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Beschreibung der Erfindung.
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Die von Dipl.-Chem. Gerhard Werner angemeldete Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Aufbereitung von Grund- OberflaGhen-und Abwässern mittels Flockungs-
und Flockungshilfsmitteln in Anlagen mit Suspensionskreislauf.
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Dieses Verfahren ist von großem praktischen Interesse, da es gestattet,
ohne wesentliche Erhöhung der Investitions- und BetriebsmittelRosten auch bei Vorliegen
von stark verunreinigten Rohwässern hervorragende Reinwasserqualitäten zu erzielen.
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Bei der in bekannter Weise durchgeführten kufbereitung von wässern
aller Art sind im Ablauf von Anlagen mit Suspensionskreislauf stets noch ungelöste
Stoffe sowohl disperser als auch kolloiddisperser Natur enthalten, die sowohl aus
dem Rohwasser als auch von den zugesetzten Flockung mitteln bezw. deren Reaktionsprodukten
stammen. Die Brt und Menge sowie die Partikelgrößen dieser Stoffe bestimmen weitgehend
Laufzeit und Filtratgualität eines einer solchen Anlage nachgeschalteten Filters.
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Größere Flocken und Teilchen lassen sich dabei im allgemeinen gut
abfiltrieren, feinst- und kolloiddisperse Teilchen hingegen durchwandern aufgrund
ihrer geringeren Haftfähigkeit das Filterbett schneller und stellen somit sehr häufig
die Ursache für verkürzte Durchbruchslaufzeiten und unbefriedigende Filtratualitäten
dar.
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Nach dem heute gegebenen Stand der Wasser- und Abwasseraufbereitungstechnik
kann selbst bei Verwendung von Anlagen mit Suspensionskreislauf eine weitgehende
oder praktisch vollständige Entfernung der feinst- und kolloiddispersen Stoffe noch
vor der Filterstufe nur bei relativ gutartigen wässern ausreichend realisiert werden,
bei Vorliegen weniger gutartiger Wässern beispielsweise vieler Oberflächenwässer,
Ufer filtrate, reduzierter Grundwässer und bwässer, werden mehr oder weniger hohe
Kolloidgehalte im Ablauf der genannten Anlagen als durchaus normal -weil unvermeidlich
- hingenommen. Zwar kann auch in solchen Bällen die Qualität des Filtrates wenigstens
etwas dadurch verbessert werden, daß man beispielsweise feinkörnigeres Filtermaterial,
höhere Filterschiohten und geringere Filtergeschwindigkeiten wählt, Jedoch sind
Maßnahmen.
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dieser Art mit gravierenden Nachteilen, wie kurzen Filterlaufeiten,
hohem Spülwasserverbrauch und großen Investitions- sowie Eetriebsmittelkosten verbundene
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Maßnahmen die Reinigungsleistung
von Suspensionskreislaufanlagen beliebiger Grundkonstruktion so weit zu steigern,
daß auch bei Vorliegen schwieriger Rohwasser ein zumindest sehr weitgehend oder
auch praktisch vollständig von feinst- und @olloiddispersen Stoffen freier Ablauf
dieser Anlagen erhalten werden kanne Die Erläuterung der Lösung dieser Aufgabestellung
bedingt zunächst eine kurze Betrachtung} der dem Suspensionskreislaufverfihren zugrunde
liegenden Teilvorgänge. Diese laufen beispielsweise beim Schwebstoffkontaktverfahren,
der am meisten gebräuchlichen Variante des Suspensionskreislaufverfahrens, idealerweise
nacheinander wie folgt ab: Phase t s Flockungsphase.
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Zumischung des Flockungsmittels (Eisen- oder/und Aluminium salze
oder -salzlösungen ) und/oder eines p-Xorrektivs ( Soda, Kalkmilch, Natronlauge
etc. ) zum bewegten Rohwasser.
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Phase 2 s Kontaktphase.
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Vermischung des in Phase 1 geflockten Rohwassers mit dem Kontakteschlamm
und Bewegung des Schlamm-Wasser-Gemisches.
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Phase 5 s Zumischung des oder der FlookNngshfllfsmittel(s) ( aktivierte
Kieselsäure, Stärkeprodukte, Alginate, synthetische Flockungshilfsmittel etc. )
zum Schlamm-Wasser-Gemisch.
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Phase 4 s Ausbildung der absetzfähigen Grobflocke.
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Phase 5 g Sedimentation der absetzfähigen Grobfiocke und Rücktransport
des Xontaktschlamms. nach Phase 2.
