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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Klarwasser-Druckluftheber für biologische Kläranlagen mit Rückspülfunktion
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Bei fast allen Biologischen Kläranlagen, welche nicht mit elektrischen Unterwasserpumpen, sondern mit einem Drucklufterzeuger, auch Verdichter oder Kompressor genannt, arbeiten, sind Druckluftheber notwendig, um das häusliche Abwasser von einem Becken in ein anderes zu fördern, oder das entstehende Klarwasser in den Ablauf der Kläranlage zu pumpen. Druckluftheber bestehen aus beidseitig offenem Rohr mit einem seitlich angebrachten Druckluftanschluss. Die Druckluftheber sind senkrecht so in den Kläranlagen angebracht, dass der Druckluftanschluss soweit wie möglich unter dem Wasserspiegel liegt, dass die Ansaugöffnung des Rohres in der gewünschten Höhe Wasser ansaugen kann und die Austrittsöffnung des Rohres dort platziert wird, wo das geförderte Wasser abgeleitet werden soll. Befindet sich im Kläranlagenbehälter genügend Wasser, so dass auch das Heberrohr oberhalb des Druckluftanschlusses gut mit Wasser gefüllt ist, so strömt, bei eingeschaltetem Drucklufterzeuger, die Druckluft durch die Lufteintrittsöffnung, in das Heberrohr, und fördert das Wasser senkrecht nach oben. Die entstehenden Luftblasen reißen das umgebende Wasser im Rohr mit nach oben und fördern so das nachströmende Wasser durch die Austrittsöffnung des Heberrohres.
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Dieser Pumpvorgang dauert so lange, bis der Wasserspiegel im Kläranlagenbehälter so abgesenkt ist, das nun der verkürzte Weg im Heberrohr, die Auftriebskräfte der hoch strömenden Luftblasen kein Wasser mitreißen mehr kann, oder der Drucklufterzeuger ausgeschalten wird. In biologischen Kläranlagen wird vor allem in SBR-Kläranlagen das zufliesende Abwasser in einem Vorklärbehälter gespeichert, um nach einem Zyklus von mehreren Stunden in einen SBR-Reaktor gefördert zu werden.
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In dem Reaktorbecken, auch als Reaktor bezeichnet, wird das Abwasser durch Teller-, oder Rohrbelüfter feinperlig belüftet, Durch diese Belüftung können die dort befindlichen frei schwimmenden Bakterien atmen und das Abwasser durch ihre Stoffwechselprozesse reinigen. Nach dieser Reinigungsphase wird die Belüftung abgeschaltet, so dass sich die Bakterien durch Absinken am Boden absetzen können. Nach dieser Absetzphase entsteht über der Bakterienschicht eine Klarwasserzone, welche nun vom Klarwasserheber, in gleicher Funktion wie beschrieben, in den Ablauf der Kläranlage gepumpt wird.
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Zur gleichen Zeit werden überschüssige Bakterien, durch den parallel zum Klarwasserheber betriebenen Überschussschlammheber, in geringerer Menge, wegen des geringer dimensionierten Heberrohres, in die Vorklärung gepumpt.
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Nach dieser Klarwasserpumpzeit beginnt der Kläranlagenzyklus wieder mit der Beschickungspumpzeit, in dem der Beschickungsheber das Vorklärwasser, in vorprogrammierter Zeit, in den Reaktor pumpt bzw. fördert. Die Druckluft für den Beschickungsheber, für den Tellerlüfter und für den Klarwasser- bzw. Überschussschlammheber wird über einzelne elektromagnetisch betätigte Ventile, entsprechend geschalten. Diese Ventile werden über einen Druckluftverdichter mit Druckluft versorgt.
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Aus diesen Gründen sind die Druckluftheber gemäß dem Stand der Technik so konstruiert, dass dessen Ansaugöffnung unterhalb der Wasseroberfläche liegt und der Abpumpvorgang dann erreicht ist, wenn kein Wasser über die Unterkante der Ansaugöffnung mehr fließen kann (siehe 1). Durch diese Notwendigkeit, um den oberen Klarwasserbereich und nicht den darunter liegenden Bereich der abgesetzten Bakterien abpumpen zu müssen, ist es notwendig das hinter der Ansaugöffnung folgende Ansaugrohr senkrecht nach unten zu führen und über einen U-förmigen 360 Grad Bogen mit dem folgenden senkrecht nach oben folgenden Hebelrohr zu verbinden. Damit Auftriebskräfte der in das Heberrohr strömenden Druckluftblasen am größten sind, muss die am Heberrohr seitlich angebrachte Lufteintrittsöffnung so tief wie möglich, aber oberhalb der Rohrkrümmung angebracht sein.
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Der so von fast allen Herstellern ausgestaltete Klarwasserheber hat den Nachteil, dass das Vorklärwasser beim Befüllen des Reaktors mittels Beschickungsheber in die Ansaugöffnung des Klarwasserhebers läuft und sich dort schwebende Partikel absetzen können.
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Die Verschmutzung des Klarwasserhebers geschieht bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik weit aus intensiver im danach folgenden Belüftungsprozess, indem die beim Einschalten des Teller-, Rohr-, Membranbelüfters aufsteigende Luftblasen als erstes das Wasservolumen im Reaktor erhöhen und zum zweiten die abgesetzten Belebtschlammbakterien im Reaktorwasser verwirbeln, so dass diese durch die Volumenerhöhung ebenfalls durch die Ansaugöffnung in das Ansaugrohr des Klarwasserhebers gelangen und sich ebenfalls dort absetzen. Der Belüftungszeitraum im Reaktor einer SBR-Kläranlage dauert oft mehrere Stunden. Der Teller- oder Rohrmembranbelüfter wird daher in diesem Zeitraum im vorgewählten Zyklus ein- und ausgeschalten, so dass zumindest bei jedem Belüftungsbeginn immer wieder Belebtschlammbakterien wegen der beschriebenen Volumenerhöhung in den Klarwasserheber gedrückt werden. Da die Belebtschlammbakterien schwerer als Wasser sind, sinken diese im Ansaugrohr nach unten und füllen die Rohrbögen, welche das Ansaugrohr und das Hebelrohr miteinander verbinden. Zu Beginn der Klarwasserpumpzeit fördert der Klarwasserheber diese Ablagerungen in den Kläranlagenablauf.
