DE102008033293B4

DE102008033293B4 - Vorrichtung in Form eines Schwimmerumschaltventils und Verfahren zum Betreiben eines solchen in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei biologischen Kläranlagen

Info

Publication number: DE102008033293B4
Application number: DE102008033293A
Authority: DE
Inventors: Hubert PRÄDEL
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: DE102008033293A1

Abstract

Schwimmerumschaltventil (19) umfassend einen Schwimmkörper bestehend aus einer Kunststoffröhre (1) und einem Schwimmer (6), eine flexible Zuleitung (2) und zwei Ventilkugelsitze (3; 4), wobei die Zuleitung (2) in die Kunststoffröhre (1) mündet und die beiden Ventilkugelsitze (3; 4) in zwei flexible Ableitungen (10; 11) münden, sich im Inneren der Kunststoffröhre (1) eine bewegliche Ventilkugel (7) mit magnetischem oder magnetisierbaren Kern befindet, die Kunststoffröhre (1) um eine Achse zwischen zwei Endlagen bewegbar ist und die Ventilkugel (7) je Lage der Kunststoffröhre (1) in deren Inneren bewegbar ist, so dass in einer der beiden Endlagen der Kunststoffröhre (1) die Ventilkugel (7) einen der Ventilkugelsitze (3; 4) verschließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwimmerumschaltventil und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei biologischen Kläranlagen gemäß der Gattung der Patentansprüche. Die Erfindung ist anwendbar auf biologische Kläranlagen verschiedenster Dimensionierung und zur Regulierung von Wasserständen bzw. anderer flüssiger Medien.
Bei den bekannten biologischen Kläranlagen, welche gemäß dem Stand der Technik nach dem Belebungsverfahren arbeiten, werden immer im Reaktorraum die Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, belüftet.
Bei Festbett-, Schwebebett-, oder dem klassischen Belebungsverfahren sind die Vorklärung, der Reaktor und die Nachklärung über Wandöffnungen oder Rohre miteinander verbunden.
Das eingeleitete Abwasser fließt bei diesen Anlagen während des Klärungsprozesses zuerst in die Vorklärung, wo sich die Feststoffe absetzen und organische Schmutzstoffe zum Teil anerob abgebaut werden.
Über eine Wandöffnung oder über ein Überlaufrohr kann das Abwasser danach in den Reaktor gelangen, wo durch Zuführung von feinblasiger Luft der aerobe Abbau von organischem Abwasser mit Hilfe von Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, erfolgt.
In der Nachklärung setzen sich mitgerissene Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, am Boden ab, so dass das gesäuberte Abwasser an der Wasseroberfläche abließen kann.
Auf dem Gebiet der biologischen Abwasserreinigung müssen Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, welche sich im Klärwasser befinden, so belüftet werden, dass diese ihren Stoffwechsel optimal betreiben können, um ihre Lebens- und Teilungsfähigkeit aufrecht zu erhalten und um Bestandteile des Klärmediums durch Assimilation bzw. Dissimilation verstoffwechseln zu können. Dieser Vorgang geschieht im so genannten Reaktorraum.
In diesem Reaktorraum befinden sich frei schwimmende oder auf Aufwuchskörpern in Form von Mikroorganismenrasen, insbesondere Bakterienrasen, lebende Organismen.
Diese Aufwuchskörper bestehen meist aus gitterförmigen Röhren und werden als Festbett bezeichnet.
Mit diesem Festbett ist unterhalb des Wasserspiegels der gesamte Reaktorraum, bis auf einen schmalen Freiraum am Beckendoden, ausgefüllt.
In diesem Freiraum befinden sich meistens fest montierte Membranrohrbelüfter oder Membrantellerbelüfter, welche mit Hilfe von Rohren und Schläuchen, über extern aufgestellte Luftverdichter, mit Luft versorgt werden.
Die an den Lüftern ausströmende vertikale Luftströmung soll gleichmäßig den Reaktorraum umwälzen und durchmischen.
Das darüber liegende Festbett wird somit, aufgrund der aufsteigenden Luftperlen und dem mitgerissenen Klärwasser, vertikal durchströmt und bietet den Bakterien somit Luft und Nahrung.
Über eine Wandöffnung oder ein Überlaufrohr gelangt das so gereinigte Abwasser in die Nachklärung.
Die dorthin mit abgetriebenen alten Bakterienkulturen, als Überschussschlamm bezeichnet, sinken hier wegen der relativen ruhigen Wasserbewegung zu Boden und werden von dort mehrmals am Tag kurzzeitig mit Hilfe einer druckluftbetriebenen Hebeanlage oder mit einer Unterwasserpumpe zurück in die Vorklärung gefördert.
Bei einer Einleitung von Klärwasser in die Vorklärung wird durch die Volumenerhöhung ein hydraulischer Abwasserstoß erzeugt, welcher erst über den Reaktorraum, und dann über die Nachklärung fließt und von dort, meist über ein getauchtes Ablaufrohr, die biologische Kläranlage verlässt.
Der Vorteil solcher Festbettanlage besteht darin, dass sich diese Anlagen besonders gut zur Nachrüstung bestehender Dreikammerausfaulgruben eignen, ohne große Umbauarbeiten an der vorhandenen Grube, bzw. an den drei Behältersystemen vornehmen zu müssen.
Der größte verfahrenstechnische Vorteil besteht jedoch darin, dass der auf der Festbettstruktur sitzende Bakterienstämme einen so genannten biologischen Rasen bilden, welcher unabhängig von einfließenden schwankenden Schmutzfrachten, fast immer die gleiche Stärke und damit die gleiche Bakterienkonzentration aufweist.
Diese so genannten sessilen Bakterien kommen auch im Unterlastbetrieb der Kläranlage über längere Zeiträume ohne Nahrung aus.
Dieser Vorteil besteht hauptsächlich gegenüber den Verfahren, wo frei schwimmende Bakterien im Reaktorwasser bei fehlender Nahrung sich stark verringern und bei einer wieder einsetzende Abwassereinleitung diese nicht oder nur teilweise reinigen können.
Ein wesentlicher Vorteil der Festbettanlage besteht in der einfachen Steuerung der Anlage, indem nur zwei Luftzuleitungen für die Belüftung in der Reaktorzone und für die Überschussschlammhebeanlage ins Nachklärbecken intervallmäßig mit Druckluft versorgt werden müssen.
Bei dem SBR-Verfahren gibt es nur die Vorklärung und den Reaktor. Beide sind voneinander durch eine wasserundurchlässige Wand getrennt. Die Vorklärung dient dabei als Pufferbecken für Abwasserstöße, die dort aufgestaut werden.
Nach einem Zeitintervall von mehreren Stunden wird dieses Wasser in einer vorgegebenen Menge in den Reaktor gefördert. Dieses Aufstauprinzip mit der nachfolgenden Beschickung des Reaktors nennt man SBR-Verfahren.
Das Vorklärwasser muss in dosierter Menge in den Reaktor gefördert werden, um nach dem dortigen Reinigungsvorgang, wie schon beschrieben, als Klarwasser in das Ablaufrohr gepumpt zu werden.
Die Belüftung erfolgt, wie beschrieben, entweder über einen externen Luftverdichter oder über Tauchpumpenbelüfter.
Bei den bekannten SBR-Anlagen, welche mit extern aufgestellten Luftverdichtern arbeiten, wird über Schaltventile abwechselnd Luft in die an den Schaltventilen angeschlossenen Luftschläuche geleitet. Je ein Luftschlauch ist am Beschickungsheber, am Klarwasserheber, am Überschussschlammheber und am Belüftungselement angeschlossen.
Diese Heber sind Luftdruckpumpen, auch Mammutpumpen genannt, und pumpen beim Freischalten die durch die Schläuche strömende Druckluft das vorhandene Wasser in eine höhere Position, so dass Wasser in einem anderen Behälter oder den Kläranlagenablauf gelangen kann.
Es wird also zum Beginn einer jeden Reinigungsphase mit dem Beschickungsheber Abwasser aus der Vorklärung in den Reaktor gepumpt, bis der dort befindliche Schwimmerschalter in Stellung „EIN” geht und en Vorgang stoppt. Das entsprechende Ventil wird ausgeschaltet. In der Denitrifikationsphase wird dann kurzzeitig durch Einschalten des Belüftungselementes das Reaktorwasser umgerührt.
