DE102017124791A1

DE102017124791A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einmischen einer Substanz in ein strömendes Fluid

Info

Publication number: DE102017124791A1
Application number: DE102017124791.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Schröder
Original assignee: Aquen Aqua Eng GmbH; Aquen Aqua-Engineering GmbH
Current assignee: Aquen Aqua Eng GmbH; Aquen Aqua-Engineering GmbH
Priority date: 2017-10-24
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: DE102017124791B4

Abstract

Zum Einmischen einer Substanz (8) in ein strömendes Fluid (3) wird die Substanz (8) in eine durch ein erstes Rohr (5) strömende erste Teilströmung des Fluids (3) injiziert und wird die aus dem ersten Rohr (5) in einen ersten Mischraum (6) austretende erste Teilströmung auf ein erstes Strömungshindernis gerichtet, das zumindest teilweise dadurch ausgebildet wird, dass eine aus einem zweiten Rohr (5) in den ersten Mischraum (6) austretende zweite Teilströmung des Fluids (3) unter einem stumpfen Winkel in dem ersten Mischraum (6) auf die erste Teilströmung gerichtet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einmischen einer Substanz in ein strömendes Fluid. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum Einmischen einer Substanz in ein strömendes Fluid.
Spezielle Anwendung können das Verfahren und die Vorrichtung finden, um in dem strömenden Fluid enthaltene Ionen mit in der eingemischten Substanz enthaltenen anderen Ionen chemisch so zu reagieren, dass die Ionen aus dem strömenden Fluid ausgefällt werden. Konkret kann dies dazu dienen, in dem strömenden Fluid enthaltene Phosphationen mit Hilfe von in der Substanz enthaltenen Metallionen auszufällen.
STAND DER TECHNIK
Nach den geltenden gesetzlichen Bestimmungen muss der Abwasserablauf einer Kläranlage Obergrenzen bei der Phosphorkonzentration einhalten. Diese Obergrenzen liegen aktuell je nach Größe der Kläranlage bei 0,5-2 mg PO₄-P/I, wobei größere Kläranlagen kleinere Grenzwerte einzuhalten haben. Typische Phosphorkonzentrationen des Zulaufs zu einer Kläranlage liegen bei 6-12 mg PO₄-P/I. In biologischen Kläranlagen kann durch Kultivierung von Biomasse die Phosphorkonzentration um 0,5-3 mg PO₄-P/I reduziert werden. Durch spezielle Verfahrensabläufe kann dieser Wert weiter gesteigert werden. Es verbleiben aber immer noch Restmengen von etwa der Hälfte der ursprünglichen Phosphorkonzentration, die nur auf dem Weg der chemischen Reaktion des Phosphors mit Metallionen zu Ausfällungsprodukten eliminierbar sind.
Die Ausfällung des Phosphors mit Hilfe von Metallionen ist somit ein unerlässlicher Prozessschritt zur Erfüllung der gesetzlichen Auflagen.
Damit die Fällung stöchiometrisch funktionieren kann, wird ein Molverhältnis der eingesetzten Metallionen Me3+ zu dem in dem Abwasser enthaltenen Phosphor von > 1 eingestellt. Im Arbeitsblatt A131 der DWA/ATV wird für den Einsatz von Eisenprodukten ein Molverhältnis von mindestens 1,5, also eine deutlich überstöchiometrische Dosierrate, empfohlen, um einen Phosphorgrenzwert im Ablauf einer Kläranlage von < 1 mg PO₄-P/I einzuhalten. Niedrigere Grenzwerte erfordern noch deutlich höhere Molverhältnisse zur sicheren Einhaltung. Um einen Phosphorgrenzwert von 0,5 mg PO₄-P/I im Ablauf einer Kläranlage einzuhalten, müssen beispielsweise Molverhältnisse von etwa 2 eingestellt werden.
