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Stand der Technik
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum biologischen Reinigen
von Abwasser gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 (
DE 102
45 466 A1 ).
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Bei
der biologischen Reinigung von Abwasser werden organische Schadstoffe
von Mikroorganismen – im
folgenden als ”Biomasse” bezeichnet – unter
Verwendung von Sauerstoff in unschädliche Stoffe umgewandelt.
Das Abwasser wird durch Begasen eines Biomasse-Wasser-Gemisches
in einem Reaktionsbehälter
gereinigt, dem kontinuierlich Abwasser und Gas zugeführt und
eine vergleichbare Menge an Biomasse-Wasser-Gemisch entnommen werden.
Unter ”Gas” sollen
Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder auch reines Sauerstoffgas
verstanden werden.
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Im
häuslichen
Bereich, aber auch bei vielen industriellen Prozessen entstehen
organisch belastete Abwässer.
Für die
Reinigung solcher Abwasser sind Verfahren zum Eliminieren der gelösten organischen
Verbindungen auf aerobem Wege durch Mikroorganismen bekannt. Diese
Verfahren werden meistens in flachen Belebungsbecken durchgeführt, wobei
der erforderliche Sauerstoff dem Abwasser durch eine Begasung zugeführt wird.
Zum Begasen sind sowohl sogenannte Oberflächenbelüfter in Form von Walzen, Kreiseln
oder spezielle Begasungsaggregate, welche dem Abwasser die Luft über eine Oberfläche zuführen, als
auch sogenannte Druckbelüfter
bekannt, welche das Gas unter Druck mittels einer Düse, gelochter
Rohre oder poröser
Membranen in Form feiner Gasblasen im Abwasser dispergieren. Diese
bekannten Vorrichtungen arbeiten in der Regel mit offenen Becken,
so dass Aerosole austreten können.
Eine Verstopfung von Dispergiergeräten, eine geringe Sauerstoffnutzung
der zugeführten
Luft sowie hohe Investitions- und Betriebskosten sind außerdem meist
nicht zu vermeiden.
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Aus
der
EP 0490350 A1 geht
eine Vorrichtung zum Gaseintrag in Flüssigkeiten hervor, bei welcher
mindestens ein Hohlkörper
aus festem Material mit mindestens einem Austrittskanal für Gas in
einer Flüssigkeit
angeordnet ist. Der Austrittskanal ist in einem Winkel von ca. 5° bis ca.
40° gegen
die Horizontale nach unten geneigt. Diese bekannte Vorrichtung dient
beispielsweise zur Abwasserreinigung oder Trinkwasseraufbereitung.
Dabei wird dem Hohlkörper
nur ein Gas zugeführt,
vorzugsweise Sauerstoff.
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Bei
der bekannten Vorrichtung nach der eingangs erwähnten
DE 102 45 466 A1 werden
Abwasser und Gas mindestens einer Zweistoffdüse räumlich getrennt voneinander über zwei
konzentrische Rohre zugeführt,
von denen das innere, das Gas führende
Rohr gegenüber
dem äußeren Rohr
kürzer
ist. Das Gas wird dadurch bereits in der Zweistoffdüse vordispergiert.
Beim Austritt des Gemisches aus Abwasser und Gas aus der Zweistoffdüse in das
im Reaktionsbehälter
befindliche Abwasser entsteht eine Impulsübertragung von dem aus der
Zweistoffdüse austretenden
Gemisch an das im Reaktionsbehälter befindliche
Abwasser. Dadurch wird das Gas zusätzlich sehr fein dispergiert
und im Reaktionsbehälter nach
unten transportiert. Durch die damit abwärts gerichtete Strömung des
Gas-Abwassergemisches und die Umlenkung desselben am Boden des Reaktionsbehälters, entsteht
in demselben eine Umlaufströmung,
so dass das Gas sehr gleichmäßig im Reaktionsbehälter verteilt
wird. Diese Vorrichtung hat sich in der Praxis bewährt. Eine
Geruchsbelästigung
kann ausgeschlossen werden. Gesonderte Dispergiergeräte werden
nicht eingesetzt. Die Investitions- und Betriebskosten sind niedrig.