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Dies ist in der Praxis leicht zu erkennen, denn die ersten Pumpstöße haben die Farbe der Belebtschlammbakterien. Im weiteren Pumpvorgang ist der Klarwasserheber vom angesaugten Klarwasser so durchspült, dass alle Rohrablagerungen weggefördert sind. Und nur noch Klarwasser aus der Klarwasserzone des Reaktors in den Ablauf der Kläranlage gefördert wird.
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Nachteilig ist somit bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik, dass Belebtschlammbakterien auf diese Art und Weise ständig aus der Kläranlage in den Abfluss gelangen. Dieser so bezeichnete Belebtschlammabtrieb hat zur Folge, dass im Reaktor sich das Belebtschlammvolumen ständig verringert und damit auch die Abwasserreinigungsleistung. Besonders nachteilig ist, wenn sich hinter dem Kläranlagenablauf ein eine Versickerung befindet, welche durch die Schlammabtrieb langsam verschlammt und unbrauchbar wird. Das Gleiche gilt, wenn sich hinter dem Kläranlagenablauf ein Vorfluter befindet, welcher durch die Schlammbelastung und der damit verbundenen Sauerstoffreduktion im Wasser des Vorfluters ein Ungleichgewicht entsteht. Nachteilig ist ebenfalls, dass es keine Druckluftheber gibt, bei welcher die verstopfte Ansaugöffnung des Beschickungshebers, durch eine geeignete Rückspülung diese Verstopfung beseitigt.
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Zur Lösung dieser Nachteile sollte ein Klarwasserheber so konstruiert sein, dass kein Wasser- Belebtschlammgemisch in die Ansaugöffnung eindringen kann, oder das dieser abgesetzte Belebtschlamm vor der Klarwasserpumpzeit aus dem Klarwasserheber in den Reaktor zurückgespült wird und dadurch die Verschlammung von Versickerungen, sowie die Verunreinigung von Gewässern vermieden wird.
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In der Praxis und aus Offenlegungsschriften sind einige Lösungsvarianten realisiert bzw. bekannt, welche den geschilderten Nachteilen entgegenwirken sollen.
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Gemäß
DE 20 2005 019 918 U1 sind bspw. Rückschlagklappen an den Ansaugöffnungen des Klarwasserheberrohres angebracht, um dort die Belebtschlammbakterien nicht eindringen zu lassen. Langjährige Erfahrungen haben gezeigt, dass die im Abwasser schwimmenden Haare oder ähnliche Teile die beweglichen Klappen oder Ventile so umschlingen, dass die gewünschten Verschlusskräfte nach einiger Zeit nicht mehr wirken oder durch aufwendige Wartungsarbeiten ständig gesäubert werden müssen.
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In
DE 10 2008 038 116 A1 und
DE 10 2007 049 517 A1 wird vorgeschlagen, die partikulären Stoffe und die Belebtschlammbakterien mit Filtervorrichtungen so auszufiltern, dass diese in den Filtern aufgefangen werden und nicht die Kläranlage verlassen können. Hierzu sind Signalvorrichtungen notwendig, welche den Füllstandsgrad des Filters anzeigen, und die notwendige Filterreinigung signalisieren.
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Nachteilig ist hierbei, dass die Belebtschlammbakterien nicht wieder dem Reaktor zugeführt werden, sondern für den Reinigungsprozess verloren gehen. Hinzu kommt, dass die Filtrierung und die Wartung der Filter sehr kostenaufwendig sind.
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Weitere Lösungsvorschläge werden bspw. in
DE 10 2007 058 177 A1 ,
DE 10 2008 020 938 A1 und in
EP 1 582 263 B1 offenbart. Gemäß dieser Lösungsvorschläge wird versucht, durch Strömungsableitvorrichtungen an der Ansaugstelle des Klarwasserhebers das Eindringen von Belebtschlamm während der Belüftung im Reaktor zu verhindern. Durch bestimmte Rohranordnungen wird dabei versucht, dass während der Belüftung strömende Wasser-Belebtschlammgemisch von der direkten Ansaugöffnung des Saugrohres vom Klarwasserheber fernzuhalten, oder sich in einer Art Pufferrohr beruhigen zu lassen. Bei diesen Lösungsvorschlägen wird jedoch nicht berücksichtigt, dass eine Volumenerhöhung am Anfang jeder Belüftung entsteht. Die Volumenerhöhung bewirkt einen Überdruck gegenüber dem beidseitigen offenen Klarwasserheberrohr und versucht sich in diesem auszugleichen. Folglich fließt also in jedem Fall bei jedem Belüftungsanfang das Wasser-Belebtschlammgemisch in die Ansaugöffnung des Klarwasserhebers, um sich am Boden des U-förmigen 360 Grad-Bogens abzusetzen. Somit reduzieren die in
DE 10 2007 058 177 A1 ,
DE 10 2008 020 938 A1 und in
EP 1 582 263 B1 beschrieben Maßnahmen nur den Belebtschlammabtrieb.
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DE 100 57 378 B4 offenbart eine elektrische Unterwasserpumpe als Klarwasserpumpe, welche das Klarwasser aus dem Klarwasserbereich in den Ablauf der Kläranlage pumpen soll.