Damit ein Molverhältnis in der Nähe des Idealwerts von 1 für die Ausfällung des Phosphors ausreichend wäre, wäre es erforderlich, dass der Mischvorgang und damit der Kontakt der zum Beispiel zugesetzten Eisenionen mit den im Abwasser enthaltenen Phosphorionen in sehr kurzer Zeit und sehr intensiv erfolgt. Hierfür werden in der Literatur Misch- und Reaktionszeiten von 1 bis 5 Sekunden genannt. Ist ein solcher schneller und intensiver Mischvorgang nicht möglich, bindet das Eisen an freie (OH)^--Ionen im Abwasser an und ist damit für die chemische Reaktion mit den Phosphorionen verloren, weil es zu Eisenoxidschlamm abreagiert ist. Entsprechend müssen für die Einhaltung der angestrebten Phosphorgrenzwerte im Ablauf einer Kläranlage mehr Mengen an Eisenprodukten eindosiert werden. Dies erhöht die jährlichen Stoffkosten von 0,4-0,8 €/(EW*a) erheblich und erzeugt zudem zusätzlichen inerten, nicht ausfällbaren Eisenoxidschlamm mit einem Anteil am insgesamt zu entsorgenden Schlamm von rund 5-10 %, der vermeidbar wäre.
Aus der Literatur ist es auch bekannt, dass eine einer intensiven Einmischung von Fällungsagenzien und deren chemischen Reaktion nachgeschaltete, ungestörte Reaktionszeit von 10 bis 15 Sekunden eine Flockung der Chemikalien und damit deren Ausfällung maßgeblich unterstützt und fördert.
Aus der DE 20 2005 021 136 U1 ist eine Vorrichtung zur Dosierung von Fällmittel zur Phosphatelimination mittels Druckluft in Abwasserbehandlungsanlagen bekannt. Die Vorrichtung besteht aus einem Behälter zu Bevorratung des Fällmittels, einer Dosiereinheit, einer Fällmittelleitung, einer zuführendenden Leitung sowie einer Verbindung zwischen Vorratsbehälter und Dosierbehälter. Eine von einem Gebläse/Verdichter druckseitig abgehende Druckluftleitung, in die ein Magnetventil eingebaut ist, führt zu der an dem Vorratsbehälter angebrachten Fällmittelleitung. Im drucklosen Zustand fließt das Fällmittel aus dem Vorratsbehälter in die Fällmittelleitung. Wird das Magnetventil bei laufendem Verdichter/Gebläse geöffnet, wird über die Druckluftleitung die Fällmittelleitung mit Druckluft beaufschlagt, und das in der Fällmittelleitung befindliche Fällmittel wird zur Dosiereinheit gefördert. Überschüssiges Fällmittel fließt automatisch in den Vorratsbehälter zurück.
Aus der DE 40 13 375 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von Phosphor aus Abwasser bekannt. Dem feststoffarmen Abwasser werden Fällungs- und Flockungsmittel zum Überführen der gelösten Phosphate in ungelöste Form zugegeben. Fällungsprodukte werden geflockt und durch Mikrosiebung entfernt. Die Fällung und Flockung erfolgt in einer Entstabilisierungsstufe und in einer davon räumlich getrennten Agglomerationsstufe, wobei die Verweilzeit in der Entstabilisierungsstufe 15 bis 60 Minuten beträgt und wobei das Abwasser in Agglomerationsstufe schonend gerührt wird.
Aus der DE 10 2008 050 349 A1 ist ein Verfahren zur Ausfällung von Phosphor aus phosphatbelastetem Abwasser unter Bildung von Magnesium-Ammonium-Phosphat-Kristallen bekannt. Dazu wird das Abwasser in einer Kristallisations-Stufe mit Magnesiumchlorid versetzt. Der Kristallisations-Stufe ist eine Ausstrip-Stufe vorgeschaltet, in der das Abwasser mit Luft versetzt wird. In der Kristallisations-Stufe wird das mit Magnesiumchlorid versetzte Abwasser durch mechanische Mittel so bewegt, dass sich kleine Impfkristalle entwickeln können, dass sich an diesen Impfkristallen neue Fällungsprodukte anlagern können und dass sich gebildete Magnesium-Ammonium-Phosphat-Pellets absetzen können. Die Verweilzeit des Abwassers in der Kristallisations-Stufe beträgt bis zu drei Stunden.
