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Die Erfindung bezieht sich auf ein Süß- und Seewassergeeignetes Verfahren und die entsprechende Anordnung zur Durchführung einer stabilen, vom Luftdruck unabhängigen, steuerbaren Feinstpartikel-, Fett- und Proteinentfernung in der Wasseraufbereitung durch Gaspartialdruck orientierte Flotation, insbesondere in der Aquakultur und Aquaristik, auch geeignet unter Bedingungen mit an Grenzspannung schwachen Wasseroberflächen und bei Wässern mit geringer Dichte mit
- • Hilfe der kombinierten Fett- und Protein- sowie Partikelflotation zur besonderen Unterstützung der beiden Letzteren und einem getrennten, an beide Verfahrensteile anhängbaren, separaten Abstrom.
- • Hilfe der Injektion großer Blasen bei höherer Tiefe zur Fettflotation im Gleichstrom und kleiner Blasen in geringen, Gaspartialdruck abhängig berechneten Tiefen zur Gaspartialdruck armen Protein- sowie Partikelflotation im steuerbaren Schwebestrom.
- • Hilfe manipulierbarer, nahezu stehenden Gasblasen zur Verlängerung des Reaktionsverlaufs in der effizienten Protein- und Partikelflotation, auch bei Wässern mit geringer Oberfächenspannung und Dichte.
- • reduzierten, den Organismen angepassten Gaspartialdrücken, unter Berücksichtigung des Henry-Daltonschen Gesetzes bei Steuerung der Strömungsgeschwindigkeiten, Injektionstiefen und Blasengrößen.
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Unter Flotation versteht man die Anlagerung von in Flüssigkeiten suspendierten Feststoffen oder Molekülen an Gasblasen, wobei im Anschluss eine Trennung der festen Teilchen zu deren Kontrolle oder Entfernung erfolgt.
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Die Reaktion erfolgt in Abhängigkeit verschiedener Faktoren durch physikalisch-chemische Eigenschaften wie z. B. der direkten Hydrodynamik, der Grenzspannungseigenschaften wie Lipo- oder Hydrophilie, der möglichen Diffusionseigenschaften und der elektrischen Eigenschaften der beteiligten Stoffe. Auch Geometrieparameter spielen eine Rolle. Ursprünglich diente das Verfahren der Erzgewinnung, heute auch der Wasseraufbereitung durch Abtrennung Proteinen und Partikeln, mittlerweile auch in der Aquakultur und Aquaristik in Form der Eiweißabschäumung.
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Die experimentelle Physik besagt, dass kleine Blasen durch das günstigere Oberflächen/Volumen Verhältnis wirkungsvoll sind. Die Optima sind stoffabhängig. Eiweiße, Fette und verschiedene Partikelarten haben unterschiedliche Reaktionsoptima bezüglich der Blasengröße, deren Form und deren innerer Dynamik. Zudem bestehen Abhängigkeiten von Temperatur und Luftdruck. Nach Mersmann und Grigull (1985) sind lange, kontrollierte Steigzeiten der Blasen aufgrund der langen Reaktionszeiten prozesstechnisch ideal. Steigzeiten sind abhängig vom Henry-Daltonschen Gesetz, der Reynoldschen Zahl und der Laplacesche Konstante nach Exner (1927). Ebenso abhängig ist der Partialdruck der im Wasser gelösten Gase. Die Abschäumung ist zudem bedingt durch die Grenzspannungen und daher nach Burstein und Filippov (2010) zu skalieren. Bei Salzgehalten über zehn Promille im Wasser arbeitet sie besser als in Süßwasser. Co-Reaktionen optimieren oder negativeren die Reaktionen. Bestimmte Proteinekonzentrationen verstärken die Partikelanlagerung nach Waldschmitz-Leitz (1940), Fette sind zumeist kontraproduktiv. Turbulenz erhöht die Trefferwahrscheinlichkeit der Moleküle, starke Turbulenzen rufen einen Abriss der Grenzschicht hervor und lösen nach Spetl und Dedek bereits gebundene Moleküle. Die Löslichkeit der beteiligten Stoffe und Oberflächen bestimmt die Anlagerungskonzentrationen sowie die Zeiten und wird wiederum vom Zeta-Potential der elektrischen Doppelschichten nach Schubert (2008) aufgrund der Coulombschen Krafteinwirkung beeinflusst.
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Unter Berücksichtigung einiger weniger dieser physikalischen, prozesstechnisch wichtigen Gesetze und deren Geometrie-, Betriebs- und Stoffparameter werden neue unterschiedliche Flotationsprinzipien genutzt, vorzugsweise die Turbulenz-, Elektro- und Entspannungsflotation. Vor allem durch Letztere entstehen größere Anlagen und prozesstechnisch betrachtet effektivere Systeme mit größeren Wassertiefen unter Anwendung diverser Gegenströmungen. Luft, Sauerstoff oder Ozon werden zur Anlagerung von Partikeln und Proteinen an die Gase eingeleitet. Damit werden hohe Gesamt- sowie Partialdrücke bei der forcierten Molekülabscheidung erreicht. Der partielle Gasdruck der im Wasser gelösten Gase, in erster Linie Stickstoff, steigt in Folge der immer höheren Drücke, kleineren Blasen und verlängerten Reaktionszeiten. Zur weiteren Optimierung werden teilweise gar Bindemittel zugesetzt und weiter extrem kleine Blasen unter hohem Druck forciert. Die Effizienz einerseits und der Gaspartialdruck der einzelnen Gase im flüssigen Medium andererseits steigen noch weiter. Trotz dieser Optimierung stehen effiziente Flotationsverfahren nur für den Seewasserbereich zur Verfügung. Fettabscheidung wird bisher in Aquakultur und Aquaristik nicht berücksichtigt.