Zudem wird durch die Umlaufströmung
die Verweilzeit der Gasblasen im Abwasser verlängert, wodurch die Sauerstoffausnutzung
deutlich verbessert wird. Bei relativ niedrigen Reaktionsbehältern kann
die Arbeitsweise der Vorrichtung unter Umständen eingeschränkt sein.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte
Vorrichtung vorteilhaft weiterzubilden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Diese
Vorrichtung wird mit Vorteil bei relativ niedrigen Reaktionsbehältern eingesetzt,
deren Höhe
und damit die Höhe
des darin befindlichen Abwassers eine wirksame Ausbildung eines
aus der Zweistoffdüse
austretenden Gas-Flüssigkeitsstrahls nicht
zuläßt, wenn
die Zweistoffdüse
mit vertikaler Achse angeordnet wird. Durch eine schräge Anordnung
der Zweistoffdüse
im Reaktionsbehälter
kann der Abstand zwischen ihrer Austrittsöffnung und dem Boden bzw. einer
gegenüber
liegenden Seitenwand des Reaktionsbehälters so groß gemacht
werden, dass sich ohne zusätzliche
Maßnahmen
eine wirksame Umlaufströmung
ausbilden kann. Die erhöhte Verweilzeit
der Gasblasen im Abwasser mit der damit verbundenen verbesserten
Sauerstoffausnutzung ist so auf einfache Weise auch bei relativ
niedrigen Reaktionsbehältern
erreicht. Zur Förderung
des Abwassers wird eine Tauchpumpe verwendet, die mit der Zweistoffdüse zu einer
kompakten Einheit verbunden ist. Eine solche Einheit ist technisch
einfach zu realisieren. Sie kann autonom und flexibel eingesetzt
und dem Reaktionsbehälter
gegebenenfalls für
eine Wartung entnommen werden, ohne dass dieser entleert werden
muß.
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Die
Geometrie des Reaktionsbehälters
ist im Hinblick auf eine wirtschaftliche Arbeitsweise besonders
günstig,
wenn sich die Länge
des Reaktionsbehälters
zu seiner Breite und zur Höhe
des in demselben befindlichen Abwassers jeweils etwa wie 2:1 verhält. Um diese
Vorgabe beispielsweise bei einem bereits vorhandenen Reaktionsbehälter einzuhalten, können auch
zwei oder mehr Zweistoffdüsen
mit schrägem
Verlauf eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Reinigen von Abwasser.
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2 einen
Querschnitt durch eine Zweistoffdüse in vergrößerter Darstellung.
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3 schematisch
eine Vorrichtung nach der Erfindung.
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4 eine
gegenüber 3 erweiterte
Vorrichtung.
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Die
Wirkungsweise einer Vorrichtung nach der Erfindung wird zunächst grundsätzlich anhand der 1 und 2 erläutert:
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In
einem Reaktionsbehälter 1 – im folgenden „Behälter 1” genannt – mit der
Länge L
und der Höhe H
ist Abwasser bis zu einer Flüssigkeitshöhe F enthalten.
In den Behälter 1 ragt
seitlich, mit schräg
nach unten gerichtetem Verlauf eine Zweistoffdüse 2 hinein, deren
Achse A mit einer horizontalen Linie 3 einen spitzen Winkel α einschließt. Die
Zweistoffdüse 2 ist
durch eine Seitenwand 4 des Behälters 1 hindurchgeführt. Der
genauere Aufbau der Zweistoffdüse 2 geht
aus 2 hervor.
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Die
Zweistoffdüse
2 ist
vorzugsweise so aufgebaut, wie es in der
DE 102 45 466 A1 beschrieben ist.
Sie besteht aus zwei konzentrischen Rohren
5 und
6,
von denen das innere Rohr
5 zur Führung des Gases und das äußere Rohr
6 zur
Führung
des Abwassers dient. Dabei umgibt das äußere Rohr
6 das innere,
das Gas führende
Rohr
5 mit Abstand, so dass rund um dasselbe ein freier
Ringspalt vorhanden ist, durch den das Abwasser hindurchtreten kann.
