DE10238624A1

DE10238624A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Belüften von Wasser

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Publication number: DE10238624A1
Application number: DE2002138624
Authority: DE
Original assignee: Jaeger Gummi GmbH and Co KG
Current assignee: Jaeger Gummi GmbH and Co KG
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-03-11

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Belüften von Wasser, wobei im Wasser mehrere Wasserbelüfter angeordnet sind, die über Versorgungsleitungen mit Luft beschickt werden, wobei die Luft aus den Wasserbelüftern in das umgebende Wasser austritt. Um bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die in das Wasser eingebrachte Luft noch besser zu nutzen und somit den Wirkungsgrad des Verfahrens zu verbessern, wird aufgrund der Erfindung vorgeschlagen, dass die Wasserbelüfter (2) alternierend mit Luft beschickt werden, wobei Wasserbelüfter (2) oder Gruppen (4, 5, 6, 7) oder wechselnde Teilmengen von Wasserbelüftern (2) abwechselnd mit unterschiedlichen Luftmengen beschickt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Belüften von Wasser, wobei im Wasser mehrere Wasserbelüfter angeordnet sind, die über Versorgungsleitungen mit Luft beschickt werden, wobei die Luft aus den Wasserbelüftern in das umgebende Wasser austritt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Derartige Verfahren werden z. B. in Belebtschlammbecken von Abwasserbehandlungsanlagen verwendet, um Mikroorganismen, die das Wasser reinigen sollen, mit Sauerstoff zu versorgen. Die Wasserbelüfter sind so ausgebildet, dass sie die Luft in feinen Bläschen an das Wasser abgeben. Häufig kommt dabei ein Typ von Wasserbelüfter mit einer elastischen Membran aus Gummi oder dgl. zum Einsatz, wobei die Membran feine Schlitze aufweist, die sich durch den Luftdruck öffnen und die Luft abgeben, die sich jedoch wieder schließen, wenn der Luftdruck zu gering ist, so dass nach Abschalten der Anlage ein Eindringen von Fremdkörpern, Verschmutzungen usw. verhindert wird. Nach Verlassen der Belüfter steigen die Luftbläschen senkrecht nach oben zur Wasseroberfläche auf. Nur während dieses Aufsteigens sind sie für die Wasserbelüftung nutzbar. Um die Luft besser nutzen zu können, hat man daher bereits vorgeschlagen, durch quer gerichtete Strömungen im Wasser die Luftblasen von ihrem geraden Weg abzulenken und so ihren Aufenthalt im Wasser zu verlängern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die in das Wasser eingebrachte Luft noch besser zu nutzen und somit den Wirkungsgrad des Verfahrens zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht eine Verwirbelung der Strömung, die zum einen dafür sorgt, dass die Luftblasen lange unter der Wasseroberfläche gehalten werden. Zum anderen wird durch eine erhöhte Turbulenz die Erneuerung der Luft/Wasser-Grenzfläche an der Einzelblase beschleunigt. Das letztere ist ein besonders wichtiger Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens, da dadurch der Sauerstoffaustausch im Grenzbereich zwischen Luftblase und Wasser erhöht wird.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die höhere Luftmengenabgabe der einen Teilmenge von Wasserbelüftern dadurch erreicht, dass die andere Teilmenge von Wasserbelüftern abgeschaltet oder mit einer geringeren Luftmenge versorgt wird, so dass letztere keine oder weniger Luft abgeben. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie durch einfache Mittel verwirklicht werden kann, z. B. durch steuerbare Ventile in den Leitungen, die die jeweiligen Wasserbelüfter mit Luft versorgen.
Es liegt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, mehr als zwei Stufen für die für die Intensität der Luftabgabe vorzusehen. Wichtig ist jedoch, dass ein ständiger Wechsel zwischen einzelnen Belüftern oder Gruppen von Belüftern erfolgt. Dabei ist es aber auch möglich, dass einzelne Belüfter oder Gruppen von Belüfter während der gesamten Betriebszeit mit konstanter Luftabgabe arbeiten.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Wasserbelüfter zwei Teilmengen zugeordnet, die Luft im Wechsel zueinander in unterschiedlich großer Menge abgeben. Vorzugsweise werden die beiden Teilmengen alternierend an- und abgeschaltet. Vorzugsweise gehören benachbarte Waserbelüfter oder Gruppen von Waserbelüftern jeweils unterschiedlichen Teilmengen an.
