten mit beliebig grosser Leitung bei kleiner Bauhöhe. Im Gegensatz zum Pulsator ist die Gleichmässigkeit der Strömung in die Flockenwirbelschicht durch zweckentsprechende Anordnung der Funktionsräume und des Einlaufes in den Filtrationsraum gesichert, wodurch die Anwendung einer zeitlich gleichmässigen Strömung und somit auch die Erreichung maximaler Leistungen je Flächeneinheit der Flockenwirbelschicht ermöglicht wird.
Die zweckmässige Anordnung der Funktionselemente nutzt das Behältervolumen in höchstmöglichem Masse aus, so dass direkt im Behälter die Koagulation und Sedimentation durchgeführt werden kann und die ganze Fläche des Behälters für die Flockenwirbelschicht frei bleibt. Die Entnahme des abgesetzten Wassers aus zweckmässig untergebrachten Sedimentationsräumen bedeutet eine weitere Leistungssteigerung des Klärapparates. Die zwangsläufige, gleichmässige Strömung in allen Funktionsräumen des Klärapparates verhindert die Bildung von störenden Strömungen und der Klärapparat erreicht deshalb einen maximalen Kläreffekt. Der Klärapparat funktioniert rein hydraulisch und benötigt keinerlei zusätzliche Vorrichtungen, wie z. B. eine Misch-oder Pulsationsvorrichtung mit Energiezufuhr.
Die Erfindung ermöglicht es, die meisten älteren Wasserversorgungsanlagen mit zylindrischen Klärapparaten auf die erfindungsgemässe Bauart umzubauen und dadurch ihre Leistung wesentlich zu steigern.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Klärapparat zur Wasseraufbereitung mittels Koagulation und Filtration in vollkommen schwebender Flockenwirbelschicht (Suspensionsschicht) mit eigenen Räumen für Koagulation, für Filtration, für Sedimentation und für das Sammeln des geklärten Wassers, wobei sich jeder Filtrationsraum nach unten konisch verengt und an seiner engsten Stelle mit einem von seinen Wänden gebildeten Einlaufspalt ver-
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ander anliegende, konzentrisch und wechselweise gereihte, ringförmige Koagulationsräume (B), Filtrationsräume (C) und Sedimentationsräume (D) abgeteilt sind.