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Wenig Beachtung finden die beteiligten Organismen. Die Entwicklung führt vor allem bei Tierarten mit sensiblen Reaktionen auf Gaspartialdrücke zur erhöhten Sterblichkeit und Missbildung der Brut. Dies wiederum behindert eine Nutzung der Flotation in Brutanlagen, insofern der Betreiber die Verflechtung überhaupt erkennt und nicht andere Gründe dafür verantwortlich macht. Vor allem im Süßwasser, wo die Flotation aufgrund geringerer Oberflächenspannung lange Reaktionszeiten und Wege benötigt, sind Flotationsverfahren irrelevant. Fetthaltige Futterbestandteile führen zudem zum Zusammenbruch der Reaktion nach der Fütterung. Trotz vieler Verfahrens- und Bautypen konnte sich die Flotation bei der Erbrütung vieler Arten nicht erfolgreich durchsetzen und ist im Süßwasser auch in Mastbetrieben noch immer unbedeutend.
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STAND DER TECHNIK
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Es werden verschiedene Verfahren und Anordnungen zur Flotation in der Erzabscheidung sowie Wasseraufbereitung eingesetzt und auch in der Aquakultur und Aquaristik genutzt und im Anschluss beschrieben.
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Einfachste Verfahren sind angeordnet in einem Hauptrohr bzw. dem Durchflussbereich, einer Blasenerzeugung, dem Flotations- bzw. dem Reaktionsbereich, dem meist integrierten Abstrombereich für das Wasser, dem Schaumtransportbereich, der Schaumsammlung und dessen Abscheidung.
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Aus der Literatur sind verschiedene Verfahren und Bautypen bekannt die vor allem in den umfassenden Werken von M. B. Timmons und J. M. Ebeling (2007) in „Recirculating Aquaculture", Chen (1991) in „Theoretical and experimental investigation of foam separation applied to aquaculture" sowie in „Aquarientechnik" von Martin Sander (1998) zusammengefasst sind. In diesen werden die Anwendungen und zumindest Teile der dazu notwendigen Berechnungen und Komponenten beschrieben. Für weitere komplexe Berechnung stehen die in Abschnitt [0004] genannten Quellen zur Verfügung, die allerdings kaum angewandt werden.
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Aus der
DE 21 19 367 A , der
DE 34 44 075 A1 , der
DE 35 25 861 A1 , der
DE 40 33 223 A1 , der
DE 70 09 610 U , der
DE 82 20 557 U1 , der
DE 101 19 759 A1 , der
DE 198 24 075 A1 , der
DE 198 25 150 C2 , der
DE 199 16 192 C1 , der
DE 20 2005 011 100 U1 und der
DE 10 2007 034 219 A1 sind Verfahren und Aufbauten bekannt, in denen das Schmutzwasser einen Reaktionsbereich bzw. ein Reaktionsrohr durchfließt, wobei Gasblasen eingeblasen oder über Injektordüsen mit dem Einlaufwasser eingebracht werden. Dabei wird die Reaktionszeit an den Grenzflächen der Luftblasen als eine der wichtigsten Faktoren kaum berücksichtigt und ist auch konstruktiv bedingt kaum verlänger- oder gar regulierbar. Zudem ist das Strömungsverhalten stets turbulent, ohne beruhigte Zonen, was zu einem Ablösen der bereits angehafteten Frachten an den Gasblasen führen kann. Eine Trennung von Fett- und Proteinreaktion ist nicht angedacht, wodurch bei fettreicher Fütterung die Proteinflotation und die Partikelflotation zusammen brechen. Damit ist eine effektive Anwendung im Süßwasser unmöglich, im Seewasser ist die Nutzung ineffizient. Bei starker Verschmutzung kommt es zwar zu einer Teilschäumung, der Erfolg ist jedoch unzureichend und für professionelle Aquakultursysteme irrelevant. Jede Kontrolle der Tierbestände, das Entfernen eines einzigen toten Tieres, jeder verbesserte sonstige Partikelfilter ist vielfach nützlicher. Allenfalls schwach besetzte Schaubecken können einen Nutzen ziehen, der jedoch eher in der Reduzierung des CO
2 im Wasser liegt.
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Aus der
DE 44 16 447 C1 , der
DE 101 14 661 A1 , der
DE 196 18 428 A1 , der
DE 10 2007 027 732 B4 , der
DE 20 2007 018 380 U1 und der
DE 20 2011 004 008 U1 sind weitere Verfahren und Bauten bekannt, in denen das Schmutzwasser einen Bereich bzw. ein Rohr durchfließt, wobei Gasblasen eingeblasen oder über Injektordüsen mit dem Einlaufwasser eingebracht werden. Dabei wird wie im vorangegangenen Kapitel [0010] die Reaktionszeit an den Grenzflächen der Luftblasen kaum berücksichtigt, mit Ausnahme der Meldung
DE 44 16 447 C1 , die zumindest im Gegenstromprinzip arbeitet und somit die Blasensteigung, wenn auch nicht wirklich regelbar, verlangsamt. Die Gasblasenreaktionszeit wäre jedoch bei allen hier genannten Typen zusätzlich konstruktiv theoretisch verlängerbar, wenn die Reaktionsbereiche der hier genannten Verfahren und Bautypen, was in den Meldungen jedoch kaum angedacht ist, verlängert würden. Dadurch würden höhere Wassertiefen erreicht, welche die Steig- damit die Reaktionszeit der Gasblasen zumindest verlängern und die Abschäumung und somit die Effizienz verbessern. Problem: Im logischen Schluss würde diese scheinbare Verbesserung zu zwangsläufig erhöhten Partialdrücken der eingebrachten Gase führen. Nicht nur eine Sauerstoffübersättigung, welche sich in einem nachgeschalteten Bioreaktor wieder abreagieren ließe, könnte eintreten, vielmehr eine durchaus gefährliche Stickstoffübersättigung wäre die Folge. Diese wiederum führt im logischen Schluss zu deutlich höheren Gehalten an giftigem gelöstem Stickstoffgas im Abstromwasser, auch nach einer nachgeschalteten Bioreaktion. Die in den Bautypen teilweise gewählten Kombinationen mit sehr kleinen Blasen, mit Injektordüsen und deren Druckentspannungsflotation oder wie gar in der
DE 44 16 447 C1 mit einer Dispergatorpumpe, führt zu einer weiteren Steigerung der Partialgasdrücke und damit für viele Fischarten und vor allem für Fischlarven zu schädlichen bis tödlichen Konzentrationen an gelöstem Stickstoffgas. Fazit: Damit ist eine Anwendung der in diesem Abschnitt genannten Bauarten harmlos insofern sie nicht verlängert werden, jedoch unmöglich im Süßwasser zu gebrauchen und zudem ineffizient im Salzwasser. Bei Verlängerung der Reaktionsbereiche wäre die Nutzung für sensible Arten und Fischlarven zweifelhaft aufgrund der Partialgasdrücke. Deformationen durch Gasvergiftung, Embolien oder „Taucherkrankheit” bei Brütlingen sind dann möglich bis zwangsläufig. Somit wäre der Schaden des durchaus ausbaubaren Gegenstromprinzips mit effizienter Anordnung größer als der Nutzen, zudem das Strömungsverhalten bei den meisten Anordnungen hier turbulent, also ohne beruhigte Zonen ist, was wie in Abschnitt [0010] beschrieben zu einem Ablösen der bereits angehafteten Frachten von den Gasblasen führen kann und die Effizienz damit senkt. Ob nun in kurzer oder verlängerter Bauart sind die hier genannten Verfahren und Systeme für eine professionelle Aquakultur entweder zu unwirtschaftlich oder bei Einbringen der Luft unterhalb eines Wasserstandes von ca. 70 cm, in Abhängigkeit vom aktuell herrschenden Luftdruck, gefährlich.