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Belebtschlammablagerungen, aus dem zuvor stattgefundenen Belüftungszyklus, welche in der Pumpe auftreten, werden gemäß dieser technischen Lösung durch ein oder mehrere Pumpenstöße beseitigt. Es wird also kurzzeitig Wasser in das ausgangsseitige Steigrohr gepumpt, damit dieses im freien Fall durch die Pumpe strömt und den dort liegenden Belebtschlamm mitreißt und in den Reaktor fließen lässt. Diese gute Funktionsweise einer hydraulischen Spülung ist aber bei gleicher Anwendung im druckluftbetriebenen Klarwasserheber wegen des unten geschlossenen 360 Grad förmigen U-Bogens nicht möglich.
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In Tests wurde versucht, diese hydraulische Rückspülung am Klarwasserheber praktisch durchzuführen. Durch einen kurzzeitigen Druckluftstoß wurde dabei die Wassersäule im Heberrohr angehoben, dass dafür notwendige nachströmende Wasser war gering, da die Volumenerhöhung im Steigrohr zum größten Teil von den eingeströmten Luftblasen herrühren, Die herab fallende Wassersäule, muss sich erst von den aufsteigenden Luftblasen trennen und hat deswegen nicht die erforderliche Geschwindigkeit, um den Belebtschlamm in den U-förmigen Rohrteil so mitzunehmen, dass diese aufsteigend bis zur Ansaugöffnung gelangt, um dort in das Reaktorwasser zu gelangen. Der Vorgang wurde wiederholt mit einem oberhalb vom Auslauf des Heberrohres angebrachten Pufferbehälter. Beim Betätigen des Klarwasserhebers wird also dieser erst mit Wasser befüllt, ehe das Klarwasser seitlich aus diesem ablaufen kann. Um einen Spülstoß zu erzeugen, wird der Klarwasserheber kurzzeitig so lange eingeschaltet, bis der Pufferbehälter gefüllt ist und noch nicht überläuft. Beim Ausschalten des Klarwasserhebers strömt das Wasser aus dem Pufferbehälter in den Heber zurück und drückt die gepufferte Wassermenge durch die Ansaugöffnung in den Reaktor zurück. Der so ausgespülte Belebtschlammanteil ist gering und entspricht nur der Menge des Klarwasserbelebtschlammgemisches des Volumens des Pufferbehälters. Der Pufferbehälter kann und darf nicht zu groß gewählt werden, weil dessen Wassergegendruck die Förderhöhe und die Förderleistung des Klarwasserhebers stark reduziert. Außerdem reicht die Strömungsgeschwindigkeit des zurückfließenden Wassers nicht aus, die Belebtschlammablagerungen am Boden des U-förmigen Rohrbogens mitzureißen.
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Die zuvor beschriebene hydraulische Rückspülung der Belebtschlammbakterien ist demzufolge nicht zufrieden stellend.
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Die
DE 10 2010 049 709.6 schlägt einen Klarwasser-Druckluftheber mit Rückspülfunktion bestehend aus einem Ansaugrohr mit einer Ansaugöffnung in seiner Wand und einem Heberrohr vor (wobei das Ansaugrohr und das Heberrohr einen gemeinsamen Verbindungsraum aufweisen), einer Druckluftleitung mit einer Lufteintrittsöffnung (wobei die Lufteintrittsöffnung in das Hebemohr mündet) und einem gebogenen Ablaufrohr mit Wasserpuffer (welches mit dem Heberohr verbunden ist, so dass ein Wasserleitweg von der Ansaugöffnung durch das Ansaugrohr in das Heberrohr hin zum Ablaufrohr ausgebildet ist), wobei ein mittig durch eine Trennwand geteiltes Hüllrohr (welches an seinem einen Ende mit einem Boden geschlossen ist und an seinem anderen, offenen Ende in das Ablaufrohr übergeht) das Ansaugrohr und das Heberrohr ausbildet, die Trennwand an ihrer unteren Kante an ihrem Scheitelpunkt zwischen Heberrohr und Ansaugrohr einen Verbindungsbogen mit einer 360°-förmigen Spitzwende der beiden senkrecht nach oben führenden Rohre bildet (wobei im Verbindungsbogen der Abstand der Trennwand zum Boden des Hüllrohrs annähernd die Hälfte des Durchmessers des Hüllrohres beträgt), die Lufteintrittsöffnung auf oder in der Trennwand auf der Seite des Heberrohrs in unmittelbarer Nähe des Scheitelpunkts der Trennwand liegt, das Ansaugrohr über der Ansaugöffnung mit einer Abschottung verschlossen ist und die seitliche Öffnung des Ablaufrohrs annähernd um die Hälfte seines Rohrdurchmessers reduziert ist, so dass der Wasserpuffer ausgebildet ist vor, um die hydraulische Rückspülung der Belebtschlammbakterien zu verringern, wobei in der praktischen Anwendung des Klarwasser-Drucklufthebers gemäß
DE 10 2010 049 709.6 die in Deutschland geltenden Normen für das Klarwasser von Kläranlagen bzgl. des Anteils an abfilterbaren Bestandteilen (wie insbesondere Bakterien des Belebtschlamms) erfüllt wohingegen die strengeren, in Frankreich geltenden Normen bzgl. dieses Anteils deutlich überschritten werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Klarwasser-Druckluftheber für biologische Kläranlagen und Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, welche gegenüber dem Klarwasser-Druckluftheber und dem Verfahren gemäß
DE 10 2010 049 709.6 den Anteil der abfilterbaren Bestandteile des Klarwassers (insbesondere der Bakterien des Belebtschlamms) deutlich reduziert, so dass die in Frankreich geltenden Normen bzgl. dieses Anteils erfüllt werden können.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Klarwasserheber für biologische Kläranlagen gemäß dem 1. Patentanspruch und ein Verfahren zu dessen Betrieb gemäß dem 9. Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der Klarwasser-Druckluftheber so ausgeführt ist, dass dieser in einer Kombination von hydraulischer und pneumatischer Rückspülung in der Art und Weise funktioniert, dass der Belebtschlamm in den Reaktor gespült und dafür eine in ihrem Volumen vergrößerte Druckluftleitung und ein kleiner Pufferbehälter am Ausgang des Heberrohres verwendet wird, um zwei Spülfunktionen in Kombination nacheinander oder auch einzeln ablaufen zu lassen.