Das äußere Rohr
6 ist
im Bereich seiner Austrittsöffnung
7,
die gleichzeitig die Austrittsöffnung der
Zweistoffdüse
2 ist,
vorzugsweise verengt. Der Außendurchmesser
des inneren Rohres
5 ist mit d
G bezeichnet,
während
der Innendurchmesser des äußeren Rohres
6 im
Bereich seiner Austrittsöffnung
7 mit
d
F bezeichnet ist. Das Verhältnis von
d
G zu d
F kann etwa
zwischen 0,9 und 1,5 liegen. Es beträgt vorzugsweise 1,2. Das innere
Rohr
5 endet im äußeren Rohr
6 mit
Abstand zu dessen Austrittsöffnung
7. Sein
offenes Ende
8 soll von der Austrittsöffnung
7 des äußeren Rohres
6 einen
Abstand l haben, der um mindestens den Faktor ”5” größer als d
F ist.
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Mittels
der Zweistoffdüse 2 wird
während
des Betriebs der Vorrichtung ein Gas-Abwassergemisch in einem um den Winkel α zur Linie 3 geneigten Strahl 9 in
das im Behälter 1 befindliche
Abwasser eingetragen. Der Winkel α und
damit die Neigung des Strahls 9 wird bevorzugt so gewählt, dass
die Verlängerung
der Achse A der Zweistoffdüse 2 im
wesentlichen auf die Ecke gerichtet ist, in welcher der Boden 10 des
Behälters 1 und
die der Austrittsöffnung 7 der Zweistoffdüse 2 gegenüberliegende
Seitenwand 11 desselben zusammentreffen.
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Die
Austrittsöffnung 7 der
Zweistoffdüse 2 hat
vom Boden 10 des Behälters 1 mit
Vorteil einen Abstand h, der etwa zwei Drittel der Flüssigkeitshöhe F des
im Behälter 1 befindlichen
Abwassers beträgt. Das
in Richtung des Strahles 9 aus der Zweistoffdüse 2 austretende
Gas-Abwassergemisch wird im Behälter 1 schräg nach unten
transportiert und hauptsächlich
an der gegenüberliegenden
Seitenwand 11 des Behälters 1 abgelenkt.
Es ist auf diese Weise durch die schräge Anordnung der Zweistoffdüse 2 im
Behälter 1 ein
ausreichend großer
Abstand zwischen deren Austrittsöffnung 7 und
der ablenkenden Seitenwand 11 bzw. auch dem ablenkenden
Boden 10 des Behälters 1 geschaffen,
dass Umlaufströmungen 12 des
Gas-Abwassergemischs entstehen können, die
in 1 gestrichelt eingezeichnet sind.
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Das
zu reinigende Abwasser wird der Zweistoffdüse 2 mittels einer
Pumpe 13 zugeführt.
Das gereinigte Abwasser wird bei 14 abgeführt. Das
Gas wird der Zweistoffdüse 2 mittels
eines Gebläses 15 aufgegeben.
Pumpe 13 und Gebläse 15 stellen
sicher, dass das Gemisch aus Gas und Abwasser mit ausreichend hoher
Geschwindigkeit aus der Zweistoffdüse 2 austritt.
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Die
Vorrichtung nach der Erfindung geht aus den 3 und 4 hervor:
Als
Pumpe für
das Abwasser ist eine Tauchpumpe 20 eingesetzt, die im
Behälter 1 angeordnet
ist. Die Zweistoffdüse 2 befindet
sich ebenfalls vollständig
im Behälter 1 bzw.
im Abwasser. Das Gas kann mit einer Leitung 21 zur Zweistoffdüse 2 geleitet
werden, die von oben in den Behälter 1 hineinragt.
Die Leitung 21 könnte
aber auch durch die Seitenwand 4 des Behälters 1 hindurchtreten.
Die Tauchpumpe 20 ist über
ein Rohr 22 mit der Zweistoffdüse 2 zu einer kompakten Einheit
zusammengefaßt.
Sie saugt Abwasser (Rohabwasser) über das Rohr 16 an.
Das Abwasser wird der Zweistoffdüse 2 über das
Rohr 22 zugeführt.