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Aus der
DE 70 15 207 U , der
DE 90 12 520 U1 , der
DE 94 10 126 U1 , und der
DE 10 2005 001 296 A1 sind Verfahren und Ausprägungen bekannt, in denen das Schmutzwasser einen durch Schachtelung verlängerten Reaktionsraum bzw. ein durch Schachtelung verlängertes Reaktionsrohr durchfließt, wobei Gasblasen eingeblasen oder über Injektordüsen mit dem Einlaufwasser eingebracht werden. Dabei wird die Reaktionszeit an den Grenzflächen der Luftblasen durch verdoppelte Laufzeit berücksichtigt, ihre Steuerung ist jedoch konstruktiv durch das Gleichstromprinzip unmöglich. Vorteil ist lediglich die verkürzte Bauformen zum Einbau in das vorgegebene Mobiliar und der geringe Stickstoffpartialdruck. Letzteres wird bewusst oder unbewusst und letztendlich konstruktionsbedingt herbeigeführt. Lediglich die
DE 10 2005 001 296 A1 geht mit langer, verdoppelter Bauform in Betrieb, hat dadurch jedoch die in Abschnitt [0011] genannte Stickstoffproblematik. Die Effizienz der genannten Typen ist mäßig, die Strömungen sind bei allen Typen zu turbulent. Es kommt zwar zur Schaumbildung, jedoch reicht bereits ein kleiner Schaumaufnehmer, um die geringen Abscheidungsmassen aufzunehmen. Die Bauarten werden im Süßwasser bis auf die Letztgenannte Meldung nicht angewandt. Sie sind alle für die professionelle Anwendung unbrauchbar.
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Aus der
DE 36 25 323 A , der
DE 197 43 476 A1 und der
DE 10 2004 062 519 A1 sind ebenfalls Verfahren und Anordnungen bekannt, in denen ebenfalls das Schmutzwasser wie in Abschnitt [0012] einen durch Schachtelung verlängerten Reaktionsraum bzw. ein durch Schachtelung verlängertes Reaktionsrohr durchfließt, wobei Gasblasen eingeblasen oder über Injektordüsen mit dem Einlaufwasser eingebracht werden. Dabei wird die Reaktionszeit an den Grenzflächen der Luftblasen durch verdoppelte Laufzeit und ein in Teilbereichen herrschendes Gegenstromprinzip berücksichtigt, ihre Steuerung wäre in Teilbereichen theoretisch denkbar, mit den hier angewandten Möglichkeiten und Anordnungen jedoch nicht zu bewerkstelligen. Es ist bei keiner Meldung eine halbwegs stabile Manipulation der Blasensteiggeschwindigkeit möglich. Eine Verlängerung der Reaktionsräume über 70 cm würde auch bei all diesen Meldungen bei Nutzung von Luftgemischen zu dem in Abschnitt [0011] beschriebenen gefährlichen Anstieg des Stickstoffpartialdrucks im Wasser führen. Auch die oben genannte Turbulenzproblematik ist nicht berücksichtigt. Diese genannten Möglichkeiten sind zwar eine Verbesserung gegenüber denen der vorher beschriebenen Meldungen, führen aber nicht zu einer wirklich stabilen, gezielten und optimierten Flotation und sind damit eher für schwach besetzte Schauaquarien im Salzwasserbereich tauglich, in denen für einen Betrachter klares Wasser erforderlich ist.