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Dazu umfasst der Klarwasser-Druckluftheber mit Rückspülfunktion ein Ansaugrohr mit einer Ansaugöffnung in der Wand und ein Heberrohr, wobei das Ansaugrohr und das Heberrohr einen gemeinsamen Verbindungsraum aufweisen, sowie eine Druckluftleitung, die in eine Trennwand mündet, welche als Hohlkörperprofil ausgebildet ist und am unteren Ende eine Lufteintrittsöffnung hat, wobei die Lufteintrittsöffnung in das Heberrohr mündet, und ein gebogenes Ablaufrohr mit Wasserpuffer, welches mit dem Heberrohr verbunden ist, so dass ein Wasserleitweg von der Ansaugöffnung durch das Ansaugrohr in das Heberrohr hin zum Ablaufrohr ausgebildet ist.
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Eine mittig, durch eine als Hohlkörper ausgebildete Trennwand geteiltes Hüllrohr, welches an seinem einen Ende mit einem Boden geschlossen ist und an seinem anderen, offenen Ende in das Ablaufrohr übergeht, bildet dabei erfindungsgemäß das Ansaugrohr und das Heberrohr mit jeweils einem halbkreisförmigen Querschnitt aus, wobei die Querschnittfläche des Ablaufrohrs nahezu doppelt so groß ist wie die Querschnittfläche des Heberrohrs.
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Die als Hohlkörper ausgebildete Trennwand besitzt am oberen Ende einen Anschluss für die Druckluftleitung, welche mit einem Verdichter verbindbar ist, und am unteren Ende einseitig eine Lufteintrittsöffnung, wobei Systemundichtheiten am Verdichter und/oder gewollte Nebenöffnungen Luft entweichen und Wasser in die als Hohlkörper ausgebildete Trennwand gelangen kann.
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Die Trennwand bildet gemäß der Erfindung gleichzeitig durch ihren 360°-förmigen Scheitelpunkt zwischen dem Ansaugrohr und dem Heberrohr einen Verbindungsbogen, wobei ihr Abstand zum Boden des Hüllrohrs annähernd der Hälfte des Durchmessers des Hüllrohres beträgt. Dabei entspricht das Hohlkörpervolumen der Mittelwand mindestens dem Volumen des Ansaugrohres.
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Wesentlich ist, dass die Lufteintrittsöffnung dabei auf oder in der Mittelwand liegt und auf der Seite des Heberrohrs in unmittelbarer Nähe des Scheitelpunkts der Trennwand positioniert ist, wobei das Ansaugrohr über der Ansaugöffnung mit einer Abschottung, bspw. aus Schaumstoff, verschlossen ist und durch diese Abschottung keine Luft und Wasser gelangen kann.
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Die seitliche Öffnung des Ablaufrohrs ist annähernd um die Hälfte seines Rohrdurchmessers reduziert, so dass ein kleiner Wasserpuffer ausgebildet ist.
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Bei seiner bestimmungsgemäßen Verwendung wird der Klarwasserheber-Druckluftheber kurzzeitig eingeschaltet bis die durch die Druckluftleitung strömende Druckluft das Wasser aus dem Hohlkörper der Mittelwand verdrängt hat, dieses Wasser (als erste Spülfunktion bezeichnet) das Belebtschlamm-Bakterien-Wasssergemisch aus dem U-förmigen 360°-Rohrbogen so verdrängt hat, dass dieses aus der Ansaugöffnung des Ansaugrohres in den Reaktor strömt und danach die zweite Spülfunktion einsetzt, welche dann beginnt, wenn das Wasser aus dem, Hohlkörper der Mittelwand völlig verdrängt ist und aus der Lufteintrittsöffnung die Druckluft in das Heberrohr strömt, das Wasser dort nach oben fördert bis der Pufferbehälter mit Wasser gefüllt ist und seinen Ablaufrohr nicht überläuft. Danach wird der Klarwasserheber sofort abgeschaltet. Kurz nach dem Abschaltvorgang strömt das gepufferte Wasser in das Heberrohr durch den U-förmigen Rohrbogen in Richtung der Ansaugöffnung zurück.
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Genau zu Beginn dieser Rückströmung wird die Druckluft erneut eingeschaltet, damit die Wasserströmung die austretende Druckluft an der Lufteintrittsöffnung in entgegen gesetzter Richtung durch den U-förmigen Rohrbogen in das aufsteigende Ansaugrohr umleitet, wodurch die im Ansaugrohr aufsteigenden Luftblasen das Belebtschlamm-Wassergemisch durch die Ansaugöffnung in den Reaktor strömen lassen, wobei gleichzeitig im Heberohr ein Unterdruck entsteht, welcher das dort befindliche Wasser bis auf ein Minimum wegfördert.
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Nach dem Ausschalten der kurzzeitig zugeführten Druckluft strömt hauptsächlich Klarwasser in die Ansaugöffnung und füllt den Klarwasserheber.
