DE10320840B4

DE10320840B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium

Info

Publication number: DE10320840B4
Application number: DE10320840A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Schmid; Wolfgang Geier
Original assignee: Schmid Andreas Dr-Ing Msc
Current assignee: SCHMID, ANDREAS, DR.-ING., 95703 PLOESSBERG, DE
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: WO2004101123A1; DE10320840A1

Abstract

Vorrichtung zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium mit einem Rohrleitungssystem (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (10) wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt (12) und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) und eine zwischen dem ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitt (12, 18) angeordnete Verengung aufweist, wobei die Verengung als Kavitationsdüse (14) ausgebildet, der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) mit einer Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium verbunden ist und die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums durch das Rohrleitungssystem (10) verbindbar ist, wobei die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium im zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) von der Kavitationsdüse (14) beabstandet angeordnet ist, wobei die Kavitationsdüse (14) einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfasst, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium.

Das Einbringen von gasförmigem Medium in Flüssigmedium ist insbesondere bei biologischen Prozessen ein wesentlicher Vertahrensschritt. Beispielsweise ist Mikroorganismen-haltiges Abwasser in Klärbecken ein solches Flüssigmedium, in das vorzugsweise Luft oder Sauerstoff als gasförmiges Medium eingebracht wird. Auf diese Weise werden für die zum Abbau von im Abwasser enthaltenen organischen Bestandteilen eingesetzten Mikroorganismen optimale Lebensbedingungen geschaffen. Die in das Abwasser im Klärbecken eingeleitete Luft bzw. der Sauerstoff bilden dort Blasen, die zur Oberfläche des Abwassers aufsteigen. Dabei diffundiert zwar Sauerstoff aus den Luft- bzw. Sauerstoffblasen in das Abwasser, doch ein beträchtlicher Teil des Sauerstoffs entweicht ungenutzt in die Atmosphäre. Zur Verbesserung der Effizienz des Sauerstoffeintrags kann der Einspeisungsort der Luft bzw. des Sauerstoffs in Bodennähe des Klärbeckens angeordnet werden, so dass die Sauerstoffbläschen eine große Wegstrecke zur Oberfläche des Abwassers zurücklegen müssen, wodurch die Stoffübergang des Sauerstoffs in das Abwasser verbessert wird.

Der Stoffübergang wird auch verbessert, wenn möglichst kleine Gasblasen erzeugt werden, weil kleine Gasblasen eine hohe volumenspezifische Oberfläche aufweisen und länger im Flüssigmedium verweilen.

Von Nachteil ist, dass die herkömmlichen Verfahren, bezogen auf den effektiven Eintrag von Gas, üblicherweise Luft, in beispielsweise Abwasser einen hohen Energieaufwand erfordern, so dass in der Regel 70% des Stromverbrauchs einer Kläranlage für den Lufteintrag aufgewandt werden muss.

Bei biologischen Kläranlagen besteht im Stand der Technik weiterhin das Problem, flüssiges Medium, das beispielsweise Flockungsmittel und/oder Fällungsmittel enthalten kann, effizient und gleichmäßig in das zu klärende Abwasser einzubringen.

Die EP 0 639 160 offenbart eine Vorrichtung zum Lösen eines Gases in bzw. zur Mischung einer Flüssigkeit. Die Vorrichtung umfasst einen Düsenabschnitt, in den ein Gaseinlass bzw. eine Zuführung angeordnet ist. In der abströmseitig von dem Düsenabschnitt angeordnete Rohrleitung ist eine Prallplatte mit einer Vielzahl von Düsenlöchern angeordnet, durch die die mit Gas vermischte Flüssigkeit ausgestoßen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium anzugeben, das die vorstehend ausgeführten Nachteile vermeidet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium mit einem Rohrleitungssystem gelöst, bei der das Rohrleitungssystem wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt und eine zwischen dem ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Verengung aufweist, wobei die Verengung als Kavitationsdüse ausgebildet, der zweite Rohrleitungsabschnitt mit einer Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium verbunden ist und die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums durch das Rohrleitungssystem verbindbar ist, wobei die Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium im zweiten Rohrleitungsabschnitt von der Kavitationsdüse beabstandet angeordnet ist, wobei die Kavitationsdüse einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfasst, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 18 angegeben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium gelöst, bei dem das Flüssigmedium durch ein Rohrleitungssystem, das wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Kavitationsdüse aufweist, mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit durchgeleitet wird, so dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt abströmseitig von der Kavitationsdüse zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium ein Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet und in diesen Dampfmantel das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen 20 bis 33 angegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Rohrleitungssystem mit wenigstens einem ersten Rohrleitungsabschnitt und einem zweiten Rohrleitungsabschnitt mit einer Verengung zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt, die als Kavitationsdüse ausgebildet ist, mit einer mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt verbundenen Zuführung für ein gasförmiges und/oder flüssiges Medium zum Einbringen des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums in das Flüssigmedium verwendet. Dabei wird das Flüssigmedium mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohrleitungssystem durchgeleitet, so dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt abströmseitig von der Kavitationsdüse zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium ein Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet, in den das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.