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Zu erwähnen sei noch die
DE 21 02 545 A , in der im Rotationsprinzip im Einzelrohr bei teilweisem Gegenstrom die Blasenreaktionszeit verlängert wird. Unter Ozonzusatz mit zusätzlich einer Turbulenzbremse in der Anordnung im Nachlauf ausgerüstet, kann zumindest im Salzwasser im Aquaristikbereich bei geringem Besatz ein gewisser Flotationserfolg erzielt werden. Im Süßwasser oder im Bereich der Aquakultur ist das System zur Abschäumung unzureichend. Zudem ist die Abschäumung durch die fehlende Fettabscheidung instabil bei Fütterung mit fetthaltigen Futtertypen
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Nächstliegenden Stand der Technik wäre die
DE 20 2013 005 045 U1 das sogenannte Jülicher Prinzip, auch als Schwebestromverfahren bekannt, welches von der Jülicher Forschungsgemeinschaft für die Aquaristik und Aquakultur entwickelt wurde. Dieses wird seit einigen Jahren von der Firma Aqua Care genutzt und wurde 2013 von anderer Seite mit geringfügig veränderter Anordnung zum Patent gemeldet. Dabei werden die erzeugten Gasblasen im Verfahren in einer Art verstärkter Gegenströmung zum verlangsamten, turbulenten Aufstieg gezwungen. Gesteuert wird dieser Zustand über den Gaseintrag. Dadurch erhöht sich die Reaktionszeit der Gasblasen im Wasserstrom, was die Protein- und damit auch Partikelanlagerung fördert. Zusätzlich wird das eingebrachte Gasgemisch in seiner Anordnung über eine Mehrphasenpumpe gemeinsam mit dem zu klärenden Wasser verdichtet, wodurch es zu sehr kleinen Blasen und im Anschluss zu einer Druckentspannungsflotation kommt. Desweiteren wird dieses Gemisch bewusst an der tiefsten Stelle des Abschäumers eingespeist. Der Reaktionskorpus des Flotators wurde extra lange gewählt, um im Süßwasser der niedrigeren Oberfächenspannung gerecht zu werden. Damit erfüllt der Abschäumer seine prozesstechnische Aufgabe und entfernt teilweise Proteine und Partikel aus dem Süßwasser. Leider wurde der Tatsache, dass mit dem Abstromwasser lebende Wesen versorgt werden nicht Rechnung getragen. Möglicherweise kann man mit dem System Einzelfälle wie Außenluft atmende Fischarten z. B. Kiemensackwelse versorgen, für Fischarten mit üblichen Kiemen oder gar für Fischbrut kann man das System eher als Mordsinstrument einsetzen. Dies begründet sich darin, dass die genannten Optimierung der Flotation wie Mehrphasenpumpe, Druckentspannungsflotation, extra feine Blasen und tiefst mögliche Injektion bei verlängertem Reaktionsraum auch den Stickstoffeintrag „optimiert” haben, wodurch der Gaspartialdruck des Stickstoffs im Wasser bei „normalen” Fischen und Fischbrut tödliche Embolien und Vergiftungen hervorrufen kann. Um dies zu verhindern benötigt man im Anschluss zumindest ein vergrößertes Entgasungsverfahren, was die Gesamtsystemkosten unnötig erhöht. Desweiteren ist die sogenannte Steuerung des Abschäumers von dem Außendruck abhängig, da das System über ein Manometer und die Pumpenverdichtung einen gleichbleibenden Gasdruck einfüttert. Bei Druckluftwechsel die durch das Wetter bedingt sind müssen allgemein solche Systeme nachgeregelt werden, entweder mit Blick auf die Quecksilbersäule manuell oder mit zusätzlichen Mess- und Regeleinheiten. Möglicherweise ist das genannte System tauglich für einige „hartgesottene” tropische Fischarten bei Dauerwetterlagen, ein realer Gebrauch in der Aquakultur, insbesondere wenn in Europa einheimische Arten kultiviert oder gar erbrütet werden ist eher ein Roulette mit dem Wetter.
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Bei keiner der genannten Verfahren, Anlagen oder Bautypen ist dem wichtigen Gaspartialdruck des Stickstoffs gedacht, somit ist das Wohl der zu versorgenden Organismen wie Fische oder Garnelen dem Anliegen der Prozesstechniker zum Opfer gefallen. Desweiteren nutzen kein Verfahren und kein Aufbau manipulierbare stehende Gasblasen zur Reaktionsverlängerung sondern nur verlängerte, allenfalls durch das Gegenstromprinzip gebremste Aufstiegswege im Schwebestrom. Das dazu notwendige Henry-Daltonsche Gesetz und seine Chance zur Steuerung des Schwebezustands, die Reynoldszahl, die Laplacesche Kontante und das Wissen über Luftdruck-Veränderungen in der Atmosphäre bei Wetter- und Klimaschwankungen werden weder bei der Steuerung der Reaktionen noch bei der Konstruktion genutzt. Einer Trennung von Fett- und Eiweißfloating wird nicht in Erwägung gezogen, sodass bei fetthaltiger Fütterung der Besatztiere ein Zusammenbruch der Proteinabschäumung und damit auch der Partikelabschäumung folgt. Im Gegensatz zur Flotation bei der Erzgewinnung sind die Flotationstechnologien im Bereich der Wasseraufbereitung, insbesondere in Aquakultur und Aquaristik wenig professionell bis hobbyistisch.
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AUFGABENSTELLUNG
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Im Stand der Technik werden Bauformen und Verfahren der Flotation beschrieben, die mit Hilfe von Gasblasen, welcher Art auch immer, Moleküle oder Stoffe aus einem Wasserstrom entfernen, um das Abstromwasser gereinigt und fischtauglich abzugeben. Dabei wird tendenziell im Sinne der Prozesstechnik abgeschäumt, ohne den zu schützenden Zielorganismus z. B. den Fisch in der Aquaristik oder Aquakultur zu beachten. Eine Effizienz in der Flotation ist kaum gegeben da physikalische Gesetzgebungen missachtet werden. Fett und Proteinabschäumung sind unklar. Taugliche Systeme für das Süßwasser fehlen völlig, auch wenn die Bautypen als Süßwasserabschäumer benannt sind. Halbwegs effiziente Bauformen sind fischgefährdend. Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht darin, die geforderte Funktion einer fischtauglichen Flotation des Kulturwassers effizient und wirtschaftlich auch im Süßwasser zu bewerkstelligen. Das dem Verfahren entspringende System mit seiner Anordnung zur Durchführung sollte einfach im Bau, stabil und regelbar auch bei Druckluftwechsel, physikalisch definierbar, Gaspartialdruck arm und einfach bedienbar sein. Die Lösung für die Aufgabe der stabilen, regelbaren, Wetter unabhängigen und tierzuchttauglichen Reinigung von Kulturwasser durch die der Flotation verfügbaren chemisch-physikalischen Möglichkeiten ist als Verfahren dem Hauptanspruch zu entnehmen. Die Anordnungen zur Durchführung sowie vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Gaspartialdruck orientierten Flotation für Süß- und Seewasser sollen steuerbar, auch bei Schwankungen des Luftdrucks stabil, Feinstpartikel, Fette und Proteinmoleküle aus dem Wasser entfernt werden, sowohl in der allgemeinen Wasseraufbereitung wie insbesondere der Aquakultur und der Aquaristik, auch unter den Bedingungen grenzspannungsschwacher Wasseroberflächen und geringer Dichten. Bei dem Verfahren wird prinzipiell zwei oder mehrstufig abgeschäumt, wobei zuerst die Fette und danach Proteine in Kombination mit Partikeln entfernt werden. Es wird verfahrenstechnisch daher in eine Fettflotation (A) in erster Stufe sowie in folgender Protein- und Partikelflotation (B) in zweiter Stufe getrennt. Abschließend erfolgt in einem eigenen Bereich (C) der Abstrom, Nachlauf und die Steuerung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich mit entsprechender Spezifikation als Einzelverfahren und entsprechend als Einzelanordnung zur Fett- (A) oder Protein/Partikelabschäumung (B) getrennt nutzbar, insofern die folgenden Erläuterungen im speziellen Bereich geachtet werden. Ideal ist natürlich die Kombination zur Nutzung der Synergieeffekte, z. B. der einfachen Pumpennutzung, also Energieersparnis, sowie der Stabilisierung der Proteinabschäumung durch vorhergehende Fettabschäumung und der nur einmaligen Auslegung eines Abstrom- und Steuerungsbereiches (C). Bei der vorgesehenen gemeinsamen Nutzung sind die Drücke der eingesetzten Gase zur Flotation, die eingesetzten Strömungsgeschwindigkeiten und die Durchströmungsvolumina aufeinander abzustimmen.