Aus der CN 204 325 077 U ist eine Vorrichtung zur Abwasserbehandlung bekannt. Die Vorrichtung weist einen Rohrmischer, einen Reaktionsbehälter, einen Sedimentationsbehälter und einen Zwischenbehälter auf, die nacheinander geschaltet sind. Durch Zugabe von Chemikalien wird Phosphor unter Einsatz eines Rührers in dem Reaktionstank entfernt.
Aus der US 7,922,897 B2 ist ein Wirbelschichtreaktor zum Entfernen von Phosphor und Stickstoff aus Abwasser bekannt. Der Reaktor weist eine Säule mit einer Reihe von Abschnitten auf. Der Durchmesser der Säule ändert sich schrittweise zwischen den Abschnitten. Eine Strömungsgeschwindigkeit von mehr als 100 cm/min wird in einem untersten Abschnitt aufrechterhalten, und niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten werden in nachfolgenden Abschnitten aufrechterhalten.
Aus der WO 2016/051329 A1 ist ein Verfahren zum Behandeln von Abwasser bekannt, bei dem ein Koagulationsmittel für Phosphor-haltige Substanzen in einer chemischen Behandlungsphase eingesetzt wird. Die chemische Behandlungsphase weist das Mischen des Abwassers unter Injizieren einer vorbestimmten Dosis des Koagulationsmittels in ein Becken auf. Die Injektion erfolgt an einem Ort, in dem die Geschwindigkeit des Abwassers größer oder gleich 0,5 m/sec ist. Das Koagulationsmittel kann ein Metallsalz sein, das ein Eisenion enthält. Das Molverhältnis von Eisen und Phosphor beträgt zwischen 1 und 4, vorzugsweise 2,5. Insbesondere kann das Koagulationsmittel Eisentrichlorid sein. Nach dem Injizieren des Koagulationsmittels wird das Abwasser gemischt, so dass eine mittlere Geschwindigkeit des Abwassers in dem Becken zwischen 0,1 und 0,4 m/sec beträgt, um die koaguliertes Phosphor enthaltende Substanz auszuflocken.
Aus der EP 0 578 032 A2 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Abwasser-Kläranlage bekannt, bei dem ein Phosphat-Fällmittel mit einer Fällmittel-Pumpe und einer die Fördermenge bestimmenden Stellvorrichtung in das Abwasser eingespeist wird. Mit einer Leitfähigkeits-Messvorrichtung im zulaufenden Abwasser, einer Durchlaufmengen-Messvorrichtung und einer Steuervorrichtung für die Stellvorrichtung wird das Phosphat-Fällmittel dosiert.
Aus der WO 2014/025126 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Eisenphosphatpartikeln in Nanogröße bekannt. Das Verfahren weist das Mischen einer Eisensalzlösung und einer Phosphatlösung in einem Reaktor auf, um eine Suspension zu erzeugen, die amorphe oder kristalline Phosphatniederschlagsteilchen enthält, und das Ausüben einer Scherkraft auf die gemischte Lösungen in dem Reaktor während des Mischschritts. Die die Eisenphosphatniederschlagspartikel in Nanogröße enthaltende Suspension wird mittels der Scherkraft und der Bedingungen innerhalb des Reaktors ausgebildet. Das mikroskopische Vermischen erfolgt schneller als die Keimbildung, um die Herstellung der Nanopartikel und eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung zu erreichen.