In dem erzeugten Dampfmantel entsteht Kavitation bzw. Superkavitation.

Als Kavitation wird der Effekt der Ausbildung von Dampfblasen an umströmten Profilen in einem Flüssigmedium bezeichnet. Dabei entstehen im Niedrigdruckgebiet auf der Oberseite des Profils einzelne Dampfblasen, wenn dort der Dampfdruck des Flüssigmediums erreicht ist. Nach dem Transport der Dampfblasen zur Hinterkante des Profils, an der ein hoher Druck ausgebildet ist, kollabieren die Dampfblasen. Bei Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit des Profils treten stärkere Kavitationseffekte auf, bis sich schließlich eine zusammenhängende Dampfschicht ausbildet. Durch weitere Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit kann sich die Kavitationsschicht bis jenseits der Hinterkante des angeströmten Profils erstrecken. Dieses Phänomen wird als Superkavitation bezeichnet.

Das heißt, das Flüssigmedium verdampft beim Durchströmen der Kavitationsdüse unter Ausbildung eines Dampfmantels und mithin von Superkavitation entlang der Innenwandung des zweiten Rohrleitungsabschnitts. Dieser Dampfmantel aus Flüssigmedium weist gegenüber dem atmosphärischen Druck einen Unterdruck auf. Infolgedessen wird aus einer mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt verbundenen Zuführung für gasförmiges und/oder flüssiges Medium in den Dampfmantel gasförmiges und/oder flüssiges Medium, vorzugsweise selbstsaugend, eingetragen.

Das in den Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium einzutragende gasförmige und/oder flüssige Medium muß mithin äußerst vorteilhaft nicht unter Überdruck stehen.

Das gasförmige Medium kann ein Gemisch aus mehreren Gasen sein, wie es z.B. Luft ist. Wenn in diesem Fall die im gasförmigen Medium enthaltene und in das Flüssigmedium einzubringende Gaskomponente einen vergleichsweise hohem Partialdruck gegenüber dem Partialdruck der gleichen Gaskomponente im Dampf des Flüssigmediums aufweist, wird vermutet, daß ein Partialdruckausgleich durch Diffusion dieser Gaskomponente vom gasförmigen Medium in den Dampf des Flüssigmediums erfolgt.

Bei einem bevorzugten Beispiel, bei dem das Flüssigmedium ein zu reinigendes Abwasser in einem biologischen Klärbecken und die einzubringende Gaskomponente Sauerstoff ist, ist es vorteilhafterweise bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig, als gasförmiges Medium Reinsauerstoff zu verwenden. Vielmehr kann das gasförmige Medium Umgebungsluft sein.

Flüssige Medien, die in den Dampfmantel eingebracht werden können, sind beispielsweise Flockungsmittel, beispielsweise gelöste Polymere, und/oder Fällungsmittel, beispielsweise Aluminiumsulfat oder Eisen(III)sulfat. Nach Einbringung des flüssigen Mediums in den Dampfmantel erfolgt – insbesondere beim Austritt aus dem zweiten Rohrleitungsabschnitt und nach Zusammenbrechen der Kavitation – eine hochturbulente Durchmischung mit dem Flüssigmedium, beispielsweise dem zu klärenden Abwasser.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ist mithin eine äußerst effiziente und gleichmäßige Einbringung und Verteilung des flüssigen Mediums, beispielsweise eines Flockungs- und/oder Fällungsmittels, in das bzw. in dem Abwasser möglich.

Die Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium im zweiten Rohrleitungsabschnitt ist von der Kavitationsdüse beabstandet angeordnet. Vorzugsweise ist die Zuführung im wesentlichen vertikal zur Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts angeordnet.