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Die konstruktive Umsetzung der Innovation nutzt im bevorzugten kombinierten System zuerst eine Fettflotation im Bereich (A) der Erstreaktion, um die nachfolgende Proteinflotation im Bereich (B) der Zweitreaktion zu optimieren. In einem ersten Einlauf- und Beschickungsbereich (2) werden bei größerer Tiefe und damit bei einem verlängerten Reaktionsweg von mindestens 1,5 m Wasserstand, größere, mindestens 5 mm und mehr im Durchmesser betragende, mit der Strömung (14) gleichfließende Blasen (13), über eine möglichst austauschbare Venturivorrichtung (10) oder ähnliche Blaseneintragung eingespeist. Diese, bis zu 60 cm/s schnell steigenden und großen Blasen (13) haben den Vorteil, dass sie in der durch die Gleichströmung verkürzten Reaktionszeit, mit ihrer relativ zum großen Volumen geringeren Oberfläche, nur wenige Stickstoffgase eintragen können. Gleichzeitig haben sie ein Optimum bei der Abscheidung der Fettgehalte, können somit mehr Fettmoleküle einsammeln und aus der Wassersäule tragen, sodass sie trotz verkürzter Reaktionszeit die Aufgabe der Fettflotation erfüllen können. Eiweiße spielen hier kaum eine Rolle. Zusätzlich verringern die Luftblasen den CO2 Gehalt des Durchstromwassers, da von diesem Gas eine Übersättigung durch die üblichen Bioreaktionen in Aquakultursystemen vorhanden ist. Die Blasengröße ist im Voraus über die dem Fachmann zugänglichen Methoden grob zu berechnen. Sie ist dem im Hauptrohr (1) oder Hauptdurchgangsbereich vorhandenen Gesamtdruck im Bereich der Einspeisung, vorzugsweise eine Venturivorrichtung (10) so anzupassen, dass der daraus im Wasser entstehende Gaspartialdruck des Stickstoffes im Abstromwasser keine Embolien oder Vergiftungen der zu pflegenden Organismen hervorrufen kann. Der zu beachtende Gesamtdruck ist abhängig von der Wassertiefe der Injektionsstelle bzw. der Venturivorrichtung (10), also hier von der Länge des Hauptdurchgangsbereichs bzw. des Hauptrohres (1) und dessen Winkel zur Horizontalen. Es entstehen bei fachgerechter Auslegung große, ellipsenförmige, abgeflachte Blasen (13) mit erhöhter innerer Turbulenz und damit Effizienz der inneren Fettanlagerung durch die resultierende Bewegung der Blasenoberfläche. Es folgt eine höhere Aufstiegsgeschwindigkeit der großen Blasen (13), bedingt durch deren höhere Reynoldszahl und der damit weniger zähen Einwirkung des Wassers auf die Blasen (13). Der durch die verbreiterte Blasenform entstehende, bremsende höhere Widerstandsbeiwert hat hier nur eine geringe Wirkung. Er wird durch die relativ verringerte Zähigkeit des Wassers und durch die Richtung der Wasserströmung (14) mehr als ausgeglichen. Die Form und Größe der Blasen (13) ist zusätzlich abhängig von der Art und dem Druck der Gaseinspeisung, also der hier bevorzugten Anordnung der Venturieinrichtung (10) bzw. den darin enthaltenen Gasinjektionsöffnungen (17). Ebenso beeinflusst die Geschwindigkeit des vorbeifließenden Wassers in Kombination zur Bauform, vorzugsweise eine Verjüngung (18) am Punkte der Einspeisung in der Venturivorrichtung (10) den entstehenden Venturieffekt, also dessen kurzfristig entstehenden relativen Unter- oder Überdruck zum bestehenden Gesamtdruck an der Injektionsstelle.
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Vorzugsweise wird hier die Injektion der Gase in Form einer Ringverteilung mit mehreren definiert großen Ausstromöffnungen (17) ausgelegt, welche über einen Ringkanal (16) miteinander verbunden sind und über einen Gaseinstromkanal (19) mit Gasdruck versorgt werden. Damit verringern sich die Risiken zu kleiner Blasen (13) und damit die Emboliegefahr für die in der Aquakulturanlage oder im Aquarium gehaltenen Tiere. Außerdem vereinfacht dies eine Selbstreinigung der Vorrichtungen. Nach grober Vorausberechnung der Blasengröße sollte hier die Venturivorrichtung austauschbar sein, um bei großen Baudifferenzen die entsprechenden Ausstromöffnungen einfach anzupassen. Dann kann das System hier fein gesteuert werden z. B. durch die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers mit üblicher Methodik, also mit der Stärke der Pumpe (09) insofern diese regelbar ist oder mit einem Ventil (07) vor oder nach der Pumpe (09) am Einlaufrohr (08) oder über ein Steuerglied (12) an der Druckluftleitung (11).
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ergibt sich, wenn Fette und Eiweiße möglichst getrennt voneinander reagieren und auch abgeschieden werden. In der idealen Anordnung bedeutet dies, dass der folgende Schaumsammlungs- und Abtrennungsbereich (3) getrennte Schaumsammlung in separaten Töpfen (22, 26) für die Fettreaktion und die Eiweißreaktion durchführt. Dadurch bleibt die Reaktion der Protein- und Partikelabschäumung aufgrund der sonst störenden Fetteinwirkung stabiler. Es erhöht sich die Effizienz des Gesamtsystems gegenüber Systemen ohne Vorreaktion.
