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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Abwasser mittels Elektroflotation.
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Die Elektroflotation dient dazu, Abwasser von ungelösten festen oder flüssigen Inhaltsstoffen zu trennen. Hierbei macht man sich zunutze, dass bei der Elektrolyse von Wasser die Gase Wasserstoff und Sauerstoff entstehen, die in Form feinster Bläschen an den Elektroden freigesetzt werden. Durch Haftungsvorgänge der Bläschen an den festen oder flüssigen Abwasserinhaltsstoffen, etwa infolge elektrostatischer Bindungen der Bläschen an die ungelösten Inhaltsstoffe und/oder durch Einbau von Gasbläschen in das Gefüge von Flockenverbänden, welche durch die Zugabe von Flockungshilfsmitteln in einem vorbehandelnden Schritt gebildet werden, schwimmen die ungelösten Stoffe auf. Solche Verfahren finden vor allem bei feststoff-, öl- und fetthaltigen Abwässern und Emulsionen Verwendung, insbesondere bei zusätzlich hohem Salzgehalt, Vorhandensein von Tensiden oder ggf. erhöhter Abwassertemperatur, die die Verwendung anderer Flotationsverfahren einschränkt. Vorteilhaft ist bei der Elektroflotation zudem ein besonders hoher Abscheidegrad von bis zu 99,95% im Vergleich mit anderen Flotationsverfahren, die typischerweise 60–80% erreichen.
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Stand der Technik
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Als Folge der Elektrolyse von nicht reinem Wasser kann es zu Ablagerungen an den Elektroden kommen, welche sich nachteilig auf deren Funktion auswirken:
- – Derartige Ablagerungen bewirken eine Passivierung der Elektroden und dadurch eine geringere Gasentwicklung bzw. Elektrolyse.
- – Infolgedessen bedarf es einer höheren Spannung, um eine gewünschte Stromstärke zu halten.
- – Schlimmstenfalls kann es sogar zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode kommen, wenn der Raum zwischen den Elektroden mit Ablagerungen aufgefüllt wird.
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Um diese Auswirkungen zu bekämpfen sind, z.B. aus der Druckschrift
DE 33 39 566 A1 , umpolbare Elektroden bekannt, die sich gleichermaßen für die Verwendung als Anode oder als Kathode eignen. Durch den Betrieb mit wechselnder Polung wird erreicht, dass an einer Kathode aufgetretene Ablagerungen beim Betrieb als Anode wieder abgelöst oder abgesprengt werden. Die Druckschrift
DE 33 39 566 A1 beschreibt, diese Polaritätswechsel periodisch vorzunehmen. In der Druckschrift
DE 198 12 801 A1 sind kompliziertere, asymmetrische Elektrodenanordnungen und Polaritätswechsel beschrieben.
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Nachteilig ist hierbei, dass auf Änderungen in der Zusammensetzung des (Ab-)Wassers nicht eingegangen werden kann. Deshalb kann es dazu kommen, dass die Umpolung in der Regel a) zu häufig oder b) zu selten erfolgt, was dazu führt, dass entweder a) die Effizienz der Anlage herabgesetzt wird, da der Umpolvorgang eine gewisse Zeit benötigt, während der keine Gasbläschenbildung erfolgt, oder b) insbesondere an den Kathoden größere Ablagerungen entstehen können, die durch Umpolen nicht mehr entfernt werden können und die Funktion der Elektroden beeinträchtigen.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik beheben.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
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Ändert sich die Zusammensetzung des (Ab-)Wassers, so zeigt sich dies regelmäßig in einer Änderung der elektrolytischen Leitfähigkeit des Abwassers. Zur Lösung der Aufgabe wird daher ein Verfahren zum Reinigen von Abwasser schwankender elektrolytischer Leitfähigkeit mittels Elektroflotation mit den im Folgenden geschilderten Schritten vorgeschlagen.