Weiter bevorzugt umgreift die Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium den zweiten Rohrleitungsabschnitt entlang des Umfangs des zweiten Rohrleitungsabschnitts, wobei der zweite Rohrleitungsabschnitt im Verbindungsbereich Durchbrechungen zur Einspeisung des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums aufweist.

In dem Verbindungsbereich zwischen Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt sind vorzugsweise in gleichmäßigem Abstand voneinander Öffnungen, beispielsweise Schlitze, angeordnet, die eine vorzugsweise radiale Einspeisung von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in den Dampfmantel ermöglichen. Somit ist eine gleichmäßige Einbringung von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in den Dampfmantel möglich. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführung in einem Bereich angeordnet, in dem der zweite Rohrleitungsabschnitt einen im wesentlichen konstanten Rohrleitungsdurchmesser aufweist. Bei dieser bevorzugten Variante wird das gasförmige Medium, vorzugsweise Luft, und/oder flüssige Medium zugeführt, wenn sich ein im wesentlichen stabiler und vorzugsweise im wesentlichen geschlossener Dampfmantel, weiter vorzugsweise geschlossener Dampfmantel, in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt ausgebildet hat.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als eine Zuführung für gasförmiges und/oder flüssiges Medium, beispielsweise zwei oder drei Zuführungen aufweisen. Beispielsweise kann in einer ersten Zuführung gasförmiges Medium, beispielsweise Luft oder Reinsauerstoff, und in einer am zweiten Rohrleitungsabschnitt stromabwärts angeordneten zweiten Zuführung flüssiges Medium, beispielsweise Flockungs- und/oder Fällungsmittel, in den Dampfmantel eingebracht werden. Selbstverständlich kann auch in der ersten Zuführung das flüssige Medium und in der zweiten Zuführung das gasförmige Medium in den zweiten Rohrleitungsabschnitt eingebracht werden.

Vorteilhafterweise ist die Kavitationsdüse mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt lösbar verbunden. Die Kavitationsdüse kann mithin gegen eine andere Kavitationsdüse mit größerem oder kleinerem Durchmesser an der engsten Stelle des Düsendurchgangs oder gegen eine Kavitationsdüse mit einer anderen Düsengeometrie ausgetauscht werden.

Die Kavitationsdüse kann aber auch unlösbar mit dem ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitt verbunden sein. Bspw. können die Kavitationsdüse und der erste und zweite Rohrleitungsabschnitt als einstückiges Gußteil ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch einen Austausch der Kavitationsdüse somit ohne weiteres an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden, beispielsweise an die Beschaffenheit oder Viskosität des Flüssigmediums, z.B. Abwasser in einem biologischen Klärbecken.

Eine Kavitationsdüse mit größerem Durchmesser an der Stelle des engsten Düsendurchmessers kann von Vorteil sein, wenn das zu behandelnde Flüssigmedium einen erhöhten Feststoffanteil aufweist. Dieser Feststoffanteil kann beispielsweise auch Blähschlamm, Schwimmschlamm, Belebtschlamm oder eine Mischbiozönose in einem Klärbecken sein. Dieser Bläh- oder Schwimmschlamm kann flockenbildende und fädige Mikroorganismen enthalten. Der Feststoffanteil im Abwasser kann aber auch anderer Natur sein.

Die Kavitationsdüse weist vorzugsweise die Geometrie analog einer Lavaldüse auf.

Auch kann vorgesehen sein, dass die Länge des zweiten Rohrleitungsabschnitts variabel einstellbar ist. Über die Länge des zweiten Rohrleitungsabschnitts kann die Einwirkdauer der Superkavitation auf das zu behandelnde Flüssigmedium gesteuert werden. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise der Stoffübergang aus dem gasförmigen Medium, beispielsweise von Sauerstoff, in das Flüssigmedium gesteuert werden.

Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Innendurchmesser des ersten Rohrleitungsabschnitts anströmseitig vor der Kavitationsdüse größer ist als der Innendurchmesser des zweiten Rohrleitungsabschnitts nach der Kavitationsdüse. Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Innendurchmessers des ersten Rohrleitungsabschnitts und des Innendurchmessers des zweiten Rohrleitungsabschnitts etwa 5:1 bis etwa 1,2:1, weiter bevorzugt etwa 3:1 bis etwa 1,5:1, noch weiter bevorzugt 2:1.