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In der Erfindung der Gaspartialdruck orientierten Flotation für Süß- und Seewasser wird in der 2. Reaktion, der sog. Proteinflotation, im Bereich (B) die eigentliche Protein- und Partikelabschäumung vorgenommen und optimiert. Dies passiert direkt im Reaktionsbereich (4) im engeren Sinne, in dem im Verfahren mit nahezu stehenden Blasen (34), im Basissystem bei geringer Wassertiefe, gearbeitet wird, um damit den Druckverhältnissen des Stickstoffes gerecht zu werden. Im Gegensatz zu bisher genutzten Schwebeverfahren, in denen kleinste Blasen langsam und turbulent aus großer Tiefe aufsteigen und damit den Partialdruck des Stickstoffes erhöht wird, werden in der neuen Methode nahezu stehende, wenig turbulente Blasen (34) größer 2 mm bis etwa 5 mm zur Eiweißreaktion bevorzugt. Die Turbulenzen werden im Verfahren allgemein durch entsprechend lange, im Durchmesser bezüglich zur Reynoldszahl angepasste Hauptdurchflussbereiche bzw. Hauptrohre (1) reduziert, was wiederum die Partikelanlagerung an die bereits an den Blasen angelagerten Proteinen verbessert, gegensätzlich zu den bisher bekannten sogenannten Süßwasserabschäumern, in denen Partikel durch die Turbulenzen häufig von den Proteinen im Nachlauf getrennt werden. Zur Berechnung müssen Druckverhältnisse, Blasengrößen, Geometrie, Reynolds Kennziffern und Geschwindigkeiten mit üblichen Mitteln bearbeitet werden. Die o. g. geringe Blasengröße steigt etwa mit einer Geschwindigkeit (35) von 30 cm/s auf. Dementsprechend muss die Fließgeschwindigkeit des Wassers (36) im Reaktionsbereich (4), der hier gleichzeitig Transportbereich der beladenen Blasen (34) ist, mit geringfügig kleinerem Wert als 30 cm/s entgegen stehen, um die Blasen (34) in Schwebe zu halten. Bei einer daraus resultierenden Zeit des Aufstiegs von 50 s und mehr, bei einer Wassertiefe von 50 cm, würde eine Blase gegen eine Wassersäule von 15 m fließen und der dadurch verlängerte Reaktionsweg eine Optimierung von Protein- und Partikelanlagerung nach sich ziehen ohne schädliche Partialdrücke zu entwickeln. Reaktionsbereich (4), der hier gleichzeitig Transportbereich der beladenen Blasen (34) ist, mit geringfügig kleinerem Wert als 30 cm/s entgegen stehen, um die Blasen (34) in Schwebe zu halten.
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Bei Begasung mit reinem Sauerstoff in der Zweitreaktion kann die Wassertiefe der genutzten Gaseinspeisung in einer vorteilhaften Erweiterung des Verfahrens auf theoretisch über 10 m erhöht, bei Anordnung der Durchführung mit einem Ausströmer (33) dessen Porengröße und damit die Blasengröße weiter verringert werden. Damit hätte das System eine erweiterte Aufgabe der Sauerstoffanreicherung ohne Stickstoffproblematik und parallel dazu einen vorteilhaft verlängerten Reaktionsweg mit höherer Effizienz, wobei jedoch der Aufnahmekapazität der Blasen natürliche Grenzen gesetzt sind.
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Um bei der Auswahl der Begasung im Verfahren flexibel zu bleiben, muss in vorteilhafter Erweiterung in der Anordnung zur Durchführung der Ausströmer (33) flexibel mit Verlängerung und Aufhängung (37) angeordnet sein. Ebenso müssen die entsprechenden Längen von Hauptrohr (1) bzw. Hauptdurchflussbereich und Reaktionsbereich (4) aufeinander angepasst werden, was z. B. bei einer Ausströmung des Sauerstoffs in 2 m Tiefe eine Reaktionszeitverlängerung um das Vierfache und damit einen Reaktionsweg nach Abschnitt [0023] von 60 m Lauflänge darstellt und somit neben der effizienten Sauerstoffanreicherung in Abwesenheit von Stickstoff eine effiziente Abschäumung auch bei geringer Dichte im oberflächenspannungsarmen Süßwasser jederzeit gewährleistet.
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Damit die Strömungs- und Druckverhältnisse des Verfahrens und dessen Auslegungen im Gegensatz zu anderen Systemen und Verfahren stabil bleiben und weiter optimiert eingeregelt werden können, bedarf es in Erweiterung der Technologie, vorzugsweise im Schaumsammlungs- und Abtrennungsbereich (3), einer Verbindung zum äußeren Luftdruck durch Lufteinleitung, vorzugsweise im Schaumtopf der 2. Reaktion (29), wo Außenluft über Durchfluss orientierte Regler (30), nicht über Manometer, sondern nur durch den eigenen Unterdruck des abfließenden Wassers, über Luftfilter (31) zugeführt werden kann. In Kombination mit der Wassereinstromregelung (7), einer eventuell nicht zwangsweise geregelten Pumpe (9) und der Injektorregelung (12) im Einlauf und Beschickungsbereichs der Erstreaktion (2) und der Regelung der Injektion der 2. Reaktion (41) im Abstrombereich mit Mess- und Steuerungstechnik (5) kann die hier vorliegende Innovation flexibel, bei unterschiedlichen Wässern, stabil bei unterschiedlichen Luftdrücken, einfach und einmalig an die gegebenen Verhältnisse angepasst und dann ohne weitere Nachregelung betrieben werden. Dies ist bei anderen Verfahren und Anordnungen so nicht möglich. Die hier modifizierte Möglichkeit zum Druckausgleich durch eine zusätzliche Verbindung zur Außenluft ermöglicht zusätzlich eine Einregelung bei unterschiedlichen Abflusstiefen oder Durchmessern im Abstrombereich oder Rohr (38) und eine Sicherung zur Außenluft bei Vorhandensein von Schäumen in der Schaumabführung der 2. Reaktion (27), welche einen Druckausgleich über diesen Weg verhindern.
