DE19616602A1 - Verfahren und Zentrifugalabscheider zum Abscheiden sedimentierbarer Anteile aus wässrigen Trüben - Google Patents

Verfahren und Zentrifugalabscheider zum Abscheiden sedimentierbarer Anteile aus wässrigen Trüben

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden sedimentierbarer Anteile aus wäßrigen Trüben gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Zentrifugal­ abscheider gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 4.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Reinigung von flüssigen Trüben mit einem Anteil an sedimentierbaren Feststoffpartikeln unterhalb einer Abmessung von z. B. ca. 2 mm, d. h. auf die Nachreinigung von Trüben, die durch Siebe oder dgl. schon einer Vorreinigung zur Entfernung gröberer Partikel unterzogen worden sind.

Gemeinsames Merkmal einer Abscheidung mittels Zentrifugalabscheidern bzw. Hydrozyklonen ist, daß die vorgereinigte Trübe mit hoher Geschwindigkeit in eine Abscheidungskammer eingeleitet wird und sich darin ein intensiv rotierendes laminares Strömungsfeld bildet, bei dem die sedimentierbaren Teilchen durch Zentrifugalkraftwirkung auf eine äußere Durchmesserbahn gedrückt werden und aufgrund ihres Eigengewichtes allmählich zum unteren Ende der Abscheidungskammer absinken, wo sie sich in schlammartiger Form ansammeln und abgenommen werden können. Dagegen wird der gereinigte flüssige Anteil der Trübe über ein zentrales Ablaufrohr entgegen der Schwerkraftwirkung nach außen abgeführt und dadurch verhindert, daß sich abgeschiedene Partikel mit gereinigter Flüssigkeit vermischen können.