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Neben dem bekannten Anlegen einer Spannung an Elektroden zum Bewirken einer Elektrolyse in dem Abwasser, sowie dem bekannten Umpolen der Elektroden zur Reinigung der Elektroden, wird eine Referenzmessung durchgeführt. Die Referenzmessung wird mit gereinigten Elektroden durchgeführt. Während der Referenzmessung wird ein vorgegebener Stromfluss zwischen den Elektroden im Abwasser konstant gehalten. Dabei wird die Spannung als Funktion der elektrolytischen Leitfähigkeit des Abwassers bestimmt, und zwar über die typische Schwankungsbreite der Leitfähigkeit des zu reinigenden Abwassers. Die Elektroden werden dann umgepolt, wenn die Spannung zur Erzielung des vorgegebenen Stromflusses zwischen den Elektroden den in der Referenzmessung bestimmten Wert um einen vorgegebenen Spannungsbetrag überschreitet.
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Dabei erfolgt die Referenzmessung in der Regel vor oder während der Inbetriebnahme der jeweiligen Anlage, um diese so zu konfigurieren, dass ein vorteilhafter Betrieb ermöglicht wird. Die Messungen der elektrolytischen Leitfähigkeit werden, um ihre Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen, in dem Fachmann geläufiger Weise auf eine Referenztemperatur (typischerweise 25 °C) umgerechnet. Diese Umrechung wird als Temperatur-Kompensation bezeichnet. Sie nutzt aus, dass es in dem interessierenden Temperatur-Bereich von etwa 10–80°C näherungsweise eine lineare Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Temperatur gibt, die der Literatur entnommen werden kann oder durch Eichmessungen bestimmt werden kann.
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Mit diesem Verfahren wird erreicht, dass der Umpolvorgang erst dann eingeleitet wird, wenn Ablagerungen an den Elektroden eine deutliche Erhöhung der Spannung erfordern. Dabei werden durch Schwankungen der elektrolytischen Leitfähigkeit des Abwassers erforderliche Spannungsänderungen berücksichtigt. Dadurch wird insbesondere ein effizienter Betrieb der Anlage ohne Unterbrechungen durch unnötige Umpolvorgänge oder Energieverluste durch zu spätes Umpolen ermöglicht.
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Vorteilhaft ist es, wenn der vorgegebene Spannungsbetrag zwischen 5% und 30% des in der Referenzmessung bestimmten Werts beträgt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn dieser vorgegebene Spannungsbetrag 10% des in der Referenzmessung bestimmten Werts beträgt. Auf diese Weise wird eine Schwelle festgelegt, bei deren Überschreitung umgepolt wird. Dadurch wird verhindert, dass sich zu große Ablagerungen bilden, die nicht durch Umpolen entfernt werden können.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zum Reinigen von Abwasser schwankender elektrolytischer Leitfähigkeit mittels Elektroflotation mit:
- a) Elektroden, an die eine Spannung angelegt werden kann, zum Bewirken einer Elektrolyse im Abwasser;
- b) Mitteln zum Regeln der Spannung derart, dass ein vorgegebener Stromfluss zwischen den Elektroden im Abwasser konstant gehalten wird;
- c) einer Leitfähigkeits-Sonde zum Messen der elektrolytischen Leitfähigkeit des Abwassers;
- d) Mitteln zum Speichern einer Kennlinie, die die Spannung als Funktion der elektrolytischen Leitfähigkeit des Abwassers bei dem vorgegebenen Stromfluss angibt; und mit
- e) Mitteln zum Umpolen der Elektroden, wenn die Spannung zur Erzielung des vorgegebenen Stromflusses zwischen den Elektroden bei dem von der Leitfähigkeits-Sonde bestimmten Wert der elektrolytischen Leitfähigkeit des Abwassers den in der Kennlinie für diese Leitfähigkeit gespeicherte Spannungswert um einen vorgegebenen Betrag überschreitet.