Werden die Belüfter nun abwechselnd an- und abgeschaltet, bildet sich kurzfristig über den abgeschalteten Belüftern eine Strömungswalze mit nach unten gerichteter Strömung aus. In diesem Moment werden die abgeschalteten Belüfter wieder angeschaltet, die abwärts gerichtete Strömung kommt erst zum Stillstand und ändert dann die Richtung. Der Betrieb dieser Art verlängert die Aufenthaltszeit der Luftblasen maßgeblich, da sich keine stehenden Strömungswalzen ausbilden können. Weiterhin kommt es durch die häufige Strömungsumkehr zu einer erhöhten Turbulenz im Bereich der auf- und absteigenden Blasenströme.
Die alternierend angesteuerten Belüfter können größere oder kleinere Abstände zur Ausbildung dieser Strömungsform haben. Die Taktzeit muss den Gegebenheiten der Beckengeometrie, der Belüftertypen, Wassertiefe, Abwasserviskosität und anderen Betriebsparametern individuell angepasst werden. Dieses Regelverhalten kann z. B. durch einen selbstlernenden Regelmechanismus optimiert werden.
Für das abwechselnde An- und Abschalten der Belüfter sind kurze Taktzeiten vorteilhaft. Als besonders vorteilhaft haben sich Taktzeiten zwischen 10 und 60 Sekunden erwiesen.
Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind den Belüftern bzw. Gruppen oder sich überschneidende Gruppen von Belüftern unabhängig voneinander ansteuerbare Ventile vorgeschaltet. Die Anordnung dieser Belüfter auf dem Beckenboden eines Belebungsbeckens, an einem in das Becken absenkbaren Traggestell oder dgl. ist vorzugsweise streifenartig gestaltet, wobei ein Streifen jeweils durch eine Gruppe von Belüftern gebildet ist, die in einer Linie oder in mehreren parallel zueinander angeordneten Linien sind und gleichzeitig zu- oder abgeschaltet werden können. Grundsätzlich kann diese geometrische Forderung mit allen gängigen Belüftertypen, wie Teller-, Rohr-, Platten-, Streifen-, Brett- oder sonstigen Belüftern, erfolgen. Durch die wechselseitige Ansteuerung sind Belüfter der oben erwähnten Art mit flexiblen Membranmaterialien wie Gummi oder dergl. gegenüber Belüftern aus im wesentlichen steifen Materialien, wie porösen Keramiken oder porösen Thermoplasten zu bevorzugen, um eine im laufenden Betrieb erfolgende schleichende Verstopfung zu verhindern.
Um die Strömungsverhältnisse zusätzlich günstig zu beeinflussen, können nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zwischen den Belüftern bzw. Gruppen von Belüftern Leitbleche, Wände oder dergl. angeordnet sein.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es auch bei vielen bereits bestehenden Anlagen angewendet werden kann, wobei an vielen dieser Anlagen nur geringe Änderungen und Nachrüstungen erforderlich sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ferner auch insofern vorteilhaft, da Belüftungssysteme meist nur im Teillastbetrieb gefahren werden. In vielen Anwendungsfällen benötigen die Belüftungssysteme Reserven zum Ausgleich von Belastungs schwankungen, so dass Regelbereiche von 1 zu 5 bis 1 zu 10 üblich sind. Bei geringer Beaufschlagung gasen die Belüfter unregelmäßig ab und neigen auch zu erhöhter Verstopfung. Durch die Verringerung der jeweils in Betrieb befindlichen Belüfter, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt wird, kann die Mindestbeaufschlagung der Belüfter im Teillastbereich erreicht werden. Darüber hinaus kann bei einem Betrieb eines Belüftersystems durch Reduzierung der Einschaltdauer der einzelnen Belüfter bzw. Belüftergruppen, evtl. auch durch vollständiges Abschalten von Belüftern erreicht werden, dass die Mindestbeaufschlagung nicht unterschritten wird.