In der folgenden Belüftungsphase wird in vorgegebenen Zeitintervallen das Reaktorwasser belüftet. Belüftungselemente sind hierbei meist Membranrohrbelüfter oder Membrantellerbelüfter. Nach einer Absetzphase wird dann das entstandene Klarwasser mit dem Klarwasserheber in den Abfluss gepumpt, entweder gleichzeitig mit dem Vorgang, oder danach, wird der Überschussbakterienschlamm kurzzeitig in die Vorklärung gepumpt.
SBR-Anlagen mit Tauchpumpenbelüfter funktionieren in der Praxis folgendermaßen:
Die eingesetzten Tauchpumpenbelüfter sind Unterwasserpumpen. Diese haben eine Art Schiffsschraube mit einem segmentierten Hohlwellenantrieb, mit welcher trichterförmig das Oberflächenwasser und die über die Hohlwelle angesaugte Luft nach unten verwirbelt werden, so dass das Reaktorwasser von oben mit Luft versorgt wird.
Eine weitere einfache und wirkungsvolle Abwasserbelüftung wird nach dem Venturi-Injektorprinzip realisiert, indem von einer Pumpe Wasser mit möglichst hohen Wasserdruck erzeugt wird, welches hinter der Venturidüse eine Erhöhung der Fliesgeschwindigkeit zur Folge hat.
DE 20 2007 011 718 U1 offenbart einen solchen Wasserstrahlbelüfter, der verstopfungsfrei arbeitet und auch in Kleinkläranlagen eingesetzt werden kann.
Bei den bekannten klassischen SBR-Anlagen, welche mit Unterwasserpumpen arbeiten, wird der Pumpvorgang für die einzelnen Funktionen direkt durch diese Pumpen und über die daran angeschlossenen Rohren oder Schläuchen realisiert.
Eine Rohr oder eine Schlauchverbindung zwischen dem Vorklärbecken und dem Reaktorraum ist notwendig, um die intervallmäßige Befüllung des Reaktors zu realisieren und in umgedrehter Fliesrichtung den so genannten Überschussschlamm vom Reaktor in die Vorklärung zurück zu befördern. Als Überschussschlamm bezeichnen wir die Bakterien im Reaktorwasser, welche ein gewisses festgelegtes Volumen überschritten haben und störend wirken.
Mit der Überschussschlammfunktion pumpt eine Wasserpumpe kurzzeitig Reaktorwasser in die Vorklärung.
Bei einem angenommenen höheren Wasserstand in der Vorklärung fließt dann nach dem Ausschalten dieser Pumpe durch diese Leitung nach dem Prinzip der frei kommunizierenden Röhre das Vorklärwasser in den Reaktorraum, bis sich der Wasserstand der Vorklärung mit dem Wasserstand des Reaktors sich ausgeglichen hat, oder die kommunizierende Röhre durch Luftblasen des Abwasserbelüfters mit Luft gefüllt wurde und der Vorgang so gestoppt wurde.
Es wird also für die Überschussschlammfunktion und die Befüllungsfunktion nur eine Pumpe benötigt.
Weiterhin benötigt man eine Unterwasserpumpe, welche als Injektorpumpe umgebaut ist, um mit Hilfe einer vertikalen Wasserströmung so Luft anzusaugen, dass diese sich mit dem Wasser vermischt, um im Wasser des Reaktorraumes den Sauerstoffanteil zu erhöhen.
Des Weiteren wird eine Klarwasserpumpe benötigt, welche das durch die Bakterien gereinigte Wasser aus dem Reaktorraum in den Abfluss zu pumpen.
Mit dem kurzzeitigen Ein- und Ausschalten des Belüfters wird das Reaktorwasser mit einem gewissen Luftanteil umgerührt.
Der Nachteil der Festbettanlage gegenüber der SBR-Anlage besteht hauptsächlich in den kostenintensiveren längeren Belüftungszeiten und dem relativ teuren Festbettmaterial.
Diese etwas längeren Belüftungsphasen sind aber notwendig, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass nicht gerade während einer Belüftungspause ein Abwasserstoß aus der Vorklärung unvermischt mit dem Reaktorwasser bis in die Nachklärung bzw. bis in das dortige Ablaufrohr gelangt.
Um eine gute Vermischung und der damit guten Verdünnung zwischen dem einströmenden Wasser aus der Vorklärung und dem gereinigten Reaktorwasser zu erzielen, sind die Volumen der Kammern oder Behälter auch etwas größer als bei vergleichbaren SBR-Anlagen mit gleichen Einwohnerwerten.
Alle Hersteller von SBR-Pumpenbelüftungs-Rüstsätzen sind derzeit bemüht, eine technische Lösung zu schaffen, bei der eine Unterwasserpumpe mit Vorrichtungsteilen mehrere Funktionen ausführen kann, um damit eine Unterwasserpumpe weniger einsetzen zu müssen.
Dies führt dann natürlich zu den Kompromissen, dass andere Stellglieder oder mehr Stellglieder oder Ausgleichsbehälter zur Erfüllung der fünf Grundfunktionen eingesetzt werden müssen und dabei Funktionsstörungen der eingesetzten vielen Stellglieder in Kauf genommen werden, sowie teure Magnetventile mit großen Nennweiten, oder sogar Mehrwegventile mit Motorantrieben eingesetzt werden. Solch ein mit Motor betriebenes Mehrwegventil ist meist teurer als zwei Unterwasserpumpen.
Die Einsparung von Unterwasserpumpen (bei Erreichung der gleichen Wirkung) durch den Einsatz von mehreren Absperrventilen bzw. Mehrwegventilen (welche insgesamt wegen den in der Klärtechnik notwendigen großen Leitungsnennweiten teurer sind) führt somit zu einer Verteuerung der gesamten Kläranlage.
Bei den druckluftbetriebenen SBR-Anlagen ist der Materialaufwand hoch, da mehrere Schaltventile und mehrere Druckluftschläuche notwendig sind, um die einzelnen Pumpvorgänge steuern zu können. Da die notwendige Schalthysterese des Schwimmerschalters zu klein ist, wird der Klarwasserheber nicht von diesem aus gesteuert, sondern der Klarwasserheber pumpt eine vorgegebene Zeit entsprechend lang ab. Der minimale Klarwasserstand wird durch die Höhe der Ansaugöffnung des Klarwasserhebers bestimmt. Ob Klarwasser da ist wird nicht gemessen. Nachteilig ist, dass diese Klarwasserpumpfunktion nicht bedarfsgerecht und energiesparend gesteuert wird.
Es ist weiterhin nachteilig, dass die zur Steuerung der Wasserstände eingesetzten Schwimmerschalter nur eingeschränkt veränderbare Schalthysteresen haben, durch einen direkten Kontakt geschaltet werden und nicht berührungslose Schalter sind.
Folgende Aufgaben müssen zur Verbesserung der verschiedenen Verfahren realisiert werden:
Im Behältersystem von Festbettanlagen, Wirbelbett- und Schwebebettanlagen sowie bei den klassischen Belebtschlammverfahren soll es entgegen dem Stand der Technik keine Verbindungsöffnungen mehr zwischen der Vorklärzone und dem Reaktorraum geben. Hydraulische Stoßbelastungen von Schmutzwasser werden damit verhindert und in der Vorklärungszone aufgefangen, um dann in kleineren Mengen in Zeitintervallen in den Reaktorraum gefördert zu werden.
Resultierend daraus können die Belüftungszeiten wegen der minimierten Stoßbelastung wesentlich verringert werden.
Die gleichmäßigen Wasserstände im Reaktorraum und in der Nachklärung, wie sie für Festbettanlagen verfahrensbedingt typisch sind, sollten erhalten bleiben.
Verfahrensbedingt soll der Wasserspiegel in der Vorklärung durch die diskontinuierliche Beschickung abgesenkt werden und als Puffer für hydraulische Abwasserstöße dienen.
Es besteht also die Aufgabe eine Anordnung anzugeben, welche eine Befüllungsfunktion hat, bei der dosierte Mengen Abwasser aus der Vorklärung in den Reaktor gefördert werden und die mit einer Überschussschlammfunktion die abgestorbenen Bakterien aus dem Reaktor und aus der Nachklärung zurück in die Vorklärung fördern kann.