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Nach mehrmaliger Durchführung des beschriebenen Vorganges mit der ersten und zweiten Spülfunktion wird während der Klarwasserphase das Rohr des Klarwasserhebers vollständig von Belebtschlammbakterien gereinigt und die eigentliche Klarwasserabpumpzeit kann ohne Abtrieb von Belebtschlammbakterien eingeleitet werden.
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Wichtig dabei ist, das die umgeleitete Luftströmung schnell und auf ganz kurzem Wege in das aufsteigende Ansaugrohr strömen kann, weil durch diese Eigendynamik im Heberohr schnell ein Unterdruck entsteht, das dort befindliche Wasser bis auf ein Minimum absaugt und das zurück strömende Wasser des Pufferbehälters nur den Umlenkprozess der Luftströmung einleitet, so dass das Puffervolumen des Pufferbehälters nur klein sein muss.
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Wichtig ist ebenfalls, dass die Lufteintrittsöffnung für die einströmende Druckluft an der Stelle des Hohlkörpers der Mittelwand im Klarwasserheber angebracht ist, wo der tiefste Scheitelpunkt zwischen dem Ansaugrohr und dem Heberohr ist, da dort auch die größte Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Wassers zu verzeichnen ist.
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Zur Vergrößerung der Heber- und der Rückspüleffektivität ist der erfindungsgemäße Luftdruckheber wie folgt aufgebaut:
Das Ansaug- und das Hebemohr sind keine getrennten Rohre mit einer unten angebrachten U-förmigen Rohrverbindung, sondern diese sind erfindungsgemäß aus einem durch einen Mittelwandhohlkörper mittig geteiltes Hüllrohr ausgebildet, indem das Ansaug- und das Hebemohr zwei im Querschnitt gesehen am unteren Ende hydraulisch verbindbare Rohrhälften darstellen. Der Querschnitt des Ansaugrohrs und des Heberrohrs ist bspw. halbkreisförmig.
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Im Rahmen der Erfindung liegt auch, dass das Hüllrohr in seinem Querschnitt eine andere geometrische Form als die Kreisform und das Ansaug- und das Heberrohr eine andere geometrische Form als die Halbkreisform aufweisen, in dem das Hüllrohr in seinem Querschnitt eckig, bspw. vier- oder dreieckig ausgeführt ist. Das gleiche gilt auch für die geometrische Form des Mittelwandhohlkörpers.
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Die Ausbildung des im Querschnitt halbkreisförmigen Ansaug- und des im Querschnitt halbkreisförmigen Heberrohrs ist bspw. realisierbar, indem in ein durch einen Boden einseitig geschlossenes, in seinem Querschnitt kreisförmiges Kunststoffrohr eine mit leichtem Übermaß gegenüber dem inneren Rohrdurchmesser gefertigten Mittelwandhohlkörper so weit in ein Kunststoffrohr geschoben wird, bis zwischen dem Ende der Mittelwand und dem Rohrboden ein Abstand entsteht, welcher der Hälfte des Rohrdurchmessers entspricht.
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An dem eingeschobenen Mittelwandhohlkörper ist oben eine Druckluftleitung angebracht und hat am unteren Ende des Mittelwandhohlkörpers, auf einer Wandseite, eine Lufteintrittsöffnung. Auf diese Weise sind zwei im Querschnitt gesehene halbkreisförmige, am unteren Ende hydraulisch verbundenen Rohrhälften ausgebildet. Auf der Seite, auf der sich die Lufteintrittsöffnung der Druckluftleitung an dem Mittelwandhohlkörper befindet, ist das halbkreisförmige Heberrohr ausgebildet und auf der gegenüberliegenden Seite ist auf Grund einer Ansaugöffnung im Hüllrohr in gewünschter Höhe das halbkreisförmige Ansaugrohr ausgebildet.
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Über der Ansaugöffnung ist das Halbkreisrohr vorteilhaft mit einem halbkreisförmigen Schaumkissen abgeschottet, damit die dort beim Rückspülungseffekt kurzzeitig aufsteigenden Luftblasen mit dem Belebtschlamm – Wassergemisch das halbkreisförmige Rohr verlassen können.
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Wird nun oben auf das Hüllrohr ein zumindest rechtwinkeliger Rohrbogen aufgesetzt, so kann das beim Normalbetrieb, durch das Heberrohr hoch gepumpte Wasser über diesem Rohrwinkel abfließen.
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Wichtig dabei ist, dass dieser Rohrbogen nahezu den doppelten Durchmesser des halbkreisförmigen Heberrohres, also den Durchmesser des Hüllrohres besitzt, damit die Luft des nach oben gepumpten Luft-Wassergemisches an der Oberkante des Rohrbogens leicht entweichen kann und so keinen Gegendruck auf die Luft-Wassergemisch- Säule im Heberrohr erzeugt.
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Erfindungswesentlich bei diesem Klarwasserheber ist, dass die Lufteintrittsöffnung der über die Druckluftleitung einströmenden Druckluft zwar noch auf der Seite des halbkreisförmigen Heberrohres, aber unmittelbar an der 360 Grad-förmigen Spitzwende der beiden senkrecht nach oben führenden halbkreisförmigen Rohre (Scheitelpunkt zwischen Heber- und Ansaugrohr) liegt.
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Im Rahmen der Erfindung liegt auch, dass der zuvor beschriebene Klarwasserheber als Beschickungsheber verwendet wird, in dem der erfindungsgemäße Rückspüleffekt kurzzeitig durch das an der Ansaugöffnung ausströmenden Wasser und die Druckluftblasen, die bei einem Beschickungsheber auftretenden Verstopfungen beseitigen.