Es hat sich gezeigt, daß bei den vorstehend angegebenen Verhältnissen der Innendurchmesser des ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitts die gewünschte Superkavitation ohne weiteres erzeugbar ist.

Die Kavitationsdüse umfasst einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums eine Pumpe ist. Dabei kann die Pumpe in einem getauchten Schacht angeordnet sein. Auf diese Weise können im Flüssigmedium gegebenenfalls mitgeführte Gasblasen abgetrennt werden. Es hat sich gezeigt, daß es für die Ausbildung der Superkavitation von Vorteil ist, wenn mitgeführte Gasblasen vor der Durchleitung durch die Kavitationsdüse von dem Flüssigmedium abgetrennt werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Pumpe zur Verbindung mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt einen um die Längsachse verschwenkbaren Gleitflansch aufweist, d.h. eine Einrichtung, die es ermöglicht, den zwischen der Längsachse des Rohrleitungssystems und der Oberfläche des Flüssigmediums eingeschlossenen Winkel einzustellen.

Am abströmseitigen Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts kann ein Richtungssystem angeordnet sein, das den austretenden Flüssigmediumstrom formt. Die Innenwandung des Richtungssystems ist vorteilhafterweise als Rotationsfläche mit zunehmendem Innendurchmesser ausgebildet. Dabei kann die Mantellinie zur Erzeugung der Rotationsfläche als Gerade oder als stetige Kurve ausgebildet sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einbringen von gasförmigem Medium in Flüssigmedium kann so durchgeführt werden, dass das Flüssigmedium durch ein Rohrleitungssystem, das einen wenigstens ersten Rohrleitungsabschnitt und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Kavitationsdüse aufweist, mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit durchgeleitet wird, dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt abströmseitig von der Kavitationsdüse zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium infolge Superkavitation ein vorzugsweise geschlossener oder lückenloser Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet und in diesen Dampfmantel das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.

Dabei kann die Dauer der Kavitation, d.h. die Längenerstreckung des Dampfmantels über die Länge des abströmseitig nach der Kavitationsdüse angeordneten zweiten Rohrleitungsabschnitts einstellbar sein.

Vorzugsweise umhüllt der Dampfmantel das Flüssigmedium im wesentlichen konzentrisch, vorzugsweise konzentrisch.

Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren nicht erforderlich, dass das gasförmige und/oder flüssige Medium unter Überdruck steht. Vielmehr kann das gasförmige und/oder flüssige Medium selbstansaugend in den Dampfmantel eingebracht werden. Mithin ist eine wirksame und energetisch günstige Einbringung von gasförmigem Medium, vorzugsweise Luft, und/oder flüssigem Medium in den ausgebildetem Dampfmantel möglich.

Vorteilhafterweise ist das Rohrleitungssystem in dem Flüssigmedium untergetaucht angeordnet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der das gasförmige Medium Luft und das Flüssigmedium biologisch zu klärendes Abwasser, vorzugsweise Mikroorganismen-haltiges Abwasser ist, ist es bevorzugt, das Rohrleitungssystem in geringer Tiefe unter der Oberfläche des Abwassers anzuordnen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein sehr effektiver Stoffübergang, beispielsweise von Sauerstoff aus eingetragener Luft in das Flüssigmedium.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist überraschenderweise dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffübergang aus der eingebrachten Luft in das Flüssigmedium, vorzugsweise Mikroorganismen-haltiges Abwasser, größer als 60%, bevorzugt größer als 80%, noch weiter bevorzugt größer als 90% ist. Äußerst bevorzugt erfolgt ein nahezu vollständiger Sauerstoffübergang aus der Luft in das Flüssigmedium.

Es wird vermutet, daß infolge der Superkavitation bereits im Dampfmantel ein sehr effektiver Sauerstoffübergang stattfindet.

Da das aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung austretende Gas nahezu sauerstofffrei sein kann oder ist, kann der im Abwasser gelöste Sauerstoff wieder in die zur Oberfläche des Abwassers aufsteigenden Luftblasen diffundieren. Bei Verwendung von Luft als eingetragenem gasförmigem Medium kann das aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung austretende Gas im wesentlichen nur noch Stickstoff und Edelgase enthalten.