Im Weiteren soll die Vorrichtung eine intelligente Steuerung besitzen, die bei nicht durchgeführter Befüllung (also bei einer zu geringen Abwassermenge in der Vorklärung) dies erkennt, um die nachfolgende Belüftung stark reduzieren oder ausfallen zu lassen, und die Klarwasser abpumpen kann. Außerdem soll die Vorrichtung für Wartungsarbeiten herausnehmbar sein.
Darüber hinaus ist aus DE 20 2007 011 718 U1 , DE 27 07 663 A1 und DE 295 12 267 U1 bekannt, dass Kugeln als Ventilglieder zum wechselseitigen Verschließen von Ventilöffnungen eingesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schwimmerumschaltventil und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei biologischen Kläranlagen anzugeben, welche die zuvor stehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des 1., des 7 bis 9 sowie 11 bis 16. Patentanspruchs gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein elektrisch betätigter Schwimmerschalter, welcher im Reaktor (einer Kläranlage) montiert ist und den maximalen und minimalen Wasserstand der Anlagensteuerung signalisiert, gleichzeitig als Umschalter für die zwei Wasserströme bei Pumpenanlagen und als Umschalter für die zwei Luftströme bei Druckluftanlagen arbeitet, so dass eine Regulierung von Wasserständen bzw. anderen flüssigen Medien möglich ist.
Das bedeutet, dass gemäß der Erfindung bei SBR-Drucklufthebeanlagen wenigstens zwei Schaltventile und zwei Druckluftschläuche gegenüber dem Stand der Technik eingespart werden und der Klarwasserheber nicht zeitgesteuert, sondern bedarfsgerecht gesteuert werden kann.
Gemäß der Erfindung wird bei SBR-Pumpenanlagen eine der drei Pumpen eingespart, da der erfindungsgemäße Schwimmerschalter den Klarwasserstrom und den Beschickungs- sowie Überschussschlammwasserstrom je nach Wasserstandshöhe automatisch an einer Pumpe umschaltet.
Realisiert wird dies erfindungsgemäß dadurch, dass die unterschiedlichen Wasserstände im SBR-Reaktor oder in der Nachklärung zur Schaltung des Schwimmerumschaltventil ausgenutzt werden. Bei dem Schwimmerumschaltventil handelt es sich um einen Schwimmkörper (mit einer Zuleitung und zwei Ventilsitzen, die in je einen Ableitungsschlauch münden) in dessen Inneren sich ein beweglicher Gummiventilball mit magnetischem Kern befindet, wobei der Schwimmkörper um eine Achse zwischen zwei Endlagen bewegbar ist und der Gummiventilball je nach Wasserstand im Schwimmkörper rollt, um in den beiden Endlagen je einen Ventilsitz zu verschließen.
Da sich an diesem beweglichen Schwimmkörper eine flexible Zuleitung und an den beiden Kugelventilsitzen ebenfalls flexible Ableitungsschläuche befinden, kann dieser nach Fixierung an einem mechanischen Drehpunkt auf dem Reaktorwasser schwimmen.
Der erfindungsgemäße Schwimmkörper ist dabei so ausgestaltet, dass die Ventilkugel bei hohem Reaktorwasserstand auf den niedrigeren Ventilkugelsitz rollt und bei niedrigem Wasserstand auf den hohen Ventilkugelsitz rollt.
Damit eine Anlagensteuerung die Wasserstände regulieren kann, ist außerhalb der Röhre an einem Ventilkugelsitz ein elektrischer Magnetsensor angebracht, welcher die Position des Gummiventilballs mit magnetischem Kern berührungslos detektiert.
Der Drehpunkt des erfindungsgemäßen Schwimmerumschaltventils kann (je nach der gewünschter Schalthysterese) außerhalb aber auch innerhalb des Schwimmkörpers, liegen.
Das erfindungsgemäße Schwimmerumschaltventil vereinigt somit in sich die Funktionen eines Schwimmerschalters und eines Umschaltventils.
Für druckluftbetriebene SBR-Anlagen bedeutet dies, dass mit nur einem am erfindungsgemäßen Schwimmerumschaltventil angeschlossenen Druckluftschlauch (bspw. bei niedrigem Wasserstand im Reaktor) der Beschickungsheber so lange betätigt wird, bis der maximale Wasserstand erreicht ist und der Ventilball in die andere Endlage rollt und diese Luftzufuhr des Beschickungshebers unterbricht und der Magnetsensor die Ventilballendlage erkennt und somit den Drucklufterzeuger abschaltet.
Wenn nach der Belüftungsphase der zum Umschaltschwimmerventil führende Druckluftschlauch wieder eingeschalten wird, fließt sofort durch den offen gewordenen Ventilkugelsitz die Luft zum Klarwasserheber und pumpt solange Klarwasser in den Kläranlagenabfluss, bis im umgedrehten Sinn der Ventilball seinen eingenommenen Ventilsitz wegen des niedrig werdenden Wasserspiegels verlässt.
Der Magnetsensor signalisiert dies der Steuerung und ein neuer Zyklus mit dem Beschickungsheber setzt ein.
Außer dass vermittels des erfindungsgemäßen Schwimmerumschaltventil mehrere Schaltventile und Druckluftschläuche eingespart werden, vereinfacht sich die Anlagensteuerung durch das direkte Schalten des Beschickungshebers und des Klarwasserhebers mit Hilfe der Doppelfunktion des Schwimmerumschaltventils.
Der Klarwasserheber wird direkt geschaltet und die energieaufwendige zeitgesteuerte Klarwasserabpumpzeitphase entfällt.
Wegen der nun kürzer gewordenen Klarwasserabpumpzeit kann auch der Überschussschlammheber parallel zum Klarwasserheber betrieben werden.
Durch kleinere Rohrdurchmesser des Überschussschlammhebers wird bei gleicher Pumpzeit (wie beim Klarwasserheber) wenig Überschussschlammwasser in die Vorklärung zurück gepumpt. Deshalb können beide parallel über den flexiblen Schlauch am offenen Kugelventilsitz des Schwimmerschaltventils mit Duckluft versorgt werden. Dies bedeutet, dass gemäß der Erfindung das notwendige Schaltventil und der Druckluftschlauch zum Überschussschlammheber ebenfalls entfallen können.
Auf Grund der vorliegenden Erfindung weist die gesamte druckluftbetriebene SBR-Anlage nur noch ein Schaltventil und nur noch einen Druckluftschlauch auf, welcher am Schwimmerumschaltventil angeschlossen ist.
Erfindungsgemäß werden dabei alle drei Druckluftheber und die damit verbundenen Wasserpumpmengen, wie zur stehend beschrieben, nur vom Schwimmerumschaltventil gesteuert.
Bei SBR-Anlagen, welche mit Unterwasserpumpen betrieben werden, kann entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung vermittels des Schwimmerumschaltventils eine Unterwasserpumpe eingespart werden. Es verbleibt also die Belüfterpumpe und die Klarwasser-Beschickungspumpe, welche das Schwimmerumschaltventil so mit Wasser versorgt, dass beim maximalen Wasserstand im Reaktor Klarwasser über den offenen Kugelventilsitz in den Ablauf gepumpt wird und nach dieser Klarwasserfunktion bei niedrigem Wasserstand im Reaktor der Beschickungsstoß über den anderen offenen Kugelventilsitz erfolgen kann.
Bei der Befüllung des Reaktors über die schon beschriebene korrespondierende Röhre, steigt der Wasserstand so lange an, bis die Gummikugel mit Eisenkernfüllung diesen Kugelventilsitz verschließt.
Erfindungsgemäß schaltet das Schwimmerumschaltventil je nach Wasserstand ein Wasserstrom automatisch um und signalisiert die Schaltzustände über den berührungslosen magnetischen Schaltsensor der Anlagensteuerung.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwimmerumschaltventils,
2: eine schematische Darstellung des Schwimmerumschaltventils gemäß 1 in einer möglichen Einbauform in einem Wasserbehälter,
3: eine schematische Darstellung des Schwimmerumschaltventils gemäß 1 in einer ersten möglichen Einbauform in einer Festbett-Wirbelbettanlage,
4: eine schematische Darstellung des Schwimmerumschaltventils gemäß 1 in einer zweiten möglichen Einbauform in einer Festbett-Wirbelbettanlage,
5: eine schematische Darstellung des Schwimmerumschaltventils gemäß 1 in einer dritten möglichen Einbauform in einer Festbett-Wirbelbettanlage,
6: eine Anordnung gemäß 5 in einer druckluftbetriebenen SBR-Anlage in ein einer zweiten schematischen Darstellung,
7: eine Anordnung gemäß 5 in einer druckluftbetriebenen SBR-Anlage in einer dritten schematischen Darstellung und
8: eine schematische Darstellung einer SBR-Kläranlage mit Pumpenbelüftung und Schwimmerumschaltventil gemäß 1.