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Bei keiner der bekannten Typen von Schwebstoffkontaktanlagen jedoch
ist ein solcher idealer Phasenablauf' mit eigenen - von den anderen ganz oder teilweise
abgetrenntenReaktionsräumen bezw. Reaktionazonen für Jede einzelne Phase realisiert.
Stets sind entweder mehrere Phasen miteinander kombiniert oder einzelne fehlen ganz.
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Gemeinsam ist allen diesen Anlagen, daß zumindest für lie Phasen 2
und i Je ein eigener Reaktionsraum vorhanden ist. Gelegentlich findet man den
Reaktionsraum
für Phase 1 vom eigentlichen Gerät abgetrennt (Vormischer), sehr häufig koppelt
man auch die Phasen 1 und 2, wobei dann die Dosierung des Flockungsmittels in den
Reaktionsraum der Phase 2 erfolgt.
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Für Phase 3 allein steht jedoch in keiner der bekannten Schwebstoffkontaktanlagen
ein eigenerß in sich geschlossener Reaktionsraum zur Verfügung, die Zugabe eines
Flockungshilfsmittels erfolgt stets entweder in Kombination mit Phase 2 oder Phase
4, deho entweder bereits während der Kontaktphase oder zu Beginn bezw. wahrend der
ausbildung der absetzfähigen Grobflocke.
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Bei praktisch allen bekannten Schwebstoffkontaktanlagen wird ferner
im Reaktionsraum der Phase 2 mittels mechanisch betriebener Rihrwerke, die oft auch
gleichzeitig als Umwäl z- bezwe Förderaggregate ausgebildet sind, eine Wasserbewegung
mäßiger Intensität eingestellt, wobei stets die Absicht hervortritt, zwar eine Kontaktwirkung
zu erzielen, die vorhandenen gröberen Flocken jedoch nicht durch zu hohen Energieeintrag
zu zerschlagen.
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Ähnliche Gesichtspunkte bestimmen auch die Art der Zugabe des Flockungshilfsmittels.
Bei allen bekannten Verfahren und Verfahrensvarianten erfolgt ein Flockungshilfsmittelzusatz,
sofern ein solches angewendet wird, stets bei geringer bis mäßiger Ruhrintensität
( Phase 2 oder 4 ), wodurch vermieden werden soll, daß die bei, Zusatz, des Flockungshilfsmittels
sich fast momentan bildenden groben Flockenaggregate weiteren. Scherkräften ausgesetzt
werden, da sie ansonsten wieder zerschlagen und damit schlecht sedimentierbar werden
könnten. Gelegentlich wird auch das Flockungshilfsmittel zum Zwecke besserer Verteilung
in der Nähe eines: Ruhr- bezw.
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Förderaggregates zugegeben, aber auch in diesen Fällen ist das Schlamm-Wasser-Gemisch
nach erfolgter Zugabe des Flockungshilfsmittels nur sehr kurze Zeit, höchstens wenige
Sekunden, einer turbulenteran Bewegung unterworfene
Es wurde nun
überraschenderweise gefunden, daß eine sehr wesentlich weitergehende bezw. praktisch
vollständige Reduktion der feinat- und kolloiddispersen Stoffe auch bei schwierigen
Rohwässern dann erreicht wird, wenn man erfindungsgemäß folgende Maßnahmen bezüglich
der einzelnen Flockungaphasen miteinander kombiniert: 1. Erhöhung des Energieeintrages
in dem der Phase 2 zugeordneten Reaktionsraum und 2. Schaffung eines: auf maximal
etwa fünf vorzugsweise zwei, Minuten iufethaltszeit begrenzten, weitgehend von den
übrigen Reaktionsräumen abgetrennten, eigenen Reaktionsraumes für die Phase 52 in
dem ein - auf das Volumen bezogen - besonders hoher Energieeintrag möglich ist.
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Im Anschluß an die Behandlung des Schlamm-Wasser-Gemisches in diesem
Reaktionsraum für die Phase 3 erfolgt dann in bekannter Weise eine Nachbehandlung
mit geringer Turbulenz ( Phase 4 ) vor der eigentlichen Sedimentation (Phase 5 ).
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Das Besondere und Überraschende an diesem erfindungsgemäßen Verfahren
ist die Anwendung besonders hoher Turbulenzen in diesem neu geschaffenen Reaktionsraum
für die Flockungshilfsmittelzugabe sowie die dort vorgesehene Begrenzung der Aufenthaltszeit
auf wenige Minuten.