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Diese Vorrichtung ermöglicht eine effiziente Abwasserbehandlung durch Elektroflotation, ohne unnötige Umpolvorgänge, die insbesondere auch Schwankungen in der elektrolytischen Leitfähigkeit berücksichtigen kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Leitfähigkeits-Sonde im gereinigten Abwasser angeordnet. Dies ist möglich, weil die elektrolytische Leitfähigkeit des Abwassers durch das Flotationsverfahren nicht verändert wird, und hat den Vorteil, dass die Leitfähigkeitssonde nicht verschmutzt, da sie von klarem Wasser umspült wird.
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Günstig ist außerdem, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung über mindestens ein Flotationsbecken verfügt, wobei über dem Flotationsbecken mindestens eine Schlitzdüse zum Absaugen des Flotats angeordnet ist. Das Flotat wird beim Entfernen durch Absaugen weniger verwirbelt als bei anderen Verfahren. Dadurch kann erreicht werden, dass nur besonders trockenes, eingedicktes Flotat abgesaugt wird, wodurch eine ggf. nachfolgende Schlammbehandlung besonders kostengünstig realisiert werden kann.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
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Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
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1 eine beispielhafte Leitfähigkeits-Spannungs-Kennlinie; und
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektroflotationsanlage.
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Vor Inbetriebnahme einer Elektroflotationsanlage, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten soll, wird eine Referenzmessung durchgeführt. Dabei wird die Stromstärke eingestellt und konstant gehalten, die später beim Betrieb der Anlage realisiert werden soll. Gemessen wird die Spannung, die zum Bewirken einer Elektrolyse in dem Abwasser benötigt wird, als Funktion der elektrolytischen Leitfähigkeit, über einen typischen Querschnitt des zu erwartenden Abwassers, das in der Anlage behandelt werden soll. Insbesondere muss dabei die typische Schwankungsbreite der elektrolytischen Leitfähigkeit des zu behandelnden Abwassers abgedeckt werden.
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Zur Illustration einer solchen Messung ist in 1 das Ergebnis einer entsprechenden Labormessung abgebildet. Die gemessenen Werte sind mit Rauten im Diagramm markiert. An diese Messwerte wird eine Funktion (typischerweise ein geeignetes Polynom) angepasst, die als Spannungs-Leitfähigkeits-Kennlinie für die Anlage dient und mit der gewünschten Genauigkeit gespeichert wird. Eine signifikante Abweichung von dieser Kennlinie dient beim Betrieb der Anlage als Anlass zum Einleiten eines Umpolvorgangs.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektroflotationsanlage ist in 2 schematisch dargestellt. Vor der Elektroflotation wird das zu behandelnde Abwasser 100 anderen Behandlungsschritten unterzogen, um beispielsweise unerwünschte Inhaltsstoffe durch Zugabe geeigneter Chemikalien 110 in einem Reaktor 120 auszufällen/auszuflocken. Die dabei entstandenen Ausflockungen sollen im Elektroflotationsschritt abgetrennt werden.
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Über eine Einlaufrinne 130 mit einer Überlaufkante 140 gelangt das Abwasser 100 in das Flotationsbecken 150, wobei diese Anordnung dafür sorgt, dass das Abwasser 100 gleichmäßig über die Länge des Flotationsbeckens 150 verteilt wird. Durch eine Tauchwand 160 wird erreicht, dass das Abwasser in die Nähe der Elektroden 170 strömt.
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Diese Elektroden sind als sogenannte dimensionsstabile Elektroden ausgeführt; Kathode und Anode sind also inert gegenüber dem Abwasser. Ferner sind sie in diesem Ausführungsbeispiel identisch. Typischerweise handelt es sich um beschichtete Titanelektroden. Diese sind kammartig ausgeführt und so miteinander verschränkt, dass der typische Abstand zwischen den einzelnen Kämmen der Anode und Kathode etwa 2 mm beträgt. Die Elektroden 170 decken im Wesentlichen die gesamte Fläche des Bodens des Flotationsbeckens 150 ab. Sie werden mit einer Gleichspannung 180 versorgt, die so eingestellt und geregelt wird, dass eine Stromdichte von zwischen 10 A/m2 und 50 A/m2 konstant gehalten wird. Die Fläche, auf die dies bezogen wird, ist die gesamte Oberfläche der Elektroden, die aufgrund der kammartigen Struktur relativ groß ist.