1 zeigt das erfindungsgemäße Schwimmerumschaltventil, welches vorteilhaft aus einer druckdichten, an beiden freien Enden verschlossenen Kunststoffröhre (1) besteht, die an ihrer Oberseite ein flexibler Zuleitungsschlauch (2) und an der Unterseite der Rohrenden je einen Kugelventilsitz (3) und (4) aufweist, an welchem ebenfalls zwei flexible Ableitungsschläuche (10) und (11) angeschlossen sind. Das Schwimmerumschaltventil besitzt einen festen Drehpunkt (5), welcher an der Behälterwand oder am festsitzenden Rohrgestänge montiertbar ist.
Ein Schwimmer aus schwimmfähigen Material (6) ist günstiger Weise gegenüber des Drehpunktes (5) ebenfalls an der Kunststoffröhre (1) des Schwimmerschalterumschaltventils (19) so befestigt, dass beim Erreichen des gewünschten maximalen Wasserstandes eine in der Kunststoffröhre (1) befindliche Ventilkugel (7) den dann erhöhten Ventilkugelsitz (3) verlässt, in den niedrigem Ventilkugelsitz (4) rollt und diesen verschließt, und dass in gewünschter Weise das Gleiche beim Erreichen des minimalen Wasserstandes geschieht, indem dann die Ventilkugel (7) den Ventilkugelsitz (4) verlässt und den Ventilkugelsitz (3) verschließt.
Die Ventilkugel (7) ist magnetisch oder magnetisierbar, besteht günstiger Weise aus einem Stahl- oder Magnetkugelkern und besitzt eine weich dichtende Gummiummantelung. An einem der Kugelventilsitze (4) ist ein Magnetsensor (8) angebracht, welcher auf den Kern der Ventilkugel (7) reagiert und die Position der Ventilkugel (7) der Steuerung (9) durch die Leitung (14) signalisiert.
Eine Schalthysterese ergibt sich, wenn die Ventilkugel (7) bei dem gewünschten maximalen Wasserstand (12) den Ventilkugelsitz (3) verlässt, und in den Ventilsitz (4) rollt und beim gewünschten minimalen Wasserstand (12) den Ventilkugelsitz (4) verlässt und in den Ventilkugelsitzsitz (3) rollt.
Diese Schalthysterese kann verändert werden, in dem der Abstand vom Drehpunkt (5) zum Schwimmer (6) der Kunststoffröhre (1) verlängert oder verkleinert wird.
Ebenfalls kann die Schalthysterese durch die Tiefe des Kugelventilsitzes noch verändert werden.
Mit diesen vielfältigen Möglichkeiten kann dieses Schwimmerschaltventil (19) automatisch Wasserstände (12) regulieren, in dem durch den flexiblen Zuleitungsschlauch (2) einströmende Luft oder andere gasförmige Medien oder auch Flüssigkeitsströme über die Ableitungen (10) und (11) wasserstandsabhängig umgeschaltet werden.
Durch die variabel einstellbare Schalthysterese und durch das direkte Umschalten von gasförmigen Strömen oder Flüssigkeiten am oberen oder unteren Umschaltpunkt können bisher eingesetzte elektrisch oder pneumatisch betätigte Ventile, sowie Schwimmerschalter, Luftdrucksensoren oder andere komplizierte Meßsysteme zur Wasserstandhöhenerfassung und Regelung entfallen.
Bei paralleler Anordnung mehrerer nebeneinander befindlicher Schwimmerumschaltventile (19), welche mit unterschiedlichem Neigungswinkel zur Wasseroberfläche zueinander eingestellt sind, können auch größere als die beschriebenen Wasserstände reguliert werden. Das Gleiche gilt auch für eine Schwimmerumschaltventilanordnung, welche hintereinander angeordnet sind.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schwimmerumschaltventils (19), wie es in der Praxis in einem Wasserbehälter montiert sein kann.
Das Schwimmerumschaltventil wird über eine Befestigung (15) am Schachtbauwerk gehalten und über den Drehpunkt (5) bei unterschiedlichen Wasserständen (12) durch den Schwimmer (6) angehoben oder abgesenkt.
Die flexiblen Schlauchleitungen (2), (10) und (11), sowie das Kabel des Sensors (8) bewegen sich dabei bis zur Schlauchhalterungsstelle der Befestigung (15) mit.
Bei niedrigen Wasserstand (12) ist die Schlauchleitung (10) verschlossen, bei hohem Wasserstand (12) wird die Schlauchleitung (11) durch die Ventilkugel (7) verschlossen. Der Sensor (8) ist ein Brückensensor, dessen Reichweite durch einen zusätzlichen Permanentmagnet verstärkt wird.
Bei Annäherung der Ventilkugel (7) wird durch deren magnetischen Kern der Magnetismus des Permanentmagneten gebündelt und dieser Magnetismus auf den Brückensensor (8) übertragen, welcher dann eine Schaltfunktion ausführt.
Die Schaltfunktion, welche die Ventilkugel (7) am Sensor (8) ausführt, ist berührungslos und verschleißfrei.
In 3 ist ein Beispiel zum Betrieb einer Festbettanlage (22) mit dem Schwimmerumschaltventil (19) mit Vorklärung (16), Festbettreaktor (17) und Nachklärung (18) schematisch dargestellt.
Im Gegensatz zur klassischen in der Praxis eingesetzten Festbettanlage hat die Vorklärung (16) keine Verbindungsöffnung zum Reaktor (17) und die beschriebenen nachteiligen hydraulischen Wasserstöße können nicht in den Ablauf der Kläranlage gelangen. Der Wasserspiegel (12) in der Vorklärung (16) ist abgesenkt und dient genau wie bei den SBR-Anlagen als Vorklärungspufferspeicher (16) für zulaufendes Abwasser.
Ebenfalls ist im Reaktor (17) durch die mit diesem hydraulisch in Verbindung stehende Nachklärung (18) der Wasserstand (12) abgesenkt.
Diese Festbettanlage arbeitet ähnlich wie eine SBR-Anlage, hat aber nur einen Verdichter (20), keine elektromagnetischen Schaltventile, nur einen Zuleitungsluftschlauch (2) und das erfindungsgemäße Schwimmerumschaltventil (19). Die Steuerung (19) schaltet wie bei den bekannten Festbettanlagen über einen voreingestellten Zeitablauf den Verdichter (20), eine gewisse Zeit EIN und AUS.
Beim Einschalten des Verdichters (20), wird Luft in die Zuleitung (2) des Schwimmerumschaltventils (19) gefördert und gelangt über die nicht verschlossene Ableitung (11) einmal zum Tellerlüfter (21), welcher somit das Festbett (22) von unten belüftet, und zum anderen wird die Luft durch einen Abzweig in der Ableitung (11) auch zum Beschickungsheber (24) in die Vorklärung (16) geleitet.
Der Beschickungsheber (24) fördert also immer eine gewisse Abwassermenge Vorklärwasser pro Belüftungszeiteinheit in den Reaktor (17).
Der Beschickungsheber (24) ist so konstruiert, dass während dieser Zeiteinheit nur soviel Abwasser in den Reaktor (17) gepumpt wird, wie notwendig ist, um bei allen summierten Zeiteinheiten eines Tages die maximal anfallende Abwassermenge in den Reaktor (17) pumpen zu können.
Wenn genügend Vorklärwasser vorhanden ist, steigt demnach langsam der Wasserspiegel (12) im Reaktor (17) und in der Nachklärung (18) an. Beim Erreichen des maximalen gewünschten Wasserstandes (12) öffnet die Ventilkugel (7) die Ableitung (10) und verschließt die Ableitung (11) so, dass der Beschickungsheber (24) und der Tellerbelüfter (21) nicht mehr arbeiten.