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Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen technischen Lösung (Klarwasserheber und Beschickungsheber mit Mittelwandhohlkörper) liegt insbesondere darin, dass das Wasser, welches sich im Mittelwandhohlkörper befindet, in einer ersten Spülfunktion, das Bakterien- Belebtschlamm- Wassergemisch durch die Ansaugöffnung des Ansaugrohres fließend verdrängt und bei einer zweiten Spülfunktion braucht das Wasserpuffers nur so groß sein, dass dessen zurückfließende Wasserströmung im Heberohr den kurzzeitigen zugeführten Druckluftstrom so umlenkt, so dass dieser, wie zuvor stehend beschrieben in das Ansaugrohr auf ganz kurzem Wege umgeleitet wird und sofort in Eigendynamik durch diese aufsteigenden Luftblasen im halbkreisförmigen Heberrohr durch den dort erzeugten Unterdruck das dort befindliche Wasser zum größten Teil mit weggefördert wird. Dabei kann die beschriebene erste Spülfunktion auch mehrmals hintereinander ohne die zweite Spülfunktion realisiert werden, oder wie beschrieben auch hintereinander ablaufen.
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Ein weiterer Vorteil gegenüber den bekannten Klarwasserhebern liegt in der einfachen, wirkungsvollen Konstruktion und dem daraus resultierenden geringen Montagaufwand, was zu einem preiswerten und leistungsstarken Klarwasserheber mit Rückspülfunktion führt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand des Ausführungsbeispiels und der Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer druckluftbetriebenen SBR-Anlage gemäß dem Stand der Technik,
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2: eine schematische Detaildarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klarwasser-Drucklufthebers mit Rückspülfunktion,
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3: einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klarwasser-Drucklufthebers mit Rückspülfunktion und Mittelwandhohlkörper,
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4: einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klarwasser-Drucklufthebers mit Rückspülfunktion und Mittelwandhohlkörper und
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5: einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klarwasser-Drucklufthebers mit Rückspülfunktion und Mittelwandhohlkörper.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer druckluftbetriebenen SBR-Anlage gemäß dem Stand der Technik dargestellt, bei welcher elektromagnetische Luftventile (1) die vom Verdichter (2) erzeugte Druckluft schalten. Diese Druckluftventile (1) werden von der Steuerung (3) elektrisch angesteuert. Ein Ventil (1) schaltet die Luft zum Beschickungsheber (4), welcher im Vorklärwasser (5) platziert ist. Ein weiteres Ventil (1) schaltet die Luft zum Tellerbelüfter (6). Ein drittes Ventil (1) schaltet die gemeinsame Luft, der im Reaktor (7) platzierten Klarwasserheber (8) und für den Überschussschlammheber (9).
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Alle drei Druckluftheber (4, 8 und 9) fördern das Wasser durch eine Ansaugöffnung (10) in das Ansaugrohr (11) über einen U-förmigen 360° Bogen (12) in das Heberrohr (13) und über einen Rohrwinkel (14) in ein anderes Becken, bzw. in den Kläranlagenablauf.
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Nachteilig an dieser technischen Lösung ist, dass wenn der Klarwasserheber (8) das Klarwasser aus dem Reaktor (7) auf den minimalen Wasserstand (15) abgepumpt hat und danach der Beschickungsheber (4) das mit Partikeln und Schwebstoffen behaftete Vorklärwasser aus der Vorklärung (5) in den Reaktor (7) pumpt, bis der obere maximale Wasserstand (16) erreicht ist, auch dieses stark verschmutzte Vorklärwasser naturgemäß in die Ansaugöffnung (10) des Klarwasserhebers (8) fließt und dabei in der nachfolgenden Belüftungsphase die aus dem Tellerbelüfter (6) aufsteigenden Luftblasen das Volumen im Reaktor (7) erhöhen, so dass die im Reaktorwasser befindlichen aufgewirbelten Belebtschlammbakterien durch diesen Volumenausgleich in die Ansaugöffnung (10) des Klarwasserhebers (8) gelangen, um dort im Ansaugrohr (11) und im U-förmigen 360° Bogen (12) zu sedimentieren.
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Als negative Folge werden diese Ablagerungen in der folgenden Klarwasserabpumpphase mit den ersten Pumpstößen in den Ablauf der Kläranlage gefördert. Um diesen Austrag an Belebtschlammpartikeln und anderer abgelagerten Partikeln zu verhindern, müssten diese Teile wie folgt in das Reaktorwasser des Reaktors (7) zurückgespült werden:
Es wird kurzzeitig Druckluft über das Ventil (1) und durch die Schlauchleitung (17) unten in das Heberrohr (13) des Klarwasserhebers (8) in die Lufteintrittsöffnung (18) eingeblasen, so dass die Oberfläche der Wassersäule bis kurz vor dem Auslauf des Rohrbogens (14) angehoben wird. Nach dem Ausschalten der Druckluft fällt die Wassersäule nach unten und erzeugt an der Lufteintrittsöffnung (18) eine entgegen gesetzte Wasserströmung, so dass bei erneuten Einschalten der Druckluft in diesem Moment, der größten Wasserströmung, die eingeleiteten Luftblasen so mitgerissen werden, dass diese umgelenkt in das Ansaugrohr (11), dort nach oben steigen können, um durch die Ansaugöffnung (10) in den Reaktor (7) in das umgebene Reaktorwasser zu strömen.
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Die aufsteigenden Druckluftblasen im Ansaugrohr (11) erzeugen kurzzeitig einen Unterdruck im Heberrohr (13) und fördern so den größten Teil des Wasservolumens im Heberrohr (13) durch den U-förmigen 360° Rohrbogens (12) in das Ansaugrohr (11) zur Ansaugöffnung (10) in den Reaktor (7). Nach diesem kurzzeitigen Spülvorgang während der Klarwasserphase wird die Druckluft ausgeschaltet und der Klarwasserheber (8) füllt sich erneut mit Klarwasser.