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Eine vorteilhafte Erweiterung der Protein- und Partikelabschäumung stellt in seiner Anordnung die sehr späte Nachlaufregelung (05) im möglichst lang ausgelegten Abstrombereich (C) dar. Dabei können relevante Parameter wie z. B. das Redoxpotential von einem Sensor (39) kurz vor Austritt des Prozesswassers in die Folgestufe, sei es ein Bioreaktor oder ein Fischbecken gemessen und die Injektion der sehr weit vorliegenden Gasmischungen geregelt werden. Der Vorteil gegenüber anderen Systemen ist, dass hier der Reaktion durch den verlängerten Reaktionsweg seit der 2. Injektion genügend Zeit verschafft wird Überschüsse, wie sie z. B. bei einer Ozoninjektion möglich sind, abzubauen, um damit ein optimales, unschädliches Redoxpotential ohne Vergiftungserscheinungen der Organismen beizubehalten.
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In der weiteren Beschreibung wird zur Verdeutlichung der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten musterhaft ein Betriebsbeispiel des Verfahrens in vollständiger Anordnung zur Durchführung einer steuerbaren, Gaspartialdruck orientierten Flotation für Süß- und Seewasser vorgestellt. Es handelt sich dabei um die Expression als Abschäumer im Süßwasser, der einen Bewegbett-Bioreaktor unterstützt und in der 2. Reaktion eine Gasmischung aus Luft und Ozon einspeist. Dabei werden im Einzelbereich zusätzlich verschiedene Auslegungen beschrieben.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Eine Ausbildungsform des Verfahrens, zur Luftdruck unabhängigen, stabilen, steuerbaren, Gaspartialdruck orientierten Flotation für Süß- und Seewasser, wird anhand der schematischen Figuren zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die:
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1 einen Grundbauplan des Verfahrens zur steuerbaren, Gaspartialdruck orientierten Flotation für Süß- und Seewasser mit allen Erweiterungen außer der möglichen Reinsauerstoffbegasung in der Zweitreaktion,
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2 eine Verdeutlichung und nähere Erläuterung des Einlauf- und Beschickungsbereichs (2) mit Erst bzw. Fettreaktion,
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3 den inneren Aufbau der Venturivorrichtung (10) mit der Injektion zur Erst- bzw. Fettreaktion, dem Ringkanal (16) und den Einstromöffnungen (17),
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4 den Schaumsammlung- und Abtrennungsbereich (03) zur Entfernung der abgeschiedenen Massen,
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5 den Bereich der Zweit- bzw. Eiweißreaktion (04) mit im Strom stehenden Blasen im engeren Sinne,
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6 den Abstrombereich mit Mess- und Steuerungstechnik (05).
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1 zeigt einen möglichen Grundbauplan einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur stabilen, steuerbaren, Gaspartialdruck orientierten Flotation für Süß- und Seewasser mit allen Erweiterungen außer der möglichen Reinsauerstoffbegasung in der Zweitreaktion. Sie verdeutlicht eine mögliche Expression als Abschäumer im Süßwasser, der z. B. einen folgenden Bewegbettbioreaktor unterstützen kann und in der Zweitreaktion eine Gasmischung aus Luft und Ozon einspeist. Hier wäre eine Reinsauerstoffbegasung mit tieferer Blaseneinführung ebenfalls denkbar, insofern die Bautenlängen dementsprechend ausgelegt würden. Die allgemeine Untergliederung einer Anordnung in A, den Bereich Erst- bzw. Fettreaktion im weiteren Sinne, B den Bereich Zweit- bzw. Protein- und Partikelreaktion im weiteren Sinne und C den Bereich Abstrom, Nachlauf und Steuerung im weiteren Sinne sollen in dieser Abbildung erkannt werden. Desweiteren sind die funktionellen Einheiten von 01 dem Hauptdurchflussrohr bzw. Hauptdurchflussbereich, 02 dem Einlauf- und Beschickungsbereich mit Erst- bzw. Fettreaktion, 03 dem Schaumsammlung- und Abtrennungsbereich, 04 dem Bereich der Zweit- bzw. Eiweißreaktion mit den im Strom stehenden Blasen im engeren Sinne, 05 dem Abstrombereich mit der Mess- und der Steuerungstechnik und 06 der Druckluftversorgung hier abgebildet.
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2 vergrößert zur Erläuterung die Funktionseinheit des Einlauf- und Beschickungsbereichs (02). In dieser Anordnung wird das zu reinigende Prozesswasser über ein Regelventil (07) durch ein Zulaufrohr (08) einer steuerbaren oder nicht steuerbaren Pumpe (09) zugeführt, die das Fluid beschleunigt und durch eine Venturivorrichtung (10) in das Hauptrohr (01) geleitet. Die Venturivorrichtung (10) speist zudem hier Außenluft aus einer Druckluftleitung (11) durch einen Regler (12) in das Wasser ein, wo sich die Luftblasen (13) mit der Wasserströmung (14) gleichgerichtet bewegen und dabei Fette aufnehmen. Die Wand des Hauptrohres (01) ist hier klarsichtig ausgelegt zur besseren Einregelung und Sichtkontrolle.
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3 vergrößert zur Erläuterung eine Expression einer Venturivorrichtung (10), in der über einen Einstromkanal (19) Luft aus der Druckluftleitung (11) in einen Ringkanal (16) eingespeist wird, wo sie über Ausstromöffnungen (17) an das Wasser weitergegeben wird. Bedingt durch eine Querschnittsverengung (18) entsteht ein Venturieffekt. Zur Reinigung und zur flexiblen Auslegung sollte die Düse austauschbar sein. Dann kann bei stark veränderten Druckverhältnissen eine Auslegung mit dementsprechend veränderten Gasinjektionsöffnungen (17) erfolgen.