Über die Ableitung (10) wird Luft in den Klarwasserheber gefördert, welcher dann im Klarwasserbereich das Klarwasser in das Abflussrohr fördert. Durch einen Abzweig an der Ableitung (10) gelangt ein Teil der Druckluft auch in den Überschussschlammheber (23), welcher abgesetzte Bakterien am Boden der Nachklärung (18) in die Vorklärung (16) fördert. Wegen des geringeren Rohrdurchmessers wird aber nur wenig Überschussschlamm mit dem Überschussschlammheber (23) abgepumpt.
Durch das Abpumpen des Klarwasserhebers (25), senkt sich der Wasserspiegel (12) wieder auf den gewünschten Minimalwert und die Ventilkugel (7) verschließt die Ableitung (10) und öffnet die Ableitung (11), so dass der gleiche Vorgang von Neuen beginnen kann.
In 4 ist ein weiteres Beispiel zum Betrieb einer Festbettanlage mit dem Schwimmerumschaltventil (19), ähnlich wie in 3, schematisch dargestellt, welche aber genau wie eine SBR-Anlage arbeitet und optimal die Vorteile einer Festbettanlage und einer SBR-Anlage vereint. Hierbei ist gegenüber 3 ein elektrisches Magnetventil (26) zusätzlich eingebaut, welches die Luftzufuhr zum Schwimmerumschaltventil (19) ein oder ausschaltet.
Wie bei SBR-Anlagen dient die Vorklärung als Pufferspeicher für zufließendes Abwasser.
Die in 4 dargestellt Festbettanlage funktioniert wie folgt:
Der Verdichter (20) wird eingeschalten und das Ventil (26) öffnet, so dass Luft über die Zuleitung (2) durch das Schwimmerumschaltventil (19) in die Ableitung (11) fließen kann und den Beschickungsheber (24) betätigt. Dieser pumpt Vorklärwasser aus der Vorklärung (16) in den Reaktor (17). Der Wasserstand (12) steigt im Reaktor (17) und in der Nachklärung (18) an. Wenn der maximale gewünschte Wasserstand erreicht ist, öffnet die Ventilkugel (7) die Ableitung (10) und verschließt die Ableitung (11), so dass kein Vorklärwasser mehr in den Reaktor gefördert wird. Gleichzeitig signalisiert der Magnetsensor (8), dass der maximale Wasserstand erreicht ist und das Schaltventil (26) schließt. Intervallmäßig wird das Festbett (22) durch den Tellerbelüfter (21) längere Zeit belüftet.
Nach Beendigung dieses Reinigungsvorganges wird der Luftverdichter (20) abgeschaltet. Nach einer Absetz- bzw. einer Sedimentationsphase wird der Verdichter (20) eingeschaltet, das Ventil (26) wird geöffnet, die Druckluft des Verdichters (20) fließt über die Zuleitung (2) in die offene Ableitung (10) in den Klarwasserheber (25), welcher das entstandene Klarwasser solange in das Abflussrohr pumpt, bis wieder der minimale Wasserstand erreicht ist und die Ventilkugel (7) die Ableitung (10) verschließt. Wie auch zu 3 beschrieben, wird während des Klarwasserpumpvorganges eine geringe Wassermenge Überschussschlamm mit dem Überschussschlammheber (23) in die Vorklärung (16) weggepumpt.
Sollte während des davor beschriebenen Beschickungsvorganges nicht genügend Wasser in der Vorklärung (16) vorhanden sein, so wird nach einem Zeitablauf dieser automatisch über das Ventil (26) abgeschaltet.
Sollte nach mehreren Beschickungsvorgängen das Schwimmerumschaltventil (19) nicht betätigt werden und die Ventilkugel (7) nicht den Sensor (8) betätigen, dann schaltet die Steuerung (19) um auf Schwachlastbetrieb und die Belüftungszyklen können automatisch verkürzt werden.
Wenn nach der Klarwasserabpumpphase die Ventilkugel (7) die Ableitung (10) verschließt, sollte durch diese Signalgebung am Sensor (8) das Ventil (26) geschlossen werden.
Sollte danach in einer begrenzten Zeiteinheit dennoch das Schwimmerumschaltventil angehoben werden und die Ventilkugel (7) am Sensor (8) ein Signal erzeugen, dann kann in die Kläranlage Fremdwasser eingedrungen sein und die Steuerung (19) meldet Hochwasseralarm oder eine ähnliche Meldung.
In 5 ist schematisch eine SBR-Anlage dargestellt, welche aus Vorklärung (16) und Reaktor (17) besteht. Bei bekannten SBR-Anlagen mit Drucklufterzeugern werden die Druckluftzuleitungen zum Tellerbelüfter (21), zum Beschickungsheber (24), zum Überschussschlammheber (23) und zum Klarwasserheber (25) mit Schaltventilen, wie mit Ventil (26), geschalten. Die Wasserstandshöhen werden dabei mit Schwimmerschaltern, mit Druckluftsensortechnik oder durch Zeitsteuerung geschalten.
Gemäß der in 5 dargestellten erfinderischen Lösung gibt es nur noch zwei Druckluftzuleitungen zur Kläranlage, da das erfindungsgemäße Schwimmerumschaltventil (26) alle gewünschten minimalen und maximalen Wasserstände (12) erfasst und direkt reguliert. Alle bei dieser druckluftbetriebenen SBR-Kläranlage notwendigen Vorgänge werden also nur durch das Ein- und Ausschalten des Luftdruckverdichters (20), durch das elektromagnetische Schaltventil (26) und durch das Schwimmerumschaltventil (26) gesteuert. Die Wasserstandshöhe (12) wird über die Ventilkugel (7) und den berührungslos schaltenden Magnetsensor (8) der Steuerung (19) signalisiert. Der Tellerbelüfter (21) wird immer betrieben, wenn der Luftverdichter (20) eingeschalten ist und das Ventil (26) geschlossen ist. Wenn das Ventil (26) öffnet, dann gibt der Tellerbelüfter keine Luftblasen an das Wasser ab, weil der Luftgegendruck der Belüftungsmembran größer ist, als der Luftdruck am Ventil (26), welcher indirekt die nach oben offenen Luftdruckheber (23), (24) und (25) mit Luft versorgt.
Die Vorklärung (16) dient als Pufferspeicher des frei zufließenden Abwassers.
Die wichtigsten Vorgänge in der 5 werden wie folgt beschrieben:
Der Wasserspiegel (12) befindet sich nach dem Klarwasserabpumpvorgang auf dem gewünschten Minimum, die Ventilkugel (7) hat die Ableitung (10) zum Klarwasserheber (25) geschlossen. Der Magnetsensor (8) signalisiert der Steuerung (9), dass keine Ventilkugel (7) sich in dessen Erfassungsbereich befindet und damit der minimale Wasserstand erreicht ist. Bei eingeschalteten Verdichter (20) und offenem Ventil (26) wird die erzeugte Druckluft durch die Zuleitung (2) in das Schwimmerumschaltventil (19) und von dort aus in die offene Ableitung (11) zu dem Überschussschlammheber (23) und zum Beschickungsheber (24) gepumpt. Da im Reaktor (17) noch eine ruhige Wasserphase vorhanden ist, sind die Bakterien in Richtung Reaktorboden abgesunken und haben sich dort abgesetzt. Alle unerwünschten Bakterien, welche sich oberhalb der Ansaugöffnungshöhe (33) des Überschussschlammhebers (23) befinden, werden nun dort angesaugt und in die Vorklärung (16) befördert. Ebenso und zur gleichen Zeit fördert der Beschickungsheber (24) alle Flüssigkeiten oberhalb seiner Ansaugöffnung in den Reaktor (17).
Das in den Reaktor (17) gepumpte Wasser fließt über einen geeigneten beruhigten Zulauf (35) in das Reaktorwasser, ohne dort die ruhige Wasserphase zu stören und ohne das die dort abgesetzten Bakterien aufgewühlt werden. Der konstruktive Aufbau des Überschussschlammhebers (23) ist so gestaltet, dass im Vergleich zum Beschickungsheber (24) nur wenig Wasser in der gleichen Zeiteinheit gefördert wird.
Wenn genügend Wasser in der Vorklärung (16) vorhanden ist, steigt der Wasserspiegel (12) im Reaktor (17) an und hebt das um seinen Drehpunkt (5) gelagerte Schwimmerumschaltventil (19) so lange an, bis die Ventilkugel (7) den Ventilsitz (3) verlässt und in den Ventilsitz (4) rollt, die Ableitung (11) verschließt und der Sensor (8) der Steuerung (9) signalisiert, dass der maximal gewünschte Wasserstand erreicht ist. Mit diesem Signal wird das Ventil (26) geschlossen und über die Zuleitung zum Tellerbelüfter (21) wird dieser, wie es für SBR-Kläranlagen üblich ist, intervallmäßig durch Ein- und Ausschalten des Luftverdichters (20) betätigt.