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Die Bauform dieses Luftdruckhebers gemäß 1, welcher wie zuvor stehend betrieben wird, eignet sich auf Grund seines aufwendigen Betriebes nur bedingt für eine hydraulisch-pneumatische Rückspülung.
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Der in 2 dargestellte Klarwasser-Druckluftheber mit Rückspülfunktion umfasst ein mittig durch eine Mittelwand (23) geteiltes Rohr, das als Hüllrohr (19) bezeichnet wird und an seinem einen Ende geschlossen ist und an seinem anderen, offenen Ende in ein gebogenes Ablaufrohr (14) übergeht, das bspw. 90 Grad abgewinkelt ist, wobei die Querschnittsfläche des Ablaufrohrs (14) nahezu doppelt so groß ist wie die Querschnittsfläche des Heberrohrs (13).
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Durch dieses Verhältnis der Querschnittsflächen wird bewirkt, dass an dem genannten Übergang das hochgepumpte Klarwasser-Luftgemisch leicht in der Art getrennt wird, dass die Luft der Druckluftblasen über den oberen Bereich des Ablaufrohrs (14) entweichen können und im unteren Bereich des Ablaufrohrs (14) das Klarwasser abfließt, so dass ein Staudruck gegen das im Heberrohr (13) befindliche Klarwasser vermieden wird.
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Die Mittelwand (23) ist dabei als druckdichter Hohlkörper (23a) – auch als Mittelwandhohlkörper bezeichnet – ausgeführt und besitzt oben ein Druckluftanschluss (25) für die Druckluftleitung (17), welche mit einem Verdichter verbindbar ist, und unten auf einer Seite die Lufteintrittsöffnung (18).
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Das Hüllrohr (19) weist an seinem einen Ende (dem unteren Ende) einen Boden (191) auf, welcher das Hüllrohr (19) dicht verschließt.
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Der Mittelwandhohlkörper (23a) weist einen Abstand zum Boden des Hüllrohrs (19) auf, welcher annähernd der Hälfte des Durchmessers des Hüllrohres (19) entspricht, so dass ein hydraulischer Verbindungsbogen (12) mit einem 360°-förmiger Scheitelpunkt zwischen dem halbkreisförmigen Ansaugrohr (11), welches ein Ansaugöffnung (10) aufweist.
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Eine Lufteintrittsöffnung (18), über die Druckwasser und auch Druckluft einströmbar möglich ist, liegt in dem Mittelwandhohlkorper (23a) auf der Seite des halbkreisförmigen Heberrohr (13) in unmittelbarer Nähe des 360°-förmigen Scheitelpunkts, an der unteren Kante des Mittelwandkohlkörpers (23a).
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Die einströmende Druckluft der am oberen Ende des Mittelwandhohlkörpers (23a) befestigten Druckluftleitung (17) lasst in einer ersten Spülfunktion aus der Lufteintrittsöffnung (18) Druckwasser austreten und wenn das Wasservolumen des Mittelwandhohlkörpers (23a) geleert ist, tritt aus der Lufteintrittsöffnung (18) für eine zweite Spülfunktion, dort die Druckluft aus.
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Über der Ansaugöffnung (10) ist das halbkreisförmigen Ansaugrohr (11) mit einem halbkreisförmigen Verschluss in Form einer Schaumstoffabschottung (22) versehen, welcher das Ansaugrohr (11) zwischen Mittelwand (23) und diesem Teilabschnitt des Hüllrohres (19) verschließt, damit die dort beim Rückspüleffekt kurzzeitig austretendes Wasser und aufsteigenden Blasen mit dem Belebtschlamm-Wassergemisch das Ansaugrohr (11) verlassen können.
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Das Ablaufrohr (14) ist oben auf dem Hüllrohr (19) formschlüssig aufgesetzt, wobei der seitliche Ausgang des Ablaufrohrs (14) annähernd um die Hälfte des Rohrdurchmessers des Heberrohrs (13) reduziert ist und an der Rohroberkante liegt, so dass sich der für den Rückspülvorgang notwendige Wasserpuffer (24) ergibt.
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Beim bestimmungsgemäßen Betrieb des erfindungsgemäßen Klarwasser-Drucklufthebers wird zur Rückspülung für die erste Spülfunktion, so lange Druckluft über den Druckluftschlauch (17), welcher mit dem Verdichter (2) verbunden ist, durch den Druckluftanschluss (25) in den Mittelwandhohlkörper (23a) eingeblasen, bis das darin befindliche Wasser durch die Lufteintrittsöffnung (18) ausströmt und das Bakterien-Belebschlamm-Wassergemisch durch den U-förmigen 360°-Rohrbogen und durch die Ansaugöffnung (10) im Ansaugrohr (11) fließend verdrängt hat und so zurück in den Reaktor (7) befördert wird. Die zweite Spülfunktion beginnt, wenn im Mittelwandhohlkörper (23a) sich kein Spülwasser mehr befindet und aus der Lufteintrittsöffnung (18) Druckluft in das halbkreisförmige Heberohr (13) strömt, bis die Wassersäule dort angehoben wird und diese den Wasserpuffer (24) befüllt.
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Beim Ausschalten der Druckluft strömen die Wassersäule und das Wasser des Wasserpuffers (24) im Heberohr (13) nach unten. Im Augenblick dieser hydraulischen Rückströmung wird erneut Druckluft über die Lufteintrittsöffnung (18) eingeblasen, so dass die Wasserströmung und die Druckluftblasen, welche aus des Lufteintrittsöffnung (18) ausströmen, um die Kante des Mittelwandhohlkörpers (23a) in das halbkreisförmige Ansaugrohr (11) umleitet und die dort aufsteigenden Blasen, welche durch die Ansaugöffnung (10) ausströmen, einen Unterdruck im halbkreisförmigen Hebemohr (13) erzeugen. Dabei wird der größte Teil des dort befindlichen Belebtschlamm-Wassergemisches ebenfalls durch die Ansaugöffnung (10) in das bei der Klarwasserphase vorhandene Klarwasser zurückgeführt.