Ein bekannter Zentrifugalabscheider für flüssige Trüben (US- A-2 996 187) umfaßt einen in der Abscheidungskammer angeordneten Zyklonrotor, durch den zur Erhöhung der Zentrifugalkraftwirkung gezielt Drehenergie in die Trübe eingebracht werden kann. Das für die Strömung der Trübe zwischen dem Ein- und auslaß der Abscheidungskammer erforderliche Druckgefälle wird durch eine weitere Rotoreinrichtung aufgebracht, die abstromseitig des Auslasses der Abscheidungskammer vorgesehen ist. Das Druckgefälle zwischen Ein- und auslaß ist daher durch die Saugkraft der weiteren Rotoreinrichtung bestimmt. Die maximal aufbringbare Saugkraft ist andererseits durch die ansaugseitig anstehende Flüssigkeitssäule festgelegt, so daß bei wäßrigen Trüben nur ein Druckgefälle von weniger als 1 bar geschaffen werden kann. Der bekannte Zentrifugalabscheider kann daher nur bei Suspensionen angewendet werden, bei denen eine ausreichende Sedimentation schon mit niedrigen Zentrifugalkräften möglich ist. Um weniger leicht sedimentierbare Anteile aus wäßrigen Trüben abzuscheiden, sind höhere Rotationsgeschwindigkeiten erforderlich, um entsprechend hohe Zentrifugalkräfte zu bewirken. Dies würde ein Druckgefälle von einigen bar erfordern, die bislang bei Zentrifugalabscheidern nicht zur Verfügung standen, so daß man im allgemeinen mehrere klein dimensionierte Zentrifugalabscheider anordnen mußte, um auf eine gewünschte Abscheidungsrate zu kommen. Dies verteuert wesentlich die Anschaffungs- und Betriebskosten der Gesamtanlage und erhöht deren Wartungsanfälligkeit. Der Durchsatz von klein bemessenen Zentrifugalabscheidern ist außerdem vergleichsweise gering, so daß der Einsatz darauf basierender Anlagen auf bestimmte Anwendungsfälle beschränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Zentrifugalabscheider der eingangs erwähnten Gattung zu schaffen, die die erforderlichen hohen Rotations­ geschwindigkeiten für die Behandlung von Trüben aller Art bei hohen Abscheidungs- und Durchsatzraten ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird auf die kennzeichnenden Teile der Patentansprüche 1 und 4 verwiesen. Überraschend wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß die mit bekannten Zentrifugalabscheidern verbundenen vorerwähnten Probleme in einfacher Weise ohne wesentliche Komplizierung der Anlagen dadurch beseitigt werden können, daß das für hohe Rotationsgeschwindigkeiten erforderliche Druckgefälle von einigen bar durch eine Druckbeaufschlagung der Trübe unmittelbar vor deren Einlaß in die Abscheidungskammer aufgebracht wird. Dazu kann auf der gleichen Drehwelle wie die der Zyklonrotoreinrichtung eine Transportrotoreinrichtung aufstromseitig des Einlasses vorgesehen sein, die nach Art eines Radialbeschleunigers ausgebildet sein kann. Die radialen Abmessungen der Transportrotoreinrichtung sollten um ein geeignetes Mass, z. B. 25 bis 75%, größer als diejenigen der Zyklonrotoreinrichtung gewählt werden, und ferner sollte vorzugsweise ein Verhältnis der projizierten Flächen der Flügel der Transporteinrichtung zu den Flügeln der Zyklonrotoreinrichtung von etwa 1 : 1,5 bis etwa 1 : 3 vorgesehen werden. Dadurch wird sichergestellt, daß seitens der Transportrotoreinrichtung stets ein ausreichender Druck auf die Trübe ausgeübt wird, der in Relation zur Drehgeschwindigkeit der Zyklonrotoreinrichtung steht und den von der Zyklonrotoreinrichtung ausgeübten Gegendruck überwinden kann. Infolgedessen kann mit hoher Drehgeschwindigkeit der Zyklonrotoreinrichtung und entsprechend erhöhter Abscheidungsrate gearbeitet werden. Ferner ist die Effektivität der Abscheidung praktisch unabhängig von der in die Abscheidungskammer einströmenden Flüssigkeitsmenge und weitgehend unbeeinflußt von der Art und Weise, wie die Flüssigkeit in die Kammer eingeführt wird, da für ausreichend hohe Zentrifugalkräfte in jedem Fall die Zyklonrotoreinrichtung sorgt. Bei hohen Flüssigkeitszulauf­ raten werden Turbulenzen vermieden, und bei niedrigen Flüssigkeitszulaufraten kann die Zentrifugalkraftwirkung voll aufrechterhalten werden. Dadurch, daß eine wirksame Abscheidung weitestgehend unabhängig von den Abmessungen des Zentrifugalabscheiders ist, können unter entsprechend günstigen Auswirkungen auf die Betriebs- und Anschaffungskosten Abscheider mit größeren Dimensionen bzw. größeren Durchmessern als bei bekannten Anlagen zum Einsatz kommen. Zwar ist aus der britischen Patentschrift 1 209 686 ein Zentrifugalabscheider bekannt, bei dem einstromseitig einer konisch ausgebildeten Abscheidungskammer ein Doppelrotor aus einer Kombination von schraubenlinienförmigen und radialen Flügelelementen vorgesehen, die beide im wesentlichen den gleichen Durchmesser haben, doch ist dadurch die Überwindung eines durch die radialen Flügel erzeugten hohen Gegendruckes nicht möglich. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können die im Bodenbereich des erfindungsgemäßen Zentrifugalabscheiders angesammelten Sedimente entsprechend der Menge und dem gewünschten Eindickungsgrad als Teilstrom mit einer regelbaren Schneckenpumpe oder dgl. abgesaugt und zur weiteren Behandlung weitergefördert werden. Insgesamt zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Zentrifugalabscheider durch einen vergleichsweise unkomplizierten Aufbau aus, indem beide Rotoreinrichtungen auf einer gemeinsamen Drehwelle angeordnet sein können. Der Zentrifugalabscheider hat ansaugende Wirkung und kann daher in einfacher Weise ohne pumpende Zusatzaggregate in ein Strömungssystem für eine zu behandelnde Trübe integriert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform und deren Modifikationen sowie der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in teilweise längsgeschnittener Ansicht einen Zentrifugalabscheider gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2A-2C ein Detail des Zentrifugalabscheiders nach Fig. 1 in Gesamtansicht (Fig. 2A), Unteransicht (Fig. 2B) und Draufsicht (Fig. 2C),