Aus der EP 0 912 238 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Pulvern durch Ausfällung aus einem flüssigen Reaktionsgemisch bekannt, welches das Durchleiten eines segmentierten Reaktionsflusses durch einen Röhrenreaktor umfasst. Der segmentierte Reaktionsfluss umfasst diskrete Volumina des Reaktionsgemisches, die durch diskrete Volumina eines Trennfluids getrennt sind, das mit der Reaktionsmischung im Wesentlichen unmischbar ist. Das Trennfluid kann ein Gas sein. Hierdurch soll die Ausfällungsreaktion in allen Teilvolumina unter gleichen Reaktionsbedingungen erfolgen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einmischen einer Substanz in ein strömendes Fluid aufzuzeigen, mit denen Fällungsreaktionen zwischen in dem Fluid enthaltenen Ionen und in der Substanz enthaltenen weiteren Ionen trotz konkurrierender Reaktionen der Ionen unter zumindest annähernd stöchiometrischen Bedingungen erfolgreich durchgeführt werden können.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 16 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einmischen einer Substanz in ein strömendes Fluid umfasst das Injizieren der Substanz in eine durch ein erstes Rohr strömende erste Teilströmung des Fluids. Die aus dem ersten Rohr in einen ersten Mischraum austretende erste Teilströmung wird dann auf ein erstes Strömungshindernis gerichtet, das zumindest teilweise dadurch ausgebildet wird, dass eine aus einem zweiten Rohr in den ersten Mischraum austretende zweite Teilströmung des Fluids unter einem stumpfen Winkel in dem ersten Mischraum auf die erste Teilströmung gerichtet wird. Dabei ist unter einem stumpfen Winkel ein Winkel von mindestens etwa 90° zu verstehen. Vorzugsweise beträgt der stumpfe Winkel 100° oder mehr, so dass die erste und die zweite Teilströmung zumindest teilweise einander entgegengerichtet sind. Durch die derart aufeinandertreffenden Teilströmungen des Fluids wird das Fluid einschließlich der in die erste Teilströmung injizierten Substanz mit hoher Turbulenz stark verwirbelt. Diese Verwirbelung wird nicht durch bewegliche Bauteile, sondern ausschließlich durch die von statischen Bauteilen geführten Teilströmungen des Fluids erreicht. Das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein schnelles Einmischen der Substanz in alle Anteile der Teilströmungen des Fluids, so dass die Substanz mit allen Inhaltsstoffen des Fluids mit sehr hohen Kollisionsraten der gewünschten Reaktionspartner kontaktiert wird, um damit wunschgemäß zu reagieren.
Wie schon angedeutet wurde, wird ein besonders schnelles und intensives Einmischen der Substanz in alle Anteile des Fluids erreicht, wenn die erste Teilströmung und die zweite Teilströmung einander entgegengerichtet sind, d. h. aus einander entgegengesetzten Richtungen auf ein gemeinsames Zentrum des ersten Mischraums gerichtet werden.
Die erste Teilströmung, die zweite Teilströmung und mindestens eine aus einem dritten Rohr in den ersten Mischraum austretende dritte Teilströmung des Fluids können auch aus rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Richtungen auf ein gemeinsames Zentrum des ersten Mischraums gerichtet werden. Wenn dabei vier Teilströmungen aus vier Rohren in den ersten Mischraum austreten, sind diese Teilströmungen paarweise einander entgegengerichtet.
Es versteht sich, dass die Substanz nicht nur in eine der Teilströmungen, die in den ersten Mischraum austreten, sondern in mehrere oder auch alle der in den ersten Mischraum austretenden Teilströmungen injiziert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet, eine in einem nur kleinen Volumenanteil in das Fluid injizierte Substanz schnell über alle Anteile des Fluids zu verteilen. So kann die Substanz z. B. in einem Volumenanteil von nicht mehr als 1/1.000 oder 1/10.000 bezogen auf das Volumen des Fluids in die Teilströmung injiziert werden.
Konkret kann die Substanz in einen stromauf einer Mündung des jeweiligen Rohrs in dem ersten Mischraum liegenden Injektionsbereich in die jeweilige Teilströmung injiziert werden. Dabei kann diese Injektion in dem Injektionsbereich nicht nur in einem, sondern in mehreren über den Innenumfang des jeweiligen Rohrs verteilten Injektionspunkten erfolgen.