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Nach diesen kurzzeitigen Rückspülvorgang wird die Druckluft abgeschaltet und das Hüllrohr (19) füllt sich über die Ansaugöffnung (10) erneut mit Klarwasser aus dem Reaktor (7). Ebenfalls füllt sich der Mittelwandhohlkörper (23a) durch die Lufteintrittsöffnung (18) mit Wasser.
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Die Luft entweichtaus dem Mittelwandhohlkörper (23a) gelangt dabei durch Systemundichtheiten am Verdichter (2) und/oder gewollte Nebenöffnungen (in den Figuren nicht dargestellt) in diesen hinein.
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Nach mehrmals durchgeführten Spülvorgängen ist das Hüllrohr (19) von Ablagerungen aus dem davor durchgeführten Befüllvorgang und den Belüftungsvorgängen gereinigt. Wenn es sich bei dem beschriebenen Rückspülvorgang um einen Beschickungsheber (4) handelt, welcher stark verschmutztes Wasser aus der Vorklärung (5) in den Reaktor (7) pumpt, so wird das beim Rückspülvorgang aus der Ansaugöffnung (10) kurzzeitig ausströmende Wasser und durch die auströmenden Druckluftblasen mögliche mechanische Verstopfungen an der Ansaugöffnung (10) beseitigen.
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Die in der 3 dargestellte Ausführungsform des Klarwasser-Drucklufthebers zeigt im Querschnitt eine mögliche geometrische Ausgestaltung der im Volumen vergrößerten Druckluftleitung (17) in Form des Mittelwandhohlkörpers (23a), wobei die Schnittebene in Höhe der Lufteintrittsöffnung (18) – siehe 2 – verläuft.
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Die Mittelwand (23) ist bei dieser Ausführungsform als rechteckiger, druckdichter Hohlkörper mit der Lufteintrittsöffnung (18) ausgeführt und bildet den Mittelwandhohlkörper (23a), wobei diese Mittelwand das Hüllrohr (19) in das halbkreisförmige Ansaugrohr (11) und in das halbkreisförmige Heberrohr (13) teilt.
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Der Mittelwandhohlkörper (23a) dient als Wasserspeicher für den ersten Spülvorgang und wird als verlängerte Druckluftleitung, der Druckluftleitung (17) für den zweiten Spülvorgang genutzt.
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Die in 4 dargestellte Ausführungsform des Klarwasser-Drucklufthebers zeigt im Querschnitt eine weitere mögliche geometrische Ausgestaltung der im Volumen vergrößerten Druckluftleitung (17) in Form des Mittelwandhohlkörpers (23a), wobei die Schnittebene in Höhe der Lufteintrittsöffnung (18) – siehe 2 – verläuft.
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Die Mittelwand (23) besteht hier aus einem Flachmaterial und einem daran eng anliegenden Mittelwandhohlkörper (23a), welcher als Rohr ausgebildet ist. Dabei wirken Flachmaterial und Rohr zusammen als Trennwand (23) im Hüllrohr (19) zwischen dem Ansaugrohr (11) und dem Heberrohr (13). Hier ist das Rohr des Mittelwandhohlkörpers (23a), welcher als Wasserspeicher und als Druckluftleitung für die Spülvorgänge genutzt wird und eine Lufteintrittsöffnung (18) besitzt.
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Die in 5 dargestellte Ausführungsform des Klarwasser-Drucklufthebers zeigt im Querschnitt eine weitere mögliche geometrische Ausgestaltung der im Volumen vergrößerten Druckluftleitung (17) in Form des Mittelwandhohlkörpers (23a), wobei die Schnittebene in Höhe der Lufteintrittsöffnung (18) – siehe 2 – verläuft.
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Dieser Mittelwandhohlkorper (23a) ist dreieckig ausgestaltet und dient ebenfalls als Trennwand (23).
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Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil (elektromagnetisches Einwegeschaltventil)
- 2
- Verdichter (Drucklufterzeuger)
- 3
- Steuerung (elektrisch/elektronische Steuerung)
- 4
- Beschickungsheber (Drucklufterzeuger)
- 5
- Vorklärung (Vorklärbehälter)
- 6
- Tellerbelüfter
- 7
- Reaktor
- 8
- Klarwasserheber (Druckluftheber)
- 9
- Überschussschlammheber (Druckluftheber)
- 10
- Ansaugöffnung
- 11
- Ansaugrohr (halbkreisförmige Ansaugrohr)
- 12
- U-förmiger, 360°-Rohrbogen/hydraulischer Verbindungsbogen
- 13
- Heberrohr
- 14
- Ablaufrohr
- 15
- unterer minimaler Wasserstand
- 16
- oberer maximaler Wasserstand
- 17
- Druckluftleitung
- 18
- Lufteintrittsöffnung
- 19
- Hüllrohr
- 191
- Boden
- 20
- Rohrhalterung
- 21
- Bakterienschicht
- 22
- Schaumstoffabschottung
- 23
- Mittelwand
- 23a
- Mittelwandhohlkörper
- 24
- Wasserpuffer
- 191
- Hüllrohrboden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005019918 U1 [0014]
- DE 102008038116 A1 [0015]
- DE 102007049517 A1 [0015]
- DE 102007058177 A1 [0017, 0017]
- DE 102008020938 A1 [0017, 0017]
- EP 1582263 B1 [0017]
- EP 1582263 [0017]
- DE 10057378 B4 [0018]
- DE 102010049709 [0022, 0022, 0023]