Fig. 3 eine geschnittene Ansicht längs der Schnittlinie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 einen Zentrifugalabscheider nach Fig. 1 gemäß einer ersten modifizierten Ausführungsform,

Fig. 5 einen Zentrifugalabscheider nach Fig. 1 gemäß einer zweiten modifizierten Ausführungsform.

Nachfolgend wird auf die Fig. 1, 2A-2C und 3 Bezug genommen, welche einen Zentrifugalabscheider nach der Erfindung zeigen. Das Bezugszeichen 1 in Fig. 1 betrifft ein rohrförmiges zylindrisches Gehäuse, das in einen unteren trichterförmigen Bodenbereich 2 übergeht, der sich zu einer Entnahmeöffnung 3 am unteren Ende verjüngt. Das Gehäuse 1 definiert eine Abscheidungskammer 4, in die koaxial zur Mittenlängsachse ein rohrförmiges Element oder eine Hohlwelle 5 hineinragt, deren unteres axiales Ende offen ist und an einer geeigneten beabstandeten Stelle vom Übergang des Gehäuses 1 in den trichterförmigen Bodenbereich 2 ausmündet.

Am oberen, aus dem Gehäuse 1 herausragenden axialen Ende der Hohlwelle 5 ist eine Kupplungseinrichtung 7 vorgesehen, die mit der Abtriebswelle einer Antriebseinrichtung 8, z. B. einem Elektromotor, verbunden werden kann, um die Hohlwelle 5 mit einer geeigneten Drehgeschwindigkeit in Drehung zu versetzen.

Bei der gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Hohlwelle 5 lagerungsfrei nur durch die Antriebseinrichtung 8 abgestützt. Wenn erwünscht, könnte zur Abstützung der Hohlwelle 5 gegenüber dem Gehäuse 1 auch eine geeignete Lageranordnung vorgesehen sein.

Wie Fig. 2A-2C zeigen, ist an einer zwischenliegenden axialen Stelle der Hohlwelle 5 in Abstand von deren oberen Ende eine Montageplatte 12 befestigt, z. B. angeschweißt, die die Hohlwelle 5 in einer radialen Ebene umgibt. An der Unterseite der Montageplatte 12 bzw. an der äußeren Oberfläche der Hohlwelle 5 sind umfänglich in gleichem Winkelabstand verteilt eine Vielzahl von Rotorflügeln 11 befestigt, die von der Hohlwelle 5 radial nach außen ragen. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind vier Rotorflügel 11 vorgesehen. Es können jedoch auch mehr oder weniger Rotorflügel vorgesehen sein.

Die Rotorflügel 11 bilden eine Zyklonrotoreinrichtung, die in Fig. 1 das allgemeine Bezugszeichen 10 trägt, um eine in die Abscheidungskammer 4 eingeführte flüssige Trübe einer geeigneten Zentrifugalkraft auszusetzen und zu einer kreisenden Bewegung längs der Innenwand des Gehäuses 1 zu veranlassen, so daß die schwereren sedimentierbaren Anteile der Trübe sich nahe der Innenwand der Abscheidungskammer 4 ansammeln, während die leichteren flüssigen Anteile in die Hohlwelle 5 und von dort nach außen abgeführt werden können, worauf später noch näher eingegangen wird.