Bei Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in geringer Tiefe ist der Weg des austretenden Gases bis zur Oberfläche kurz. Insofern wird eine wesentliche Abreicherung des mit Sauerstoff angereicherten Flüssigmediums, vorzugsweise Abwasser, weitgehend vermieden.

Im Unterschied dazu ist es bei der herkömmlichen Sauerstoffeinspeisung von Vorteil, wenn der Sauerstoff am Boden des Klärbeckens eingebracht wird, so dass die Sauerstoffbläschen einen langen Weg bis zur Oberfläche des Abwassers zurücklegen müssen. Bei herkömmlichen Verfahren beträgt die Eintauchtiefe für einen Luft- oder Sauerstoffeintrag üblicherweise 3 bis 4 m.

Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, eine Eintauchtiefe von etwa 0,5 m bis 2 m, vorzugsweise etwa 1 m bis 1,5 m, zu wählen.

Es kann von Vorteil sein, wenn die Pumpe zur Verbindung mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt den bereits beschriebenen um die Längsachse verschwenkbaren Gleitflansch aufweist. Auf diese Weise ist es jederzeit möglich, den zwischen der Längsachse des Rohrleitungssystems und der Oberfläche des Flüssigmediums eingeschlossenen Winkel einzustellen.

Vorzugsweise wird das Flüssigmedium vor dem Einbringen in das Rohrleitungssystem wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit. Vorteilhafterweise kann dazu das Flüssigmedium aus einem getauchten Schacht gefördert werden.

Vorteilhafterweise beträgt die Reynoldszahl, die von der Viskosität, der Strömungsgeschwindigkeit und der Geometrie der Rohrleitung abhängt, beim Durchgang durch die Kavitationsdüse am engsten Düsendurchmesser wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000.