Mit dieser intervallmäßigen Belüftung wird die eigentliche Abwasserreinigung ausgelöst und als bekannt vorausgesetzt und nicht weiter beschrieben.
Nach der mehrstündigen Belüftungsphase schaltet die Steuerung (19) den Luftverdichter (20) aus, damit in dieser Sedimentationsphase wie schon erwähnt, die Bakterien sich in Richtung Beckenboden absetzen können und sich im oberen Wasserbereich des Reaktors 17 sich eine Klarwasserzone bilden kann.
Nach dieser vorgegebenen Zeit wird zuerst das Schaltventil (26) geöffnet und dann der Luftverdichter (20) eingeschaltet. Die Druckluft fliest dann durch das Schaltventil (26), durch die Ziuleitung (2) über die Ableitung (10) in den Klarwasserheber (25) und pumpt über dessen Ansaugöffnung das Klarwasser in das Abflussrohr, bis wieder der minimale Wasserstand erreicht ist, die Ventilkugel die Ableitung (10) wieder verschließt und der Magnetsensor (8) das der Steuerung (9) signalisiert. Ab diesem Zeitpunkt kann der neue Zyklus beginnen.
Wenn nicht genügend Vorklärwasser in der Vorklärung (16) vorhanden ist, wird der schon beschriebene Beschickungsvorgang in vorgegebenen Zeitabschnitten wiederholt. Wenn der Beschickungsheber (24) also kein oder nur wenig Wasser in den Reaktor (17) fördert, wird die Ventilkugel (7) nicht betätigt und der Magnetsensor (8) signalisiert der Steuerung (9), dass ein Schwachlastbetrieb vorliegt und die Belüftungsintervalle am Tellerbelüfter (21) verkürzt werden können.
Die wesentlichen Vorteile der nach 5 beschriebenen SBR-Kläranlage liegen darin, dass durch den Einsatz des Schwimmerumschaltventils (19) die sonst benötigten kostenintensiven, elektromagnetisch betriebenen Schaltventile mit den daran befindlichen Ableitungsleitungen, eingespart werden und durch die wasserstandsabhängige direkte Schaltungsvariante kürzere Heberpumpzeiten zustande kommen und so Energie eingespart wird.
In 6 wird die gleiche SBR-Kläranlage, wie in 5 dargestellt, außer das hier der maximale Wasserspiegel (12) dargestellt wird und die Ventilkugel (7) des Schwimmerumschaltventils (26) den Ventilsitz (3) dabei verlassen hat und auf den Ventilsitz (4) gerollt ist und hier das Signal über den Magnetsensor (8) das Signal auslöst, welches den maximalen Wasserstand (12) signalisiert. Außerdem fehlt das Ventil (26), dafür wird der Belüfter (21) von einem eigenen, zweiten Luftverdichter (34) mit Luft versorgt.
Ansonst gilt die zu 5 beschrieben Funktionsweise.
In 7 ist eine SBR-Anlage wie in 5 dargestellt, außer das ein zweites zusätzliches Schwimmerumschaltventil (40) vorhanden ist, welches wegen seiner kürzeren Halterung zum Drehpunkt (5) eine kleinere Schalthysterese hat und funktionell dem Schwimmerumschaltventil (19) untergeordnet ist.
Durch diese Veränderung wird die Pumpzeit am Überschussschlammheber (23) gegenüber der Pumpzeit des Beschickungshebers (24) verkürzt. Bei steigendem Wasserstand (12) im Reaktor (17) schaltet demnach der Überschussschlammheber (23) funktionell eher ab, als der Beschickungsheber (24) abgeschaltet wird. Dieses zweite Schwimmerumschaltventil kann auch mit dieser Wirkungsweise und Anordnung vor jeden Überschussschlammheber (23) in den 3 bis 6 eingebaut werden, wenn die Pumpzeit des Überschussschlammhebers (23) kürzer sein soll, als die des Beschickungshebers (24).
Die wichtigsten Vorgänge der in der 7 dargestellten Anordnung werden wie folgt beschrieben:
Der Wasserspiegel (12) befindet sich nach dem Klarwasserabpumpvorgang auf dem gewünschten Minimum, die Ventilkugel (7) hat die Ableitung (10) zum Klarwasserheber (25) geschlossen. Der Magnetsensor (8) signalisiert dies der Steuerung (9). Bei eingeschaltetem Verdichter (20) und geöffneten Ventil (26) wird die erzeugte Druckluft durch die flexible Zuleitung (2) in das Schwimmerumschaltventil (19) und von dort aus in die offene Ableitung (11) zum Beschickungsheber (24) gepumpt. Gleichzeitig gelangt die Druckluft durch einen Abzweig in der Ableitung (11) in die flexible Zuleitung (39), in das zweite Schwimmerumschaltventil (40) und gelangt über dessen offene Ableitung (41) in den Überschussschlammheber (23). Da im Reaktor (17) noch eine ruhige Wasserphase vorhanden ist, sind die Bakterien in Richtung Reaktorboden abgesunken und haben sich dort abgesetzt. Alle unerwünschten Bakterien, welch sich oberhalb der Ansaugöffnungshöhe (33) des Überschussschlammhebers (23) befinden, werden nun dort angesaugt und in die Vorklärung (16) befördert. Ebenso und zur gleichen Zeit fördert der Beschickungsheber (24) alle Flüssigkeiten der Vorklärung (16), welche sich oberhalb seiner Ansaugöffnung befindet, in den Reaktor (17). Das in den Reaktor (17) gepumpte Wasser fließt über einen geeigneten beruhigten Zulauf (35) in das Reaktorwasser, ohne dort die ruhige Wasserphase zu stören und ohne dass die dort abgesetzten Bakterien aufgewühlt werden. Wenn genügend Wasser in der Vorklärung (16) vorhanden ist, steigt der Wasserspiegel (12) im Reaktor (17) an und hebt das um seinen Drehpunkt (5) gelagerte Schwimmerumschaltventil (19) und das zweite Schwimmerumschaltventil (40) an.
Wegen der kürzeren Schalthysterese (Schaltabstand) rollt dabei zuerst die Ventilkugel (7) des zweiten Schwimmerumschaltventils (40) auf den Ventilsitz, welcher die Ableitung (41) so verschließt, dass der Überschussschlammheber (23) zu pumpen aufhört.
Die Ventilkugel (7) des Schwimmerumschaltventils (19) verschließt erst später die Ableitung (11), wenn der maximale gewünschte Wasserstand erreicht ist und schaltet dann auch den Beschickungsheber (24) ab. Der Sensor (8) an der Steuerung (9) signalisiert, dass der Maximal gewünschte Wasserstand erreicht ist. Mit diesem Signal wird das Ventil (26) geschlossen und über die Zuleitung zum Tellerbelüfter (21) wird dieser, wie es für SBR-Kläranlagen üblich ist, intervallmäßig durch Ein- und Ausschalten des Luftverdichters (20) betätigt.
Mit dieser intervallmäßigen Belüftung wird die eigentliche Abwasserreinigung ausgelöst und als bekannt vorausgesetzt und nicht weiter beschrieben.
Nach der mehrstündigen Belüftungsphase schaltet die Steuerung (19) den Luftverdichter (20) aus, damit in dieser Sedimentationsphase, wie schon erwähnt, die Bakterien sich in Richtung Beckenboden absetzen können und sich im oberen Wasserbereich des Reaktors (17), sich eine Klarwasserzone bilden kann. Nach dieser vorgegebenen Zeit wird zuerst das Schaltventil (26) geöffnet und dann der Luftverdichter (20) eingeschaltet. Die Druckluft fließt dann durch das Schaltventil (26), durch die Zuleitung (2), über die Ableitung (10) in den Klarwasserheber (25) und pumpt über dessen Ansaugöffnung das Klarwasser in das Abflussrohr, bis der minimale Wasserstand erreicht ist, die Ventilkugel (7) des zweiten Schwimmerumschaltventils (40) die Ableitung (41) öffnet, danach die Ventilkugel (7) des Schwimmerumschaltventils (19) die Ableitung (10) verschließt und der Magnetsensor (8) der Steuerung (9) signalisiert, dass der Zyklus abgeschlossen ist und von neuem beginnen kann.