Wie Fig. 1, 2A und 2C weiter zeigen, ist auf der Oberseite der Montageplatte 12 eine Vielzahl von Rotorschaufeln 21 befestigt, die von der Hohlwelle 5 ausgehend sich im wesentlichen spiralförmig nach außen zu einem umfänglichen Bereich mit einem Durchmesser D erstrecken, der größer als der Durchmesser d eines von den Rotorflügeln 11 der Rotoreinrichtung 10 beschriebenen umfänglichen Bereiches ist. Vorzugsweise ist D 25 bis 75%, höchstvorzugsweise 50%, größer als d. Außerdem ragen die Rotorschaufeln 21, wie dargestellt, um eine geeignete kurze Wegstrecke über den äußeren Rand der Montageplatte 12 hinaus. Ferner sollte ein Verhältnis der projizierten Flächen der Flügel der Transporteinrichtung zu den Flügeln der Zyklonrotoreinrichtung von etwa 1 : 1,5 bis etwa 1 : 3 vorgesehen werden.

Die Rotorschaufeln 21 bilden eine Transportrotoreinrichtung, die das allgemeine Bezugszeichen 20 trägt und mit einer Statoreinrichtung 22 zusammenwirkt, die in näheren Details in Fig. 3 gezeigt ist. Die Statoreinrichtung 22 umfaßt eine Vielzahl von schaufelartigen stationären Leitelementen 23, die sich in einer Ebene unterhalb der Rotorflügeln 21 der Rotoreinrichtung 20, vorzugsweise spiralförmig, von einer radial außenliegenden Stelle entsprechend dem Durchmesser D zu einer radial innenliegenden Stelle erstrecken, die im wesentlichen mit dem Innenumfang des Gehäuses 1 übereinstimmt. Die Leitelemente 23 sind mit ihren innenliegenden Bereichen vorzugsweise im wesentlichen tangential zur inneren Oberfläche des Gehäuses 1 ausgerichtet. Zwischen benachbarten Leitelementen 23 sind Öffnungen 24 definiert, über die die Trübe in die Abscheidungskammer 4 hineingelangen kann. Die Leitelemente 23 der Statoreinrichtung 22 ragen wie die Rotorschaufeln 21 der Transportrotoreinrichtung 20 außen über den Rand der Montageplatte 12 hinaus, um zwischen der Statoreinrichtung 22 und der Transportrotoreinrichtung 20 eine Fluidverbindung zu schaffen.

Wie Fig. 1 zeigt, sind ein radial äußerer Bereich der Rotorschaufeln 21 der Transportrotoreinrichtung 20 und die Leitelemente 23 der Statoreinrichtung 22 in einem flanschartigen Ringraum 25 oberhalb des Gehäuses 1 aufgenommen.

Die Statoreinrichtung 22 hat die Aufgabe, eine Drehgeschwindigkeit der Trübe, hervorgerufen durch die Transportrotoreinrichtung 20, abzubremsen, wodurch die Trübe unter einen geeigneten Überdruck gesetzt wird, bevor sie in die Abscheidungskammer 4 und in den Einflußbereich der Zyklonrotoreinrichtung 10 gelangt.

Die Trübe wird, wie Fig. 1 zeigt, über einen Einlasstutzen 30 des Zentrifugalabscheiders in einen Vorraum 31 eingeführt, der mit dem Raum 25 in Verbindung steht, in dem sich die Rotorschaufeln 21 der Transportrotoreinrichtung 20 drehen. Durch die Drehung der Rotorschaufeln 21 wird die Trübe durch Zentrifugalwirkung nach außen in den Bereich der Leitelemente 23 der Statoreinrichtung 22 geschleudert und dort unter einen erhöhten Druck gesetzt. Über die Öffnungsbereiche 24 zwischen benachbarten Leitelementen 23 gelangt die Trübe in die Abscheidungskammer 4, wo ihr durch die mit gleicher Drehzahl wie die Transportrotoreinrichtung 20 sich drehende Zyklonrotoreinrichtung 10 erneut eine kreisende Bewegung aufgezwungen wird.