Als Flüssigmedium kommt jede Flüssigkeit in Frage, die mit einer Gaskomponente angereichert und/oder mit einem flüssigem Medium versetzt werden soll.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung können beispielsweise auch zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts von stehenden Gewässern, beispielsweise von Teichen oder Fischbecken, verwendet werden.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rohrleitungssystems;
2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels;
3 ein Sauerstoff- und Strom-Verbrauch-Diagramms eines Ausführungsbeispiels
Bei der schematischen Darstellung in 1 handelt es sich um ein Rohrleitungssystem 10 mit einem ersten Rohrleitungsabschnitt 12, einer Kavitationsdüse 14, die eine Verengung 16 aufweist, und einem zweiten Rohrleitungsabschnitt 18, das in einer biologischen Abwasserkläranlage zum Einbringen von Luft oder Sauerstoff in mit organischen Bestandteilen belastetem und von Mikroorganismen belebtem Abwasser 20 eingesetzt ist. Die Strömungsrichtung des durch das Rohrleitungssystem 10 strömenden Abwassers 20a (in der Darstellung grau hinterlegt) ist mit einem Pfeil 20' gekennzeichnet. Eine Zuführung 30 für Luft 32, deren Strömungsrichtung mit einem Pfeil 32' bezeichnet ist, ist im zweiten Rohrleitungsabschnitt 18 vertikal zu dessen Längsachse von der Kavitationsdüse 14 beabstandet angeordnet. Dabei ist die Zuführung 30 mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt 14 in einem Bereich verbunden, in dem dieser einen konstanten Durchmesser aufweist.
Das strömungsseitige Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts 18 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Richtungssystem 40 verbunden, dessen Innenwandung als Rotationsfläche mit zunehmendem Durchmesser ausgebildet ist. Dabei fluchtet die Rotationsachse der die Rotationsfläche erzeugendenden Mantellinie mit der Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts 18. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mantellinie als stetige Kurve ausgebildet, die tangential in den zylinderförmigen zweiten Rohrleitungsabschnitt 18 übergeht. Auf diese Weise wird der austretende Abwasserstrom geformt.
Das Richtungssystem ist jedoch nicht notwendig. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne das Richtungssystem 40 verwendet werden.
Infolge des Superkavitationseffekts umhüllt hinter der Verengung 16 ein homogener Dampfmantel 22 das strömende Abwasser 20a bis zum strömungsseitigen Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts 18, das eine Abrisskante bildet, wonach die Kavitation schlagartig zusammenbricht und zur Entstehung feindispergierter Gasblasen führt. Infolgedessen ist das strömende Abwasser 20a in der Umgebung der Abrisskante und hinter der Abrisskante vorwiegend von Gasblasen 34 durchsetzt.
Das Rohrleitungssystem 10 ist vollständig in Abwasser 20b eingetaucht, das in der Darstellung grau hinterlegt ist. Das Abwasser 20b wird, wie in 2 näher dargestellt, von einer Pumpe 50 angesaugt und verlässt diese als strömendes Abwasser 20a. Die Pumpe 50 ist in einem getauchten Schacht 52 angeordnet. In den Schacht 52 strömt Abwasser 20b aus einem oberflächennahen Bereich nach (mit den Pfeilen 20'' bezeichnet). In dem getauchten Schacht 52 können im Abwasser mitgeführte oder eingeschlossene Luftblasen wenigstens teilweise abgetrennt werden.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung kann auch zur Einbringung von flüssigem Medium, beispielweise von Flockungs- und/oder Fällungsmittel verwendet werden. In diesem Fall kommt es kaum zur Entstehung von Gasblasen beim Austritt des Abwassers 20b aus dem zweiten Rohrleitungsabschnitt 18.
Wie in 2 dargestellt, ist der Ausgang der als Tauchpumpe ausgebildeten Pumpe 50 mit dem Eingang eines Gleitflansches 54 verbunden, der die vertikale Wandung des Schachtes 52 horizontal durchgreift. Der Ausgang des Gleitflansches 54 ist mit einem Rohrstück 56 verbunden. Das Rohrstück 56 ist an seinem dem Ausgang des Gleitflansches 54 gegenüberliegenden Ende mit einer Platte 56a verschlossen, an der ein ungleichschenkliger rechtwinkliger Winkelhebel 58 angeordnet sein kann. Der kurze Schenkel des Winkelhebels 58 ist bei dieser Ausführungsform mit der Platte 56a fest verbunden, wobei die Längsachsen des Rohrstücks 56 und des kurzen Schenkels des Winkelhebels 58 miteinander fluchten. Am Ende des langen Schenkels des Winkelhebels 58 kann oberhalb der Abwasseroberfläche ein Griffstück 58a angeordnet sein. Auf diese Weise kann das am Gleitflansch 54 angeordnete Rohrstück 56 um seine Längsachse verschwenkt werden, gekennzeichnet durch einen Doppelpfeil 56'.
Die Anordnung eines Winkelhebels 58 ist jedoch nicht erforderlich. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch ohne Winkelhebel 58 ausgebildet sein.
Senkrecht zur Längsachse des Rohrstücks 56 können beispielsweise zwei Rohrleitungssysteme 10, wie in 1 vorstehend beschrieben, unter einem Winkel 60, im dargestellten Ausführungsbeispiel von ca. 30°, angeordnet sein. Selbstverständlich kann auch nur ein Rohrleitungssystem 10 oder können aber auch drei, vier oder mehr Rohrleitungssysteme 10 angeordnet sein. Dabei durchdringen die Eingänge der Rohrleitungssysteme 10 das Rohrstück 56. Der zwischen den Längsachsen der Rohrleitungssysteme 10 und der Abwasseroberfläche eingeschlossene Winkel kann so eingestellt sein, dass er um ca. 10° größer ist als der durch Versuch ermittelte Einstellwinkel für die optimale Ausbreitungslänge des Sauerstoffeintrags. Vorteilhafterweise kann der Einstellwinkel mittels des Winkelhebels 58 jederzeit verändert werden und so wechselnden Betriebsbedingungen angepasst werden.
Die Luftzuführung 30 kann als ein starres Rohr geeigneter Länge oder als ein biegbares Rohr, z.B. als Metall- oder Kunststoffschlauch, ausgebildet sein, das so dimensioniert ist, dass sein Eingang stets über der Abwasseroberfläche angeordnet ist. Der Ausgang der Luftzuführung ist gabelförmig aus zwei Rohrstücken ausgebildet, die in der in 1 dargestellten Weise mit den Rohrleitungssystemen 10 verbunden sind und die Wandung von deren zweiten Rohrleitungsabschnitte durchdringen.
3 zeigt ein Diagramm, das die Parameter Reinsauerstoffverbrauch in m³/Tag und Stromverbrauch in kWh einer Belüftungsvorrichtung nach dem Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Belüftungseinrichtung miteinander vergleicht. Dabei ist aus 3 zu erkennen, dass der durchschnittliche Reinsauerstoffverbrauch von ca. 1.200 m³/Tag auf ca. 500 m³/Tag gesunken ist, wobei der Stromverbrauch lediglich um etwa 7 angestiegen ist. Bei dieser Darstellung ist allerdings der Energieverbrauch für die Reinsauerstoffgewinnung nicht berücksichtigt, der die Gesamtenergiebilanz erheblich beeinflusst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird folglich, wie an diesem Beispiel gezeigt, die Effizienz des Sauerstoffeintrags in das Abwasser deutlich verbessert. Der tägliche Reinsauerstoffbedarf sank um ca. 60%.