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4 vergrößert zur Erläuterung den Schaumsammlung- und Abtrennungsbereich, in dem das Wasser über eine Verbindung (20) der Hauptrohre (01) mit Abzweigen für separate Schaumtöpfe (22, 26), die notwendige Richtungsumkehr zur nachfolgende Zweit- bzw. Proteinreaktion erfährt und gleichzeitig der entstehende Schaum getrennt über die Trichter (21, 25) in die entsprechenden Sammeltöpfe (22, 26) und weiterhinaus durch die entsprechenden Abführkanäle (23, 27) abgeführt werden kann. Außerdem befindet sich in dieser Auslegung am Schaumtopf (26) der Zweitreaktion die wichtige Öffnung (29) zum geregelten (30) Druckausgleich, der seine Zuluft von außen über einen Filter (31) erhält und damit das System gegen Druckluftschwankungen stabilisiert. Die dargestellte Anordnung des Verfahrens kann sowohl wie hier mit handelsüblichen PVC oder Metall Fittings einfach geklebt oder mit PP Abwasserfittings gesteckt werden. Die Auslegung mit parallelen Platten, vorzugweise klaren Materialien, und dazwischen befestigten Trennwänden, funktioniert bei Berücksichtigung der durch Ecken entstehenden Turbulenzen ebenfalls, vorausgesetzt die Auslegung im Sinne des Verfahrens.
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5 vergrößert zur Erläuterung den Bereich der Zweit- bzw. Eiweißreaktion mit den im Strom stehenden Blasen (04). Dabei soll die für das Verfahren wichtige Gleichgewichtssituation zwischen dem abwärts fließenden Wasser (36) und den steigenden (35) Gasblasen (34), in diesem Fall ein Luft/Ozongemisch verdeutlicht werden. Der in dieser Anordnung frei hängende Ausströmer (33) wird über eine Gasversorgung (32) einstellbar gespeist und ist über eine Aufhängung (37) flexibel gesichert, sodass er bei Wechsel des Fütterungsgases auf stickstofffreie Varianten, z. B. Reinsauerstoff tiefer gesenkt werden kann. Hier sind aufgrund des aktuellen Gasgemisches Eintauchtiefen von 70 cm nicht zu überschreiten aufgrund des sonst entstehenden gefährlichen Stickstoffpartialdruckes. Die langsam steigenden Blasen (34) heften erst Protein und dadurch verstärkt Partikel an. Der lange Nachlauf und entsprechende Durchmesser/Längenverhältnisse beruhigen die Turbulenzen. Auch hier ist eine Klarsichtversion des Hauptrohres (01) zur Einstellung und Kontrolle vorteilhaft.
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6 vergrößert zur Erläuterung den Abstrombereich mit der Mess- und der Steuerungstechnik im engeren Sinne (05). In diesem werden nach längerem Ausklang der Reaktionen die bevorzugten Parameter zur Steuerung, in diesem Falle das Redoxpotential mit einem oder mehreren Sensoren (39) aufgenommen und über die Signalleitung (40) an die oder das Steuerglied (41) weitergegeben. Das Steuerglied (41) regelt in dieser Anordnung dann die Produktion von Ozon in einem Ozonreaktor (42), der selbst mit Druckluft über eine Leitung (43) versorgt wird. Je nach Redoxpotential wird die Ozonkonzentration eingeregelt. Im Falle einer Reinsauerstoffspeisung der Zweitreaktion würde anstelle der Redoxsonde eine Sauerstoffsonde treten, anstelle eines Ozonreaktors eine unabhängige Sauerstoffquelle aus Tanks oder eine abhängige Quelle aus einem Sauerstoffkonzentrator.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Bereich Erst- bzw. Fettreaktion im weiteren Sinne
- B
- Bereich Zweit- bzw. Protein- und Partikelreaktion im weiteren Sinne
- C
- Bereich Abstrom, Nachlauf und Steuerung
- 01
- Hauptdurchflussrohr bzw. Hauptdurchflussbereich
- 02
- Einlauf und Beschickungsbereich mit Erst(Fett)reaktion
- 03
- Schaumsammlung- und Abtrennungsbereich
- 04
- Bereich der Zweit(Eiweiß)reaktion mit im Strom stehenden Blasen im engeren Sinne
- 05
- Abstrombereich mit Mess- und Steuerungstechnik
- 06
- Druckluftversorgung
- 07
- Regelung Einlauf
- 08
- Einlaufrohr bzw. Zustrom
- 09
- Pumpe bzw. Einspeisung des zu reinigenden Wassers
- 10
- Venturivorrichtung mit Venturidüse Erstreaktion (Fettreaktion)
- 11
- Druckluftleitung zur Erstreaktion
- 12
- Regelung der Drucklufteinspeisung zur Erstreaktion
- 13
- Luftblasen Erstreaktion
- 14
- Wasserströmungen
- 15
- Gasblasenrichtung zur Erstreaktion
- 16
- Ringkanal für Gasverteilung zur Gasinjektion
- 17
- Öffnungen zur Gasinjektion in den Wasserstrom
- 18
- Verjüngung der Venturivorrichtung zum Erreichen des Venturieffekts
- 19
- Gaseinstromkanal für Venturivorrichtung
- 20
- Verbindung Hauptrohr mit Abzweigen für Schaumtöpfe
- 21
- Schaumtrichter 1. Reaktion
- 22
- Schaumtopf 1. Reaktion
- 23
- Schaumabführung 1. Reaktion
- 24
- Wasserstand 1. Reaktion
- 25
- Schaumtrichter 2. Reaktion
- 26
- Schaumtopf 2. Reaktion
- 27
- Schaumabführung 2. Reaktion
- 28
- Wasserstand 2. Reaktion
- 29
- Lufteinleitung Schaumtopf 2. Reaktion
- 30
- Regler/Ventil Lufteinleitung Schaumtopf 2. Reaktion
- 31
- Luftfilter Lufteinleitung Schaumtopf 2. Reaktion
- 32
- Luft/Gasgemischeinleitung zur 2. Reaktion
- 33
- Flexibler Ausströmer der 2. Reaktion
- 34
- Gasblasen der 2. Reaktion
- 35
- Richtungsvektoren der Gasblasen der 2. Reaktion
- 36
- Richtungsvektor des Fluides der 2. Reaktion
- 37
- Aufhängung Ausströmer
- 38
- Abstromrohr
- 39
- Kontrollsensor
- 40
- Signalleitung
- 41
- Regler
- 42
- Ozongerät oder Sauerstoffkonzentrator bzw. Sauerstoffquelle
- 43
- Druckluftleitung zur Versorgung des Ozongerätes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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