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Die für die Erfindung wesentlichen Zusammenhänge werden nachfolgend
näher erläutert: Bei gegebenen Rohwassereigenschaften und Flockungsmittelzusätzen
sind die Restgehalte an feinst- und kolloiddispersen Stoffen im Ablauf von Suspensionskreislaufanlagen,
also auch von Schwebstoffkontaktanlagen, zunächst einmal eine Funktion der im Reaktionsraum
der Phase 2 eingestellten Kontaktschlammkonzentration, des dort erfolgenden Energieein
trages und der Kontaktzeit. Der für einen bestimmten Effekt jeweils erforderliche
Energieeintrag ist von der Rohwasserbeschaffenheit abhängig. Die mögliche Kontaktzeit
in Phase 2 ist jedoch naturgemäß beschränkt.
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Daher ist eine weitgehende besw- praktisoh vollständige Eliminierung
der feinst- und kolloiddispersen Stoffe bereits in Phase 2 meist überhaupt nicht
realisierbar? vor allem nioht mit den üblichen, relativ geringen Rührwerksleistungen.
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Die genannten Restgehalte können weiterhin durch Zusatz von Flockungshilfsmitteln
beeinflußt werden0 Erfolgt der Zusatz in bekannter und üblicher Weise während der
Verfahrensphasen 2 oder 4 t wird zwar meist eine große und gut absetzfähige Flocke
erhalten, der im Ablauf der Anlage auch ansonsten enthaltene restgehalt an feinst-
und kolloiddispersen Stoffen im übrigen durch das Flockungshilfsmittel kaum oder
nur verhältnismäßig wenig vermindert. Dieser bekannte, jedoch recht einseitige Effekt
der Flockungsliilfsmittei kann zusätzlich mit bedeutsamen Effekten bezüglich der
Reduzierung der genannten Restgehalte verbunden werden, wenn die Flocknngshilfsmittelzugabe
in einem eigenen Reaktionsraum unter bestimmten Bedingungen bezüglich der Kontaktzeit
und des während der Kontaktzeit erfolgenden Energieeintrages vorgenommen wird.
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Der Mechanismus der Reduktion der feinst- und kolloiddispersen Stoffe
in dieser Phase 3 unterscheidet sich grundsätzlich von dem der Phase 2 Während man
nämlich in Phase 2 bei Anwendung kürzerer Kontaktzeiten duroh einen entsprechend
höheren Energieeintrag den gleichen Effekt erreichen kann wie bei geringerem Energieeintrag
und längeren Kontaktzeiten, ist in Phase 3 der optimale Effekt' an eine " optimale
Kontaktzeit @ gebunden, die in bestimmten Grenzen konstant gehalten werden muß.
Die Größe dieser optimalen Kontaktzeit ist praktisch unabhängig von der Kontaktschlammkonzentration
und der Rührwerksleistung, sie hängt vornehmlich von der chemischen Beschaffenheit
des verwendeten Flodknngshilfsmittel ab und beträgt beispielsweise bei den bekannten
synthetischen Flockungshilfs~ mitteln ca. 1 1/2 Minuten. Bei Unterschreitung der
optimalen Kontaktzeit verringert sich der Effekt der Redusierung der feinst- und
kolloiddispersen Stoffe sehr stark, bei Überschreitung erfolgt hingegen praktisch
keine weitere Reduktion mehr. Langer Überschreitungen haben schließlich eine Verschlechterung
der Susbildung der absetzfähigen Grobflóoke in der nachgeschalteten Phase 4 zur
Folge.
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Weiterhin besteht eine anßerordentlich stark ausgeprägte Ibhängigkeit
der Reduktionaeffekte von dem in der optimalen Kontaktzeit erfolgenden Energieeintrag
in Phase 3. Bei genügend hohem Energieeintrag, das heißt, bei Anwendung von Bührwerksleistungen
von u.U0 bis mehrere hundert Watt pro cbm Reaktionsraumvolumen, lassen sich auch
relativ sehr hohe Ausgangs-ScolloiS und Feinststoffgehalta praktisch vollständig
oder zumindest weitgehend reduzieren. Die für ein gegebenes Rohwasser optimale Größe
des
Energieeintrages ist experimentell leicht zu ermitteln. Eine
Begrenzung des Energieeintrages nach oben ist nur dadurch gegebenen daß die an sich
gewünschte Zerteilung der Flocken in Phase 3 so stark wird, daß eine Bückbildung
in Phase 4 nicht mehr in ausreichendem Maße erfolgen kann.