Im Bedarfsfall, z. B. für
eine Wartung, kann die Einheit von Tauchpumpe 20 und Zweistoffdüse 2 aus
dem Behälter 1 entnommen
werden, ohne dass derselbe entleert werden muß.
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Die
Austrittsöffnung 7 der
Zweistoffdüse 2 befindet
sich – wie
schon erwähnt – im oberen
Bereich des Abwassers im Behälter 1,
zweckmäßigerweise
in etwa zwei Drittel der vom Boden 10 des Behälters 1 gerechneten
Flüssigkeitshöhe F des
Abwassers. Je nach Höhe
der Austrittsöffnung 7 der Zweistoffdüse 2 im
Behälter 1 wird
das Gas mittels des Gebläses 15 mehr
oder weniger verdichtet. Eine dem zugeführten Gas entsprechende Gasmenge verläßt den Behälter 1 über die
Oberfläche
des Abwassers (Pfeil 19).
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Die
Vorrichtung nach der Erfindung gemäß 3 arbeitet
beispielsweise wie folgt:
Die Tauchpumpe 20 saugt
Abwasser (Rohabwasser) über
das Rohr 16 sowie Abwasser aus dem Behälter 1 an und führt es der
Zweistoffdüse 2 zu.
Gleichzeitig wird der Zweistoffdüse 2 mittels
der Leitung 21 über das
innere Rohr 5 Gas zugeführt.
Bei hinreichender Geschwindigkeit dieser beiden Medien, die mittels der
Tauchpumpe 20 einerseits und des Gebläses 15 andererseits
eingestellt werden kann, wird das Gas in der Zweistoffdüse 2 vordispergiert.
Beim Austritt des Gemisches aus Abwasser und Gas aus der Zweistoffdüse 2 in
das im Behälter 1 befindliche
Abwasser entsteht eine Impulsübertragung
von dem austretenden Gemisch an das im Behälter 1 befindliche
Abwasser, durch welche das Gas zusätzlich sehr fein dispergiert
und im Behälter 1 schräg nach unten transportiert
wird.
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Durch
die schräg
abwärts
gerichtete Strömung
des Gas-Abwassergemisches und die Umlenkung desselben an der der
Zweistoffdüse 2 gegenüberliegenden
Seitenwand 11 bzw. auch am Boden 10 des Behälters 1 entstehen
Umlaufströmungen 12,
so dass das Gas sehr gleichmäßig im Behälter 1 verteilt wird.
Das gereinigte Abwasser kann den Behälter 1 gemeinsam mit
Biomasse über
die Leitung bei 14 verlassen. In einer nachgeschalteten,
hier nicht gezeigten Vorrichtung, können Abwasser und Biomasse
voneinander getrennt werden. Die Biomasse kann zum größten Teil über die
Leitung 18 in den Behälter 1 zurückgeführt werden.
Der Rest der Biomasse kann als Überschußschlamm
entnommen werden.
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Da
das Verhältnis
von Länge
L zu Breite des Behälters 1 sowie
von Länge
L zu Flüssigkeitshöhe F des
Abwassers im Behälter 1 – es soll
mit Vorzug bei 2:1 liegen – und
die Geschwindigkeiten des Abwassers und des Gases in der Zweistoffdüse 2 aus
fluiddynamischen Gründen
bestimmte Werte einhalten müssen,
werden bei großen
Abwassermengen zweckmäßig zwei
oder mehr Zweistoffdüsen 2 mit entsprechenden
Zuleitungen in einem Behälter 1 angeordnet.
Das ist beispielsweise für
zwei Zweistoffdüsen 2 in 4 gezeigt.
Die zweckmäßige Anzahl der
Zweistoffdüsen 2 kann
in Abhängigkeit
von der Breite des Behälters 1 gewählt werden,
insbesondere dann, wenn die Breite deutlich größer als die Flüssigkeitshöhe F ist.
Es können
dann beispielsweise n Zweistoffdüsen 2 eingesetzt
werden, wobei die Anzahl n der Zweistoffdüsen 2 sich als Quotient
aus der Breite des Behälters 1 und
der Flüssigkeitshöhe F bestimmen
läßt.