Die Transportrotoreinrichtung 20 schafft einerseits den erforderlichen Druck der Trübe zur Überwindung des von der Zyklonrotoreinrichtung 10 ausgeübten Gegendrucks und andererseits ein geeignetes Druckgefälle der Trübe zwischen dem Ein- und auslaß in bzw. aus der Abscheidungskammer 4. Die wäßrigen durch die Wirkung der Zyklonrotoreinrichtung 10 abgeschiedenen Anteile der Trübe werden unter dem Drückgefälle zu einer Strömung in die Hohlwelle 5 veranlaßt und verlassen die Hohlwelle 5 im Bereich von deren oberen Ende über eine dort vorgesehene Vielzahl von Öffnungen 9. Die gereinigte Flüssigkeit gelangt in einen austrittseitigen Vorraum 32, der mit einem Austrittsstutzen 33 des Zentrifugalabscheiders in Verbindung steht. Bei der gezeigten Ausführungsform der Erfindung gelangt die Trübe auf im wesentlichen der gleichen radialen Ebene in den Zentrifugalabscheider, auf der sie diesen verläßt, wie dies durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist.

Die abgeschiedenen sedimentierbaren schwereren Anteile der Trübe in der Abscheidungskammer 4 sammeln sich in Folge der Schwerkraftwirkung im trichterförmigen Bodenbereich 2 des Gehäuses 1 und können dort über die Entnahmeöffnung 3 kontinuierlich oder in gewissen geeigneten Zeitintervallen nach außen abgeführt werden. Vorzugsweise hat die Entnahmeöffnung 3 eine einstellbare Öffnungsweite. Die Entnahmeöffnung 3 kann ferner gemäß Fig. 4 mit einer Fördereinrichtung 35, z. B. in Gestalt einer Schraubenpumpe in Verbindung stehen, die die Sedimente aufnimmt und zu einer nicht gezeigten weiterbehandelnden Stelle transportieren kann.

Fig. 5 zeigt eine weitere Modifikation der vorbeschriebenen Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser ist der trichterförmige Bodenbereich weggelassen und durch eine radiale Bodenendwand 2′ des zylindrischen Gehäuses 1 ersetzt, in der die Entnahmeöffnung 3′ vorgesehen ist. In einem geeigneten Abstand parallel zur Bodenendwand 2′ ist ein plattenförmiges Element 34 vorgesehen, das durch Distanzstücke 36 an der Bodenendwand 2′ gehalten ist. Die Sedimente unterströmen das plattenförmige Element 34, wie dies durch die gestrichelten Linien in Fig. 5 angedeutet ist, bevor sie zur Entnahmeöffnung 3′ gelangen.

In allen übrigen Merkmalen entsprechen die modifizierten Ausführungsformen der Erfindung nach Fig. 4 und 5 derjenigen nach Fig. 1, so daß bezüglich weiterer Details auf Fig. 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen werden kann.