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Im Gegensatz zu bisherigen Anschauungen ueber die Zugabe von Flookungshilfsmitteln
tritt dies jedoch erst bei Rührwerksleistungen in Phase 3 auf, die außerordentlich
hoch liegen, vorausgesetzt, daß die optimale Kontaktzeit etwa eingehalten und nicht
zu weit überschritten wird.
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Im Verlaufe von eingehenden Laboruntersuchungen und großtechnischen'
Versuchen hat sich gezeigt, daß bei erfindungsgemaßer Gestaltung der Flookungshilfsmittelzugabe
in der Phase 3 eine erheblich größere Wirkung bezüglich der genannten Effekte erzielt
werden kann, als dies in Phase 2 selbst bei optimaler Gestaltung dieser Phase, möglich
ist. Durch diese Untersuchungen konnte klar nachgewiesen werden, daß die durch die
erfindungsgemäße Arheiisweise erzielbaren Effekte von Üblichen Suspensions kreislaufanlagen
nicht annähernd erreicht werden können. Die erfindungsgemäße Gestaltung der Phase
3 gestattet zudem, den Energieeintrag in Phase 2 weit ueber das übliche Maß hinaus
zu steigern. Die dabei resultierende unvermeidliche Zerschlagung der Kontaktflocken
in Phase 2, die ansonsten unerwinsoht ist, wird hierbei bedeutungslos, da sich diese
im Anschluß an die erfindungsgemäße Behandlung im Reaktionsraum der Phase 3 in der
nahfolgenden Phase 4 sogar besser ausbilden als bei den bekannten Fahrweisen. Damit
ergibt sich weiterhin die Möglichkeit, den Reaktionsraum für die Phase 2 zu verkleinern
oder auch, sofern der gesamte Reduktionsprozeß allein in Phase a durchgeführt werden
solll diesen ganz wegzulassen.
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Ss konnte weiterhin nachgewiesen werden, daß selbst bei einem geringeren
als dem optimalen Energlesintrag in Phase 3 die räumliche Abtrennung dieser Phase
und die Sindaltung der optimalen Kontaktzeit noch eine sehr bedeutsame Verbesserung
der Haftfähigkeit der dann verbleibenden feinst-und kolloiddispersen Stoffe im nachgeschalteten
Filter erreichen läßt.
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Illit der erfindungegemäßen Fahrweise ist auoh eine optimale Ausnützung
des Flockungshilfamittels verbunden, so daß dessen Zugabemenge vermindert werden
kann. hl Ablauf der einlage ist eine gegenüber üblichen Fahrweisen stark verminderte
Flockungshilfamittel-Bestkonzentration zu beobachten.
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Die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden besonders
deutlich an nachfolgendem Beispiel@ In einer Versuchsanlage Zur Aufbereitung von
Donauwasser für Trinkwasserzwecke wird eine Schwebstoffkontaktanlage vom Typ Ac3elator
mit einem Durchsatz von 72 cbm/Ii, einer mittleren Verweilzeit von 60 Minuten und
einer Klärflächenbelastung von 3,2 cbm/gm.h betrieben.
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Vor Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde das Flockungshilfsmittel
in üblicher Weise entweder in den Reaktionsraum für die Phase 2 ( sogo Reaktionszone
1 ) oder in die Reaktionszone für Phase 4 ( sog.
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Reaktionszone II ) dosiert. Ferner wurde, bei einem Durchmesser der
Rührpumpe von 1600 mm, mit einer Drehzahl von 7 Upm, entsprechend einer Umfangsgeschwindigkeit
von 590 mm/seot gefahren.
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Aufgrund eingehender Laborversuche wurde dann aus der vorgegebenen
Reaktionszone II durch entsprechende Einbauten, deren Konstruktion aus beiliegender
Abbildung ( Fig. 1 als ttbersichtszeichnung, Fig. 2 als Detailzeichnung ) erkennbar
ist, erfindungsgemäß ein besonderer Reaktionsraum für die Flockungshilfsmittelzugabe
abgetrennt und die Oberseite der Rührpumpe mit Rührblechen zur Erhöhung der Turbulenz
in diesem neu geschaffenen Reaktionsraum versehen.
