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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Form eines Drucklufthebers
gemäß der Gattung
der Schutzansprüche.
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Die
Erfindung ist anwendbar zum kontinuierlichen Pumpen von Flüssigkeiten,
bspw. Klärwasser.
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In
biologischen Kläranlagen
wird vor allem in SBR-Kläranlagen
das zufliesende Abwasser in einem Vorklärbehälter gespeichert, um nach einem
Zyklus von mehreren Stunden in einen SBR-Reaktor gefördert zu
werden. Bei SBR-Anlagen, welche mit einem Druckluftverdichter arbeiten,
geschieht das mit der erzeugten Druckluft, welche seitlich in ein
unten offenes Rohr gepumpt wird, welches im Abwasser steht und oberhalb
des Abwassers in ein weiteres Becken mündet. Wenn die Druckluft in
den so genannten