Zumindest jede Teilströmung, in die die Substanz injiziert wird, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem jeweiligen Rohr, durch das sie strömt, durch Strömungsleitelemente um eine Rohrachse des jeweiligen Rohrs herum in Rotation versetzt werden. Insbesondere kann dies zwischen dem Injektionsbereich der Substanz in das jeweilige Rohr und der Mündung des jeweiligen Rohrs erfolgen. Hierdurch erfolgt bereits eine Verwirbelung der Teilströmung des Fluids mit der darin injizierten Substanz in dem jeweiligen Rohr und damit schon vor deren Eintreten in den ersten Mischraum eine Vormischung von Substanz und Fluid. Zudem wird durch die Rotation der Teilströmungen die Turbulenz in dem ersten Mischraum erhöht. Dies gilt insbesondere, wenn die Teilströmungen in einander entgegengesetzten Drehrichtungen um das gemeinsame Zentrum des ersten Mischraums in Rotation versetzt werden und dann aus einander entgegengesetzten Richtungen in dem Mischraum aufeinandertreffen.
Um die Teilströmungen des Fluids auszubilden, kann eine mit einer Förderpumpe geförderte Zulaufströmung des Fluids in die Teilströmungen aufgeteilt werden. Dies kann beispielsweise mit einer an die Förderpumpe anschließenden Rohrverzweigung erfolgen.
Aus dem ersten Mischraum heraus kann das Fluid durch eine Düse mit Konfusor und langgestrecktem Diffusor auf ein passives zweites Strömungshindernis in einem zweiten Mischraum gerichtet werden, um weitere Turbulenzen zwecks starker Durchmischung zu erzeugen. Dabei kann das Fluid in der Düse zwischen dem Konfusor und dem Diffusor und/oder am Außenumfang des zweiten Mischraums zusätzlich durch Strömungsleitelemente um eine Düsenachse herum in Rotation versetzt werden.
Das stromab der Düse angeordnete passive Strömungshindernis kann eine Hauptströmungsrichtung des aus der Düse austretenden Fluids umkehren. In jedem Fall kann das Fluid stromab des zweiten Mischraums durch einen ersten Reaktionsraum geführt werden, der koaxial um den Diffusor herum angeordnet ist und in dem eine gewünschte Reaktion zwischen der Substanz und Inhaltsstoffen des Fluids erfolgen kann.
Stromab des ersten Reaktionsraums kann das Fluid durch einen zweiten Reaktionsraum geführt werden, der koaxial um den ersten Reaktionsraum herum angeordnet ist. Dabei kann die Strömungsrichtung des Fluids zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktionsraum umgekehrt werden, wobei das Fluid durch Strömungsleitelemente um die Strömungshauptrichtung herum verwirbelt wird. Von Reaktionsraum zu Reaktionsraum kann der freie Strömungsquerschnitt zunehmen, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids abnimmt und - bei gleicher Länge der Reaktionsräume - die Verweildauer des Fluids in den Reaktionsräumen ansteigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem Fluid eine bezogen auf das Volumen des Fluids vergleichsweise hohe Bewegungsenergie in engem Raum und in kurzer Zeit über Turbulenzbildung und damit letztlich in Wärme dissipiert. Die dissipierte Bewegungsenergie beträgt mindestens 100 W/m³ bezogen auf das Volumen des ersten und/oder des zweiten Mischraums. Die dissipierte Bewegungsenergie ist ein Maß für die in den Mischräumen erreichte Turbulenz. Typischerweise liegt die dissipierte Bewegungsenergie zumindest bezogen auf das Volumen des ersten Mischraums bei etwa 1.000 W/m³.
Bezogen auf das Volumen des Fluids beträgt die dissipierte Bewegungsenergie typischerweise etwa 1.000 J/m³. Die hiermit einhergehende Erwärmung des Fluids bleibt vernachlässigbar.
Konkret kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, um Metallionen in das Phosphorionen-haltige Fluid einzumischen, um so schwer lösliche Phosphormetallsalze auszubilden und aus dem Fluid auszufällen.