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Die Buchstaben auf beiliegender Abbildung bezeichnen in Fig.1 und
2 folgende Reaktionsräume bezw. -zonen und Einbauteile: A @ Zulauf des bereits mit
Flockungsmitteln versehenen Rohwassers B = Klarwasserablauf C = unveränderte Reaktionszone
I ( Reaktionsraum der Phase 2 ) D = neugeschaffener Reaktionsraum für die Flockungshilfsmittelzugabe
E = verkleinerte Reaktionszone II ( Reaktionszone der Phase 4 ) F 8 Sedimentationszone
( Zone der Phase 5 .) G - Regelantrieb für die Rührpumpe H = Rührpumpe J I neu angebrachte
Bremsbleche in der Reaktionszone II ( 4 St. ) K r neu angebrachte Bremebleche im
Reaktionsraum der Phase 3 ( 4 St. ) L - neu angebrachte Rührbleche auf der Oberseite
d.RUbr.pumpe ( 6 st. ) M - neu eingezogener Boden zur Abtrennung der Phase 3 von
der verbleibenden Reaktionszone II N - mit Rührerwelle und Rührpumpe drehende Dosierleitungen
für das Flockungshilfsmittel
Die mittlere Aufenthaltszeit in " D
beträgt bei einem Gesamtdurchsatz von 72 obm/h etwa l min 40 ses, die durch Laborversuche
ermittelte optimale Kontaktzeit " 1 min 30 sec.
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Ferner wurde nach Einbau eines stärkeren Rührwerkantriebes die Drehzahl
der Rührpumpe auf 14,5' Upm erhöht, entsprechend einer Umfangsgeschwindigkeit von
1215 mm/see. Damit wurde einmal der Energieeintrag in die Kontaktzone der Phase
2 ( Reaktionszone I ) mehrfach gesteigert, zum.
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anderen ein relativ hoher Energieeintrag im neu geschaffenen Reaktion
raum für die Phase 3 bereitgestellt. Letzterer ist, wie parallel durchgefiihrte
Laboruntersuchungen zeigten, etwas geringer als der " optimale Energieeintrag ".
Eine weitere0ptimierung, beispielsweise durch Steigerung der RUhrwerkdrehzahl, ist
prinzipiell möglich, setzt aber den Einbau von Bremsblechen im unteren Teil der
Sedimentationszone voraus, um die ansonsten einsetzende Horizontaldrehbewegung des
Wassers zu vermeiden.
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Durch die beschriebenen technischen Maßnahmen konnte der Gesamt-Resteisengehalt
- bei Verwendung von Eisen(III).oSalzen als Flockungsmittel im Klärwasser von im
Mittel ca. 0,8 auf ca. 0,25 mg Fe/l gesenkt werden, der Anteil des feinst- und kolloiddispersen
Eisenoxidhydrates von 0,5 auf ca. 0,1 mg Fe/l. Ein analoges Bild zeigen die Streulichtwerte,
die von ca. 1,2 . 10-3 auf ca. 0,4 . 10-3 abs.Z.E.
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erniedrigt wurden. Der Gesamt-Restfeststoffgehalt liegt nunmehr zwisehen
0,5 und 1 mg/l. Ferner konnte die Letriebsstabilität der anlage entscheidend verbessert
werden, so daß nunmehr der Einfluß der z.T. stark schwankenden Rohwassereigenschaften
weitestgehend ausgeschaltet und stets ein Klarwasser praktisch gleicher guter Qualität
erhalten wird.
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Die Auswirkungen der erfindungsgemäßen Maßnahmen auf die nachgeschaltete
Filterstufe und die dort erzielten Filtrat qualitäten manifestieren sich in über
verdoppelten Filterlaufzeiten bei konstanten, hervorragenden Filtratqualitäten und
einer absoluten Sicherheit bezüglich Filterdurchbrüchen. Mit Resteisengehalten um
0,005 mg Fe/l.
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und Trübungswerten um 0,10 mg SiO2/l besitzt das Filtrat jetzt die
Qualität besten Grundwassers. Auch die vor Einbau des Reaktionsraumes D bei Wassertemperaturen
unter 40C stets zwischen 1,4 und
2,0 m WS erfolgten Filterdurchbrüche
werden nunmehr vermieden, das Filter kann selbst bei praktisch Q°d bis zu dem vorgegebenen
Endwiderstand von 3>3 m WS voll und ohne Minderung der Filtratqualität ausgefahren
werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist selbstverständlich nicht nur. auf
Accelatoren, sondern auf alle anderen Schwebstoffkontaktanlagen, bezw. Suspensionskreislaufanlagen
allgemein, auch auf solche mit vollkommen getrennten Reaktionsräumen oder Reaktionebeoken
anwendbar, gleich ob - wie im Beispiel @ die Energieeinträge für die Phasen 2 und
3 über eine gemeinsame Rühreinrichtung oder über getrennte, ggf. regelbare Rührvorrichtungen
erfolgt.