In 8 wird eine SBR-Kläranlage mit Pumpenbelüftung schematisch dargestellt, in welcher das Schwimmerumschaltventil (26) die von der Pumpe (27) wasserstandsabhängig einmal das Klarwasser in das Ablaufrohr pumpt und zum anderen die bekannte Doppelfunktion als Überschussschlammpumpe erfüllt und den Beschickungsstoß ausführt, damit durch die kommunizierende Röhre (32) Abwasser aus der Vorklärung (16) in den Reaktor (17), durch den höheren Wasserstand in der Vorklärung (16) fließt. Durch das Schwimmerumschaltventil (19) wird gegenüber bekannten Anlagen eine Pumpe eingespart, bzw. werden gegenüber Herstellern, welche auch nur zwei Pumpen einsetzen, die für die Funktion notwendigen eingesetzten Zusatzteile wie Ventile, Mehrwegventile oder Ausgleichsbehälter eingespart.
Die Pumpe (28) wird zur Erzeugung des Treibwassers für den Wasserstrahlbelüfter (29) eingesetzt. Dieser arbeitet nach dem Venturiprinzip, saugt Luft an und strahlt dieses Luft-Wassergemisch über ein Strahlrohr in den Reaktor (17) und belüftet somit den Reaktor (17) für den Reinigungsprozess.
Die Anlage nach 8 funktioniert wie folgt:
Bei SBR-Kläranlagen, welche mit Unterwasserpumpen ausgestattet sind, erfolgt eine Befüllung des Reaktors (17) nur dann, wenn der Wasserstand in der Vorklärung (16) höher ist als im Reaktor (17).
In der Darstellung ist dies so und der Wasserstand (12) im Reaktor ist am minimalsten Punkt. Das Reaktorwasser wurde also schon abgepumpt. Die Steuerung (19) schaltet die Pumpe (27) kurz ein und aus.
Während dieser kurzen Einschaltphase saugt die Pumpe (27) Klarwasser aus der ruhigen Wasserphase an und pumpt dieses durch die Zuleitung (2) in das Schwimmerumschaltventil (19) über die offene Ableitung (11) durch die Venturidüse (30) in die korrespondierende Röhre (32). Durch den hinter den Venturidüseneingang (30) entstehenden Unterdruck wird durch das Ansaugrohr (31) überschüssiger Belebtschlamm an dessen unteren Öffnung angesaugt und ebenfalls, durch die kommunizierende Röhre (32) in den Reaktor (17) befördert. Alle sich schlecht absetzbaren Belebtschlammbakterien, welche sich oberhalb des Abstandes (33) befinden, werden so als Überschussschlamm in die Vorklärung befördert.
Schaltet die Pumpe (27) ab, dann fließt nach dem Prinzip der frei kommunizierenden Röhre (32) Vorklärwasser aus der Vorklärung (16) in entgegen gesetzter Richtung hauptsächlich durch das Ansaugrohr (31) in den Reaktor (17).
Der Wasserspiegel (12) im Reaktor steigt so lange an, bis die Ventilkugel in ihre andere Endlage rollt, dort die Ableitung (11) verschließt, der Magnetsensor (8) dies erkennt und der Steuerung (9) diesen maximalen Wasserstand (12) signalisiert.
Dieser Befüllungsvorgang des Reaktors (17) wird gestoppt, indem die Pumpe (28) eingeschalten wird und der Wasserstrahlinjektor über sein Strahlrohr (29) Luftblasen in den Reaktor (17) einstrahlt. Einige dieser Luftblasen werden von der Fangschale des Ansaugrohres (31) aufgefangen und steigen in der korrespondierenden Röhre (32) nach oben und unterbrechen wegen der größer werdenden Luftblase diesen Befüllungsvorgang.
Nach diesem Befüllungsvorgang bleibt die Pumpe (27) ausgeschalten und die Pumpe (28) belüftet über den daran angeschlossenen Wasserstrahlinjektor (29) das Reaktorwasser im Reaktor (17) in den vorgegebenen Belüftungsintervallen, die hier nicht näher beschrieben werden.
Nach dieser Reinigungsphase wird ebenfalls die Pumpe (28) abgeschaltet und die Bakterien setzen sich in Richtung Reaktorbeckenboden ab. Nach Ablauf dieser Sedimentationsphase bilden sich in der oberen Wasserschicht des Reaktors (17) Klarwasser, welches beim Einschalten der Pumpe (27) angesaugt wird und durch die Zuleitung (2), durch das Schwimmerumschaltventil (19), in die offene Ableitung (10) durch das Abflussrohr der Kläranlage gepumpt wird. Bei diesem Abpumpprozess fällt der Wasserspiegel (12) im Reaktor (17) solange, bis die Ventilkugel (7) den Ventilkugelsitz (4) der Ableitung (11) verlässt und den Ventilkugelsitz (3) der Ableitung (10) verschließt. Der Magnetsensor (8) signalisiert der Steuerung (9), dass der minimale Wasserstand (12) erreicht ist und die schon beschriebene Überschussschlammfunktion mit der Befüllungsfunktion und der nachfolgenden Belüftungsphase von der Steuerung (9) erneut eingeleitet werden kann.

1: druckfeste Kunststoffröhre
2: flexible Zuleitung
3: Ventilkugelsitz an der flexiblen Ableitung 10
4: Ventilkugelsitz an der flexiblen Ableitung 11
5: Drehpunkt mechanisch
6: Schwimmer
7: Ventilkugel
8: Magnetsensor/Brückensensor
9: elektronische Steuerung
10: flexible Ableitung
11: flexible Ableitung
12: Wasseroberfläche/Wasserstandshöhe
13: Neigungswinkel der Ventilsitze 3 und 4 zueinander
14: elektrische Leitung des Magnetsensors 8
15: mechanische Halterung
16: Vorklärung
17: Reaktor
18: Nachklärung
19: Schwimmerumschaltventil
20: Verdichter (Drucklufterzeuger)
21: Belüfter (Tellerbelüfter)
22: Festbett, Wirbelbett, Schwebebett, Belebtschlammreaktor
23: Überschussschlammheber
24: Beschickungsheber
25: Klarwasserheber
26: elektromagnetisches Schaltventil
27: Pumpe
28: Belüftungspumpe
29: Wasserstrahlbelüfter (Strahlrohr)
30: Venturidüsenengstelle
31: Ansaugrohr
32: korrespondierende Röhre
33: Höhe der Überschussschlammabsaugung
34: Verdichter nur für die Belüftung
35: beruhigter Zulauf des Beschickungshebers 24
39: flexible Zuleitung
40: zweites Schwimmerumschaltventil
41: flexible Ableitung

Claims

Schwimmerumschaltventil (19) umfassend einen Schwimmkörper bestehend aus einer Kunststoffröhre (1) und einem Schwimmer (6), eine flexible Zuleitung (2) und zwei Ventilkugelsitze (3; 4), wobei die Zuleitung (2) in die Kunststoffröhre (1) mündet und die beiden Ventilkugelsitze (3; 4) in zwei flexible Ableitungen (10; 11) münden, sich im Inneren der Kunststoffröhre (1) eine bewegliche Ventilkugel (7) mit magnetischem oder magnetisierbaren Kern befindet, die Kunststoffröhre (1) um eine Achse zwischen zwei Endlagen bewegbar ist und die Ventilkugel (7) je Lage der Kunststoffröhre (1) in deren Inneren bewegbar ist, so dass in einer der beiden Endlagen der Kunststoffröhre (1) die Ventilkugel (7) einen der Ventilkugelsitze (3; 4) verschließt.
Schwimmerumschaltventil (19) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Kunststoffröhre (1) an einem der beiden Ventilkugelsitze (3; 4) ein elektrischer Magnetsensor (8) angeordnet ist, welcher die Position der Ventilkugel (7) mit magnetischem Kern berührungslos detektiert.
Schwimmerumschaltventil (19) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffröhre (1) ein druckdichtes, um eine Achse bewegliches Gefäß mit zwei Endlagen ist, die Ventilkugel (7) aus Gummi oder Kunststoff mit einer Eisen- oder Stahlkernfüllung ist, die Ventilkugel (7) formschlüssig in die Ventilsitze (3; 4) greift und die Zuleitung (2) sowie die Ableitungen (10; 11) flexibele Schläuche sind.