In einer Kläranlage kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere in einem Belebungsbecken, einem Denitrifikationsbecken oder vor einem Nachklärungsbecken durchgeführt werden. Die Durchführung erfolgt vorzugsweise in einem Bereich oberhalb eines Beckenbodens und unterhalb eines Wasserspiegels des jeweiligen Beckens. Damit wird die eingesetzte Pumpleistung nicht unnötig für ein Anheben des Fluids aus dem jeweiligen Becken verwendet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein erstes Rohr, durch das eine erste Teilströmung des Fluids strömt, mindestens einen Injektionspunkt, an dem die Substanz in die durch das erste Rohr strömende erste Teilströmung des Fluids injiziert wird, einen ersten Mischraum und Mittel zum Ausbilden eines ersten Strömungshindernisses auf, auf das die aus dem ersten Rohr in den ersten Mischraum austretende erste Teilströmung auftrifft. Diese Mittel zum Ausbilden des ersten Strömungshindernisses weisen ein zweites Rohr auf, durch das eine zweite Teilströmung des Fluids strömt. Die aus dem zweiten Rohr in den ersten Mischraum austretende zweite Teilströmung trifft dabei unter einem stumpfen Winkel in dem ersten Mischraum auf die erste Teilströmung. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine über eine Rohrverzweigung an die jeweiligen Rohre angeschlossene Förderpumpe zur Ausbildung der Teilströmungen des Fluids, mehr als zwei rotationssymmetrisch zueinander auf ein gemeinsames Zentrum gerichtete Rohre für Teilströmungen des Fluids, Strömungsleitelemente in den Rohren, um die Teilströmungen um eine Rohrachse des jeweiligen Rohrs herum in Rotation zu versetzen, stromab des ersten Mischraums eine Düse mit Konfusor und langgestrecktem Diffusor, die auf ein passives zweites Strömungshindernis in einem zweiten Mischraum gerichtet ist, und stromab des zweiten Mischraums einen ersten oder einen ersten und einen zweiten Reaktionsraum aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Injektionspunkt die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Injektionspunkt, zwei Injektionspunkte oder mehr Injektionspunkte vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder die jeweilige Vorrichtung aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

1 ist ein schematischer Längsschnitt längs einer vertikalen Symmetrieachse durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und
2 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne die in 1 schematisch angedeutete Förderpumpe.

FIGURENBESCHREIBUNG
In der in den 1 und 2 dargestellten Vorrichtung 1 wird von einer nur in 1 dargestellten Förderpumpe 2 ein Fluid 3, beispielsweise ein phosphathaltiges Abwasser zugeführt. Das Fluid 3 wird in einer Rohrverzweigung 4 auf vier Teilströmungen durch vier Rohre 5 aufgeteilt. Die vier Rohre 5 münden aus einander paarweise entgegengesetzten Richtungen in einen ersten Mischraum 6 ein. In die durch die Rohre 5 strömenden Teilströmungen des Fluids 3 wird über Leitungen 7 eine Substanz 8 injiziert, die schnell und vollständig in das Fluid 3 einzumischen ist. Die Injektion erfolgt in Injektionsbereichen 9. Stromab der Injektionsbereiche 9 sind in den Rohren 5 wendelförmige Strömungsleitelemente 10 angeordnet, die die Teilströmung des Fluids 3 durch das jeweilige Rohr 5 in Rotation um eine Rohrachse des jeweiligen Rohrs versetzen. Die Strömungsleitelemente 10 sind in den einander gegenüberliegenden Rohren 5 mit gleicher Steigungsrichtung ausgebildet, so dass die aus einander entgegengesetzten Richtungen in den ersten Mischraum 6 eintretenden Strömungen einander entgegengesetzte Drehrichtungen um das Zentrum des ersten Mischraums 6 aufweisen. In dem ersten Mischraum 6 treffen die Teilströmungen aus einander entgegengesetzten Richtungen und mit den einander entgegengesetzten Drehrichtungen aufeinander. Hieraus entsteht eine große Turbulenz in dem Fluid 3, die sich durch eine Vielzahl kleiner Wirbel auszeichnet. Jede Teilströmung des Fluids 3 bildet dabei ein Strömungshindernis für eine andere Teilströmung für das in den ersten Mischraum 6 austretende Fluid 3 aus. Zudem ist in dem Mischraum 6 ein Strömungsleitkörper 11 als weiteres Strömungshindernis angeordnet, der das Fluid 3 aus dem ersten Mischraum 6 in eine Düse 12 leitet. Von der Düse 12 mit Konfusor 13 und langgestrecktem Diffusor 14 wird das Fluid 3 auf ein statisches Strömungshindernis 15 in einem zweiten Mischraum 16 richtet. Dabei sind in einem Hals 17 der Düse 12 weitere Strömungsleitelemente 18 angeordnet, die das Fluid in der Düse 12 um eine Düsenachse herum in Rotation versetzen.