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Als Folge der Elektrolyse entstehen an den Elektroden Gasbläschen, die sich an den im Wasser enthaltenen Schmutzteilchen anlagern und deren Flotation ermöglichen.
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Das mit Gasbläschen angereicherte Abwasser gelangt in ein Beruhigungsbecken 190, das durch eine Trennwand 200 bis zu etwa drei Vierteln der Höhe des Wasserstandes vom Flotationsbecken 150 getrennt ist. Dort haben die mit Gasbläschen behafteten Schmutzteilchen weitere Zeit zu flotieren. An der gemeinsamen Oberfläche des Flotationsbeckens 150 und des Beruhigungsbeckens 190 entsteht so eine Schlammschicht 210, die durch den Auftrieb der flotierenden Schmutzteilchen weiter eingedickt wird. Der oberste Teil dieser Schlammschicht wird in Intervallen mittels Schlitzdüsen 220 abgesaugt und einer weiteren (Trocken-)Schlammverwertung 230 zugeführt.
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Aus dem Beruhigungsbecken 190 fließt das gereinigte Abwasser 240 unter einer Tauchwand 242 hindurch und über eine Überlaufkante 245, die den Wasserstand in der Anlage reguliert, in eine Klarwasser-Auslaufrinne 250. Dieses gereinigte Abwasser 240 kann, je nach Belastung, der Kanalisation, weiteren Abwasserbehandlungsstufen, oder ggf. einer Wiederverwendung zugeführt werden.
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In der Klarwasser-Auslaufrinne 250 ist eine Leitfähigkeits-Sonde 260 montiert, typischerweise in Kombination mit einer Temperatursonde. Damit wird die elektrolytische Leitfähigkeit des Abwassers überwacht. Wird eine gegenüber der gespeicherten Spannungs-Leitfähigkeits-Kennlinie um mindestens 10% erhöhte Spannung benötigt (Temperaturkompensiert), um den konstanten Stromfluss zu gewährleisten (also ohne eine verringerte Leitfähigkeit als Ursache) wird ein Umpolvorgang eingeleitet, um wahrscheinlich vorhandene Verschmutzungen an den Elektroden zu bekämpfen.
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Es sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar. So ist die Anzahl und Anordnung der Flotationsbecken und der enthaltenen Elektroden nahezu beliebig veränderbar, und das Verfahren kann weitere Schritte zur Erfassung der Abwasserqualität, zur Abwasserbehandlung und/oder zur Reinigung bzw. Wartung der Elektroflotationsanlage mit umfassen, ohne dass der Charakter der Erfindung dadurch beeinflusst wird.
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Glossar
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Elektroflotation
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Elektroflotation ist ein Trennverfahren zur Entfernung von ungelösten festen oder flüssigen Abwasserinhaltsstoffen, wobei die zur Flotation notwendigen feinen Gasblasen durch die Elektrolyse von Wasser erzeugt werden. Hierfür wird über zwei Elektroden ein elektrischer Gleichstrom in Wasser (salzhaltig) geleitet und das Wasser hierdurch gespalten. Der entstehende Wasserstoff und Sauerstoff steigen als Gasbläschen auf, lagern sich an den ungelösten Abwasserinhaltsstoffen an und ermöglichen deren Flotation. Bei der Elektrolyse liegen Wasserstoff und Sauerstoff im Moment der Bildung atomar vor. Dieser sogenannte naszierende Wasserstoff bzw. Sauerstoff reagiert intensiv und führt zu einer Zunahme der Oxidation bzw. Reduktion von Abwasserinhaltsstoffen.
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elektrolytische Leitfähigkeit
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Die elektrolytische Leitfähigkeit ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit in Elektrolytlösungen. In einem Elektrolyten bewegen sich Ionen beim Anlegen eines elektrischen Feldes bevorzugt in bzw. gegen die Feldrichtung und verursachen dadurch einen Ladungstransport und Stromfluss. Die Leitfähigkeit ist also von der Menge und Wertigkeit der vorhandenen Ionen und ihrer Beweglichkeit abhängig. Für den Elektrizitätstransport innerhalb der Lösung gilt das empirisch gut bestätigte ohmsche Gesetz I = U/R. Der Widerstand R eines beliebigen Leiters hängt von 2 Parametern ab: dem spezifischen Widerstand ρ (bzw. der Leitfähigkeit χ = 1/ρ) und einem geometrischen Faktor, der Zellkonstanten Z: R = ρ∙Z. Im allgemeinen Fall führt man eine Kalibrierung der Messzelle durch, indem man den Widerstand einer Lösung mit bekannter Leitfähigkeit χ misst und daraus auf einfache Weise die Zellkonstante erhält. Die Leitfähigkeit χ wird häufig in Einheiten von mS/cm (Millisiemens pro Zentimeter) oder µS/cm (Microsiemens pro Zentimeter) angegeben. Typische Werte für die Leitfähigkeit von Abwasser sind in 1 zu erkennen. Sie liegen häufig zwischen 0,5 und 10 mS/cm. Die Leitfähigkeit einer Elektrolytlösung ist stark temperaturabhängig, da die Beweglichkeit der Ionen und die Anzahl der dissoziierten Moleküle temperaturabhängig ist. Für eine Vergleichbarkeit der Messwerte ist es notwendig, sie auf eine festgelegte Temperatur umzurechnen, d.h. eine Temperaturkompensation vorzunehmen (häufige Referenztemperatur: 25°C).
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Flotation
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Flotation ist ein physikalisches Trennverfahren, bei dem ungelöste Inhaltsstoffe aus dem Abwasser abgeschieden werden, indem diese durch Anlagerung feinster Gasblasen leichter als das umgebende Wasser werden und aufschwimmen (flotieren). Die aufschwimmenden Inhaltsstoffe können von der wässrigen Phase abgetrennt werden. Die wesentlichen verfahrenstechnischen Gesichtspunkte bei der Flotation sind die Erzeugung feinster Gasblasen und die stabile Haftung der Gasblasen an der Oberfläche der ungelösten Stoffe. Die Haftung der Gasblasen an den ungelösten Teilchen kann durch Zugabe von Flotationshilfsmitteln, die im Wesentlichen Flockungshilfsmitteln entsprechen, erzielt werden. Die Erzeugung feinster Bläschen erfolgt entweder durch Begasung, durch Entspannung oder durch Elektrolyse. Bei der Begasungsflotation wird das Flotationsgas, in der Regel Luft, durch Begasungsrührer oder Injektoren in die Suspension eingetragen. Bei der Entspannungsflotation wird ein unter Überdruck im Wasser gelöstes Gas durch Entspannung, also Verminderung des Druckes, feinblasig ausgegast. Bei der Elektroflotation werden durch Elektrolyse von Wasser (salzhaltig) die für die Flotation benötigten Gasblasen erzeugt. (Zitiert nach ATV Handbuch Industrieabwasser, Grundlagen, 4. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, S. 108.)
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Abwasser
- 110
- Chemikalien zur Abwasserbehandlung
- 120
- Reaktor
- 130
- Einlaufrinne
- 140
- Überlaufkante
- 150
- Flotationsbecken
- 160
- Tauchwand
- 170
- Elektroden
- 180
- Gleichspannungsversorgung
- 190
- Beruhigungsbecken
- 200
- Trennwand
- 210
- Schlammschicht
- 220
- Schlitzdüse
- 230
- Schlammverwertung
- 240
- Klarwasser
- 242
- Tauchwand
- 245
- Überlaufkante
- 250
- Auslaufrinne
- 260
- Leitfähigkeits-Sonde
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zitierte Literatur
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zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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ATV Handbuch Industrieabwasser, Grundlagen, 4. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, S. 108
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3339566 A1 [0004, 0004]
- DE 19812801 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Industrieabwasser, Grundlagen, 4. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, S. 108. [0034]