Schwimmerumschaltventil (19) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffröhre (1) an einem Ende den Schwimmer (6) aus schwimmfähigen Material aufweist und am anderen Ende über einen festen Drehpunkt (5) mechanisch geführt ist, so dass bei steigenden und sinkenden Wasserstand, der Schwimmer (6) das Schwimmerumschaltventil (19) anheb- sowie absenkbar ist, so dass die Ventilkugel (7) im Betriebszustand des Schwimmerumschaltventils (19) bei hohem Wasserstand (12) auf dem niedrigeren Ventilkugelsitz (4) positioniert ist und die Ableitung (11) verschließt oder bei niedrigen Wasserstand (12) auf dem Ventilkugelsitz (3) positioniert ist und die Ableitung (10) verschließt.
Schwimmerumschaltventil (19) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Magnetsensor (8) ein Brückensensor ist, dessen magnetische Reichweite durch einen zusätzlichen Permanentmagnet verstärkt wird, wobei der Permanentmagnet in der Nähe des Brückensensors so befestigt ist, dass der magnetische Kern der Ventilkugel (7) bei Annäherung das Magnetfeld des Permanentmagneten bündelt und auf den Brückensensor (8) überträgt, so dass vom Brückensensor ein Signal über eine elektrische Leitung (14) übertragbar ist.
Schwimmerumschaltventil (19) gemäß Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand des Schwimmerumschaltventils (19) die Umschaltpunkte der gewünschten maximalen und minimalen Wasserstände (12) durch die Entfernung des Drehpunktes (5) zum Schwimmers (6), durch die Tiefe der Ventilkugelsitze (3; 4) und durch den Neigungswinkel (13) der Ventilkugelsitze (3; 4) zueinander bestimmt sind.
Verfahren zum Betreiben eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem über die flexible Zuleitung (2) das Schwimmerumschaltventil (19) mit der vom Luftverdichter (20) erzeugten Druckluft versorgt wird und die Luftströmung wasserstandsabhängig so umschaltet, dass die an den flexiblen Ableitungen (10 und 11) angeschlossenen Druckluftheber oder Belüftungselemente in Form von Tellerbelüftern (21), abwechselnd in gewünschter Verfahrensweise mit Druckluft versorgt oder durch die Ventilkugel (7) abgeschaltet werden.
Verfahren zum Betreiben eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem das Schwimmerumschaltventil (19) befestigt und um seinen Drehpunkt (5) gelagert jeweils auf dem Vorklärwasser der Vorklärung (16), auf dem Reaktorwasser des Reaktors (17) und auf dem Nachklärwasser der Nachklärung (18) schwimmt und den gewünschten minimalen und maximalen Wasserstand (12) entsprechend einer eingestellten Schalthysterese regelt.
Verfahren zum Betreiben eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem das Schwimmerumschaltventil (19) direkt vom Verdichter (20) oder über ein Schaltventil (26) mit Druckluft versorgt wird und die flexiblen Ableitungen (10) und (11) je nach gewünschter Betriebsart bei den klassischen Belebungsanlagen, den Festbettanlagen, den Wirbelbettanlagen, den Schwebebettanlagen und den SBR-Anlagen an den Beschickungsheber (24), der Überschussschlammheber (23), der Klarwasserheber (25) und die Belüftungseinrichtung (21) insgesamt oder auch nur teilweise angeschlossen sind.
Verfahren zum Betreiben eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetsensor (8) die durch die Ventilkugel (7) realisierten Umschaltvorgänge einer Steuerung (19) signalisiert und dass bei niedrigem Wasserstand nach längerer Zeit kein Signalwechsel durch den Magnetsensor (8) erfolgt und dies durch die Steuerung (19) so gewertet wird, dass ein Schwachlastbetrieb vorliegt und die Belüftungszeiten am Belüfter (21) verringert werden.
Verfahren zum Betreiben eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem bei SBR-Anlagen an der Ableitung (11) des Schwimmerumschaltventils (19) der Beschickungsheber (24) sowie der Überschussschlammheber (23) gemeinsam angeschlossen sind und an der Ableitung (10) der Klarwasserheber (25) angeschlossen ist oder an der Ableitung (11) nur der Beschickungsheber (24) und an der Ableitung (10) der Klarwasserheber (25) sowie der Überschussschlammheber (23) gemeinsam angeschlossen sind.
Verfahren zum Betreiben eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem durch das Schwimmerumschaltventil (19) ein erzeugter Wasserstrom oder ein anderes flüssiges Medium, welches in die Zuleitung (2) strömt, bei niedrigen Wasserstand (12) in die offene Ableitung (11) abgeleitet wird und beim maximalen Wasserstand (12), nachdem die Ventilkugel die Ableitung (10) geöffnet hat und die Ableitung (11) verschlossen hat, in die Ableitung (10) abgeleitet oder umgeschaltet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem das Schwimmerum schaltventil (19) über eine Pumpe (27) durch die flexible Zuleitung (2) mit drückenden Reaktorwasser aus dem Reaktor (17) durchströmt wird, bei niedrigem Wasserstand (12) dies durch die offenen Ableitung (11) in die korrespondierende Röhre (29) fließt, durch den Unterdruck an der Venturidüseneinengung (39) am Ansaugrohr (31) in der Höhe (33) die Überschussschlammbakterien ansaugt und diese mit dem Reaktorwasser gemeinsam in die Vorklärung befördert, wobei beim Ausschalten der Pumpe (27) das Vorklärwasser mit höheren Wasserspiegel (12) als das Reaktorwasser frei kommunizierend in umgekehrter Richtung über das Ansaugrohr (31) in den Reaktor (17) fließt, dort den Wasserstand (12) erhöht, bis am gewünschten maximalen Wasserstand die Ventilkugel (7) den Ventilsitz (3) verlässt, den Ventilsitz (4) verschließt und dadurch der Magnetsensor (8) der Steuerung (19) signalisiert, dass der maximale Wasserstand (12) erreicht ist und das nach der folgenden Reinigungsphase und Klarwasserphase dann die Pumpe (27) wieder einschaltet und das Klarwasser über die Zuleitung (2) durch das Schwimmerumschaltventil (19) über die offene Ableitung (10) in den Kläranlagenablauf pumpt, bis der minimale Wasserstand (12) erreicht ist und die Ventilkugel (7) den Magnetsensor (8) verlässt, den Ventilkugelsitz (3) verschließt und dieses so der Steuerung (9) signalisiert, das ein Reinigungszyklus beendet ist und ein neuer Zyklus eingeleitet werden kann.
Verfahren zum Betreiben von zwei Schwimmerumschaltventilen (19 und 40) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem das zweite Schwimmerumschaltventil (40) wegen seiner kürzeren Halterung zum Drehpunkt (5) eine kleinere Schalthysterese hat und dabei vom Schwimmerumschaltventil (19) über die Ableitung (11) und der Zuleitung (39) mit Druckluft versorgt wird, wobei bei steigendem Wasserstand (12) im Reaktor (17) eher die Ableitung (41) verschlossen wird als das erste Schwimmerumschaltventil (19) die Ableitung (11) verschließt und bei sinkenden Wasserstand (12) im Reaktor (17) die Ableitung (41) sich eher öffnet, als das Schwimmerumschaltventil (19) die Ableitung (11) öffnet.
Verfahren zum Betreiben von zwei Schwimmerumschaltventilen (19 und 40) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 in einer Anordnung zur Abwasserreinigung bei dem das zweite Schwimmerumschaltventil (40) parallel und gleichberechtigt zum Schwimmerumschaltventil (19) betrieben wird, indem die Zuleitung (2) einmal zum Schwimmerumschaltventil (19) führt und über einen Abzweig in dieser Leitung die Zuleitung (39) und damit das Schwimmerumschaltventil (40) mit Druckluft versorgt wird, wobei die Schaltzustände an dessen Ableitungen eine Schalthysterese aufweisen, welche größer, kleiner oder auch ausserhalb der Schalthysterese des Schwimmerumschaltventils (19) liegen.
Verwendung eines Schwimmerumschaltventils (19) gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 6 als Schwimmerschalter und Schalt- oder Umschaltventil zu der Regelung der Wasserstände in Kläranlagen oder anderer flüssigen Medien.