Von dem passiven Strömungshindernis 15 wird eine Strömungshauptrichtung des aus der Düse 12 austretenden Fluids 3 umgekehrt, und das Fluid 3 tritt in einen koaxial um den Diffusor 14 herum angeordneten ersten Reaktionsraum 19 mit gegenüber dem Diffusor 14 deutlich vergrößertem freiem Strömungsquerschnitt über. Von dort gelangt das Fluid 3 unter erneuter Umkehrung seiner Hauptströmungsrichtung in einen zweiten Reaktionsraum 20 mit noch größerem freiem Strömungsquerschnitt. In den Reaktionsräumen 19 und 20 reagiert die Substanz 8 in vorgesehener Weise mit Inhaltsstoffen des Fluids 3, insbesondere zu ausfallenden oder ausflockenden Reaktionsprodukten, die anschließend von dem Fluid 3 abgetrennt werden können. Insbesondere kann es sich bei den Reaktionsprodukten um Phosphormetallsalze handeln. Diese Phosphormetallsalze werden mit Hilfe der Vorrichtung 1 in bezogen auf die zugesetzte Menge an Substanz 8 hoher Ausbeute erzielt, weil das schnelle und intensive Einmischen der Substanz 8 in das Fluid 3 die parasitäre Ausbildung von Eisenoxidschlamm weitgehend verhindert.
In den Reaktionsräumen 19 und 20 können ebenfalls Strömungsleitelemente enthalten sein, um die Ausflockung durch Längs- und Quervermischung zu verbessern, da dann größere Flocken mit kleineren oder noch größeren Flocken kollidieren und sich vereinen können. Dies unterstützt die spätere Fällschlammabtrennung im weiteren Verfahrensverlauf.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Förderpumpe
3: Fluid
4: Rohrverzweigung
5: Rohr
6: erster Mischraum
7: Leitung
8: Substanz
9: Injektionsbereich
10: Strömungsleitelement
11: Strömungsleitkörper
12: Düse
13: Konfusor
14: Diffusor
15: passives Strömungshindernis
16: zweiter Mischraum
17: Hals
18: Strömungsleitelement
19: erster Reaktionsraum
20: zweiter Reaktionsraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202005021136 U1 [0008]
DE 4013375 A1 [0009]
DE 102008050349 A1 [0010]
CN 204325077 U [0011]
US 7922897 B2 [0012]
WO 2016/051329 A1 [0013]
EP 0578032 A2 [0014]
WO 2014/025126 A1 [0015]
EP 0912238 A1 [0016]

Claims

Verfahren zum Einmischen einer Substanz (8) in ein strömendes Fluid (3), - wobei die Substanz (8) in eine durch ein erstes Rohr (5) strömende erste Teilströmung des Fluids (3) injiziert wird und - wobei die aus dem ersten Rohr (5) in einen ersten Mischraum (6) austretende erste Teilströmung auf ein erstes Strömungshindernis gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strömungshindernis zumindest teilweise dadurch ausgebildet wird, dass eine aus einem zweiten Rohr (5) in den ersten Mischraum (6) austretende zweite Teilströmung des Fluids (3) unter einem stumpfen Winkel in dem ersten Mischraum (6) auf die erste Teilströmung gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilströmung und die zweite Teilströmung aus einander entgegen gesetzten Richtungen auf ein gemeinsames Zentrum des ersten Mischraums (6) gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilströmung, die zweite Teilströmung und mindestens eine aus einem dritten Rohr (5) in den ersten Mischraum (6) austretende dritte Teilströmung des Fluids (3) aus rotationssymmetrisch zueinander angeordneten Richtungen auf ein gemeinsames Zentrum des ersten Mischraums (6) gerichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (8) in mehrere oder alle der in den ersten Mischraum (6) austretenden Teilströmungen injiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (8) in einem Volumenanteil von nicht mehr als 1/1.000 oder 1/10.000 bezogen auf das Volumen des Fluids (3) in die Teilströmungen injiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz (8) in einem stromauf einer Mündung des jeweiligen Rohrs (5) in den ersten Mischraum (6) liegenden Injektionsbereich (9) in die jeweilige Teilströmung injiziert wird, wobei, optional, die Substanz (8) in dem Injektionsbereich (9) in mehreren über den Innenumfang des jeweiligen Rohrs (5) verteilten Injektionspunkten in die jeweilige Teilströmung injiziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jede Teilströmung, in die die Substanz (8) injiziert wird, in dem jeweiligen Rohr (5) durch Strömungsleitelemente (18) um eine Rohrachse des jeweiligen Rohrs (5) herum in Rotation versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströmungen in einander entgegengesetzten Drehrichtungen um das Zentrum des ersten Mischraums (6) in Rotation versetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Förderpumpe (2) geförderte Zulaufströmung des Fluids (3) in die Teilströmungen aufgeteilt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (3) aus dem ersten Mischraum (6) durch eine Düse (12) mit Konfusor (13) und langgestrecktem Diffusor (14) auf ein passives zweites Strömungshindernis (15) in einem zweiten Mischraum (16) gerichtet wird, wobei, optional, das Fluid (3) in der Düse (12) zwischen dem Konfusor (13) und dem Diffusor (14) und/oder am Außenumfang des zweiten Mischraums (16) durch Strömungsleitelemente (18) um eine Düsenachse herum in Rotation versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das passive zweite Strömungshindernis (15) eine Hauptströmungsrichtung des aus der Düse (12) austretenden Fluids (3) umkehrt und/oder dass das Fluid (3) stromab des zweiten Mischraums (16) durch einen ersten Reaktionsraum (19) geführt wird, der koaxial um den Diffusor (14) herum angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (3) stromab des ersten Reaktionsraums (19) durch einen zweiten Reaktionsraum (20) geführt wird, der koaxial um den ersten Reaktionsraum (19) herum angeordnet ist, wobei, optional, die Hauptströmungsrichtung des Fluids (3) zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktionsraum (19, 20) umgekehrt wird, wobei das Fluid (3) durch Strömungsleitelemente (10) um die Strömungshauptrichtung herum verwirbelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fluid (3) eine Bewegungsenergie von mindestens 100 W/m³ bezogen auf das Volumen des ersten und/oder des zweiten Mischraums (6, 16) dissipiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das Phosphorionen-haltige Fluid (3) Metallionen eingemischt werden, um Phosphormetallsalze aus dem Fluid (3) auszufällen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Belebungsbecken, einem Denitrifikationsbecken oder vor einem Nachklärungsbecken einer Kläranlage oberhalb eines Beckenbodens und unterhalb eines Wasserspiegels durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Einmischen einer Substanz (8) in ein strömendes Fluid (3), mit - einem ersten Rohr (5), durch das eine erste Teilströmung des Fluids (3) strömt, und - mindestens einem Injektionspunkt, an dem die Substanz (8) in die durch das erste Rohr (5) strömende erste Teilströmung des Fluids (3) injiziert wird, - einen ersten Mischraum (6) und - Mittel zum Ausbilden eines ersten Strömungshindernisses, auf das die aus dem ersten Rohr (5) in den ersten Mischraum (6) austretende erste Teilströmung auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Ausbilden des ersten Strömungshindernisses ein zweites Rohr (5) aufweisen, durch das eine zweite Teilströmung des Fluids (3) strömt, wobei die aus dem zweiten Rohr (5) in den ersten Mischraum (6) austretende zweite Teilströmung, die unter einem stumpfen Winkel in dem ersten Mischraum (6) auf die erste Teilströmung trifft.