Es versteht sich ferner, dass das erfindungsgemäße Verfahren, auch wenn vorstehend stets von Luft und Wasser die Rede war, auch zum Transport von anderen Gasen, z. B. von reinem Sauerstoff, geeignet ist, und dass mit ihm nicht nur Wasser, sondern auch andere flüssige oder im wesentlichen flüssige Medien begast werden können.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es unerheblich, ob die Belüfter bzw. Belüftergruppen von einem oder mehreren Verdichtern oder dergl. mit Luft versorgt werden. Unerheblich ist auch, ob die Versorgung der Belüfter mit Luft über eine oder mehrere Zuleitungen erfolgt. Wenn nur eine Versorgungsleitung zur Verfügung steht, kann die alternierende Versorgung der Belüfter bzw. der Belüftergruppen durch das abwechselnde Betätigen der jeweils zugeordneten Ventile erreicht werden. Wenn jeder Belüftergruppe jeweils ein Verdichter oder dergl. mit getrennter Zuleitung zugeordnet ist, können die Ventile entfallen. Der alternierende Betrieb der Anlage kann dann durch abwechselndes An- und Abschalten der Verdichter oder dergl. bzw. durch den Betrieb der Verdichter in wechselnden Teillastbereichen erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, in der zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen dargestellt sind. Es zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine Draufsicht auf ein Becken mit einem Belüftersystem,
2 eine zu 1 alternative Ausführung des Belüftersystems in der Draufsicht,
3 eine weitere Ausführungsform des Belüftungssystems und
4 einen Querschnitt durch das Belüftersystem gemäß 3.
In einem Becken 1, das z. B. ein Belebtschlammbecken einer Abwasserbehandlungsanlage sein kann, sind Wasserbelüfter 2 angeordnet. Die Belüfter 2 können von einer Hauptleitung 3 aus mit Luft versorgt werden. Die Luft kann durch einen oder mehrere in der Leitung 3 angeordneten Verdichter vorgespannt werden (nicht dargestellt). Die Belüfter haben poröse Wandungen oder Gummimembranen mit feinen Schlitzen, über die die Luft in das umgebende Wasser austreten kann.
Die Wasserbelüfter 2 sind zu Gruppen 4, 5, 6 und 7 zusammengefasst, wobei einen Gruppe jeweils aus zwei parallelen Reihen 8 und 9 von Wasserbelüftern 2 besteht. Die Luftversorgung erfolgt jeweils über eine Leitung 10, die sich in zwei Leitungen 11 und 12 aufspaltet, die den Reihen 8 und 9 zugeordnet sind. Die Leitungen 10, 11 und 12 können durch steife Rohre gebildet sein, die gleichzeitig zur Befestigung der Wasserbelüfter 2 dienen. Die Wasserbelüfter 2 können z. B. rohrförmig sein und sich quer zu den Leitungen 11, 12 nach beiden Seiten erstrecken.
Die Ventile 14, 15, 16 und 17 sind von außen ansteuerbar. Sie können z. B. elektromagnetisch betätigbar sein. Durch eine besondere Steuerung der Ventile kann die Anlage nun im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben werden. Dazu werden in ständigem Wechsel entweder die Ventile 14 und 16 geöffnet und die Ventile 15 und 17 geschlossen, oder die Ventile 14 und 16 werden geschlossen und die Ventile 15 und 17 geöffnet. Somit werden entweder die Belüftergruppen 4 und 6 mit Luft beschickt, während die jeweils benachbarten Gruppen 6 und 7 abgeschaltet sind, oder die Verhältnisse werden umgekehrt. Die sich herausbildenden Strömungsmuster werden dabei ständig in neue Richtungen gezwungen, so dass es zu einer intensiven Verwirbelung kommt.
Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch die Belüfter-Gruppen 4 und 5 gleichzeitig und im Wechsel mit den Belüfter-Gruppen 6 und 7 betrieben werden. Das Abschalten jeweils einer oder mehrerer Belüfter-Gruppen und das in Betrieb nehmen einer beliebigen Anzahl anderer Belüfter-Gruppen bildet eine weitere Betriebsmöglichkeit. Auch ist es möglich, die Anzahl und die Zugehörigkeit einzelner Belüfter zu einer Belüfter-Gruppe zu variieren. Im Sinne der Erfindung ist nicht nur das Ab- und Anschalten von Belüfter-Gruppen oder einzelner Belüfter, sondern auch der alternierende Betrieb mit wechselnder Luftbeaufschlagung, z. B. der Betrieb mit 20% und 60% der maximalen Luftbeaufschlagung im Wechsel. In jedem Fall können auch die Taktzeiten variieren. Während in 1 lediglich vier Belüfter-Gruppen dargestellt sind, können bei größeren Anlagen selbstverständlich auch noch mehr Belüfter vorgesehen sein, wobei allein wichtig ist, dass eine Teilmenge dieser Belüfter im Wechsel mit einer anderen Teilmenge zu- und abschaltbar ist.
In 2 ist eine Belüfteranlage mit einer gegenüber 2 abgewandelten Anordnung der Leitungen dargestellt. Bei dieser Anlage sind zwei Leitungssysteme 21 und 22 mit ihren Abzweigungen verschränkt zueinander angeordnet. An den Abzweigungen befinden sich die Belüftungselemente 2. Jedem Leitungssystem 21, 22 ist jeweils ein Ventil 23 bzw. 24 vorgeschaltet. Für einen Betrieb gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird entweder das Ventil 23 geöffnet und das Ventil 24 geschlossen, oder das Ventil 24 geöffnet und das Ventil 23 geschlossen. Die Anlage gemäß 2 hat den Vorteil, dass der Aufwand bezüglich der Ventile besonders gering ist.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind zwei Gruppen von Belüftern 2 zu sehen, die über Ventile 33 und 34 unabhängig voneinander mit Luft beschickt werden können. Die Belüftungselemente können bei diesem Beispiel Tellerbelüfter sein. Zwischen den Gruppen 31 und 32 ist ein Leitblech 35 angeordnet.
In 4 ist der Fall dargestellt, wo die Gruppe 32 mit Luft beschickt wird, während die Gruppe 31 ruht. Die Luftblasen, die aus den Belüftungselementen 2 austreten, haben die Tendenz, im Sinne des Pfeils 36 zur Wasseroberfläche 37 aufzusteigen. Dieses führt zur Ausbildung einer Strömung im Wasser im Sinne der Pfeile 38, die das Leitblech 35 umkreist. Diese Strömung stößt jedoch auf eine ähnliche, jedoch entgegengesetzte Strömung, die dem Wasser durch den vorherigen Betrieb der Belüfter-Gruppe 31 aufgeprägt worden ist und die in der Zeichnung durch gestrichelte Pfeile 39 angedeutet ist. Dabei bilden sich Wirbel 40, die zu dem durch die Erfindung angestrebten intensiven Stoffaustausch führen.

Claims

Verfahren zum Belüften von Wasser, wobei im Wasser mehrere Wasserbelüfter angeordnet sind und die Luft aus den Wasserbelüftern in das umgebende Wasser austritt, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich laufend ändernde Teilmenge der Wasserbelüfter eine größere Menge Luft an das Wasser abgibt als andere Wasserbelüfter.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich laufend ändernde Teilmenge der Wasserbelüfter keine Luft abgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilmengen mit einer Taktzeit von 10 bis 60 Sekunden ändern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Wasserbelüfter oder benachbarte Gruppen von Wasserbelüftern unterschiedlichen Teilmengen zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilmengen von Wasserbelüftern vorgesehen sind, die alternierend unterschiedlich große Luftmengen abgeben.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelnen Belüftern (2) oder Gruppen (4, 5, 6, 7) von Belüftern (2) getrennt voneinander betätigbare Ventile (14, 15, 16, 17, 23, 24) vorgeschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüfter in Streifen angeordnet sind, wobei ein Streifen durch mehrere in einer Linie oder in mehreren, zueinander parallelen Linien (8, 9) angeordnete Belüfter (2) gebildet ist, die gleichzeitig zu- und abschaltbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Belüftern (2) oder Gruppen (31, 32) von Belüftern (2) Leitbleche (35) angeordnet sind.