Die Erfindung wurde vorausgehend an Hand einer Ausführungsform mit einer Transportrotoreinrichtung in Gestalt eines Radialbeschleunigers beschrieben, der mit der gleichen Drehzahl wie die der Zyklonrotoreinrichtung rotiert und deshalb vom gleichen Antrieb mit Drehkraft beaufschlagt werden kann. Wenn erwünscht, können auch unterschiedliche Antriebe für die Transport- und Zyklonrotoreinrichtung vorgesehen werden, so daß diese mit unterschiedlichen Drehzahlen gedreht werden können. Die Erfindung ist ferner nicht auf die Verwendung einer Transportrotoreinrichtung in Gestalt eines Radialbeschleunigers beschränkt. Vielmehr könnten auch andere druckbeaufschlagende Vorrichtungen vorgesehen werden, vorausgesetzt diese sind geeignet, die von der Zyklonrotoreinrichtung ausgeübten hohen Gegendrücke zu überwinden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Abscheiden sedimentierbarer Anteile aus wäßrigen Trüben, bei dem die Trübe unter einem Druckgefälle durch eine Zyklonabscheidungskammer geleitet und darin zu einer kreisenden Bewegung veranlaßt wird, indem in der Abscheidungskammer Drehenergie in die Trübe eingebracht wird, um die sedimentierbaren Anteile der Trübe von den flüssigen Anteilen durch Zentrifugalkraftwirkung zu trennen, wobei sich die abgeschiedenen sedimentierbaren Anteile im wesentlichen in Schwerkraftrichtung zur Entnahme an einem unteren Bereich der Abscheidungskammer bewegen und die flüssigen Anteile in eine Richtung im wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung aus der Abscheidungskammer herausgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückgefälle durch eine Druckerhöhung im wesentlichen unmittelbar vor Einführung der Trübe in die Abscheidungskammer aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerhöhung durch Zentrifugalbeschleunigung der Trübe zu einem radialen Bereich aufstromseitig eines Einlasses in die Abscheidungskammer erzeugt wird und an oder nahe bei dem radialen Bereich die Trübe zu einer Strömung in Richtung auf den Einlaß in die Abscheidungskammer umgelenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trübe im wesentlichen tangential in die Abscheidungskammer eingeführt wird.
4. Zentrifugalabscheider zum Abscheiden sedimentierbarer Anteile aus wäßrigen Trüben, mit einer Abscheidungskammer (4), einer ersten angetriebenen Rotoreinrichtung (20) zur Erzeugung eines Druckgefälles in der Trübe zwischen einem Ein- und auslaß in bzw. aus der Abscheidungskammer, einer zweiten in der Abscheidungskammer vorgesehenen angetriebenen Rotoreinrichtung (10) zum Einbringen von Drehenergie in die Trübe, so daß diese in der Abscheidungskammer zu einer kreisenden Bewegung veranlaßt wird, einer Einrichtung (5) zur Abführung der wäßrigen Anteile der Trübe aus der Abscheidungskammer in eine Richtung im wesentlichen entgegen der Schwerkraftrichtung, und einer am Bodenbereich (2) der Abscheidungskammer vorgesehenen Einrichtung (3) zur Entnahme der am Bodenbereich angesammelten abgeschiedenen sedimentierbaren Anteile der Trübe, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rotoreinrichtung (20) aufstromseitig des Einlasses der Abscheidungskammer (4) vorgesehen ist, um die Trübe vor Einführung in die Abscheidungskammer unter einen Überdruck zu setzen.
5. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Rotoreinrichtung (20) und die zweite Rotoreinrichtung (10) auf einer gemeinsamen Drehachse (5) angeordnet sind, daß die erste Rotoreinrichtung ein Zentrifugalbeschleuniger mit einer radialen Abmessung (D) ist, die größer als die radiale Abmessung (d) der zweiten Rotoreinrichtung (10) ist, und daß im Bereich nahe des äußeren Umfanges der ersten Rotoreinrichtung eine Statoreinrichtung (22) zur Umlenkung der Trübe in Richtung auf den Einlaß der Abscheidungskammer vorgesehen ist.
6. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Abmessung (D) der ersten Rotoreinrichtung (20) 25-75% größer als die radiale Abmessung (d) der zweiten Rotoreinrichtung (10) ist.
7. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis der projizierten Flächen der Flügel der ersten Rotoreinrichtung (20) zu den Flügeln der zweiten Rotoreinrichtung (10) von etwa 1:1,5 bis etwa 1 : 3 vorgesehen ist.
8. Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch eine als Düse ausgebildete Entnahmeöffnung (3) im Bodenbereich (2) der Abscheidungskammer (4).
9. Zentrifugalabscheider nach einem der Ansprüche 4 bis 5, gekennzeichnet durch eine mit einer oder der Entnahmeöffnung (3) im Bodenbereich (2) der Abscheidungskammer (4) in Verbindung stehende Pumpeinrichtung (35) zum Abführen der abgeschiedenen sedimentierbaren Anteile der Trübe aus der Abscheidungskammer (4).
10. Zentrifugalabscheider nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein in nahem Abstand aufstromseitig der Entnahmeöffnung (3) gehaltenes plattenförmiges Element (34), welches die Entnahmeöffnung überdeckt und von den sedimentierbaren Anteilen der Trübe unterströmbar ist.
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