Claims

Vorrichtung zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium mit einem Rohrleitungssystem (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (10) wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt (12) und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) und eine zwischen dem ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitt (12, 18) angeordnete Verengung aufweist, wobei die Verengung als Kavitationsdüse (14) ausgebildet, der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) mit einer Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium verbunden ist und die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums durch das Rohrleitungssystem (10) verbindbar ist, wobei die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium im zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) von der Kavitationsdüse (14) beabstandet angeordnet ist, wobei die Kavitationsdüse (14) einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfasst, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium im wesentlichen vertikal zur Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium den zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) entlang des Umfangs des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) umgreift, wobei der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) im Verbindungsbereich Durchbrechungen zur Einspeisung des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) in einem Bereich verbunden ist, in dem der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) einen im wesentlichen konstanten Rohrleitungsdurchmesser aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsdüse (14) mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt (12) und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) lösbar verbunden ist oder unlösbar verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des ersten Rohrleitungsabschnitts (12) anströmseitig vor der Kavitationsdüse (14) größer ist als der Innendurchmesser des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) nach der Kavitationsdüse (14).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer ist als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Innendurchmessers des ersten Rohrleitungsabschnitts (12) vor der Kavitationsdüse (14) und des Innendurchmessers des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) nach der Kavitationsdüse (14) etwa 5:1 bis etwa 1,2:1 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis etwa 3:1 bis etwa 1,5:1, bevorzugt 2:1 beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) variabel einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums eine Pumpe (50) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (50) in einem getauchten Schacht (52) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (50) zur Verbindung mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt (12) einen um die Längsachse verschwenkbaren Gleitflansch (54) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Längsachse des Rohrleitungssystems (10) und der Oberfläche des Flüssigmediums eingeschlossene Winkel einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am abströmseitigen Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) ein den austretenden Flüssigmediumstrom formendes Richtungssystem (40) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung des Richtungssystem (40) als Rotationsfläche mit zunehmendem Durchmesser ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantellinie der Rotationsfläche als Gerade ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantellinie der Rotationsfläche als Kurve ausgebildet ist.
Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium durch ein Rohrleitungssystem (10), das wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt (12) und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Kavitationsdüse (14) aufweist, mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit durchgeleitet wird, so dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) abströmseitig von der Kavitationsdüse (14) zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium ein Dampfmantel (22) aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet und in diesen Dampfmantel (22) das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Kavitation über die Länge des abströmseitig nach der Kavitationsdüse (14) angeordneten zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der engste Innendurchmesser der Kavitationsdüse (14) durch Austausch der Kavitationsdüse (14) variierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfmantel (22) im wesentlichen konzentrisch ist und das Flüssigmedium umhüllt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige und/oder flüssige Medium selbstansaugend in den Dampfmantel (22) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (10) in dem Flüssigmedium angeordnet ist, vorzugsweise unterhalb der Oberfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige und/oder flüssige Medium radial in den Dampfmantel (22) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (10) so angeordnet wird, dass die Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) in Bezug auf die Oberfläche des Flüssigmediums einen Winkel einschließt, der zwischen 0° und 90° liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium Abwasser (20b), vorzugsweise Mikroorganismen haltiges Abwasser (20b), ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebrachte gasförmige Medium Luft (32) oder Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffübergang aus der eingebrachten Luft (32) in das Flüssigmedium größer als 60%, bevorzugt größer als 80%, noch weiter bevorzugt größer als 90%, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium vor dem Einbringen in das Rohrleitungssystem (10) wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium durch Fördern aus einem getauchten Schacht (52) wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebrachte flüssige Medium Flockungsmittel und/oder Fällungsmittel enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Reynoldszahl des Flüssigmediums in dem Rohrleitungssystem (10) wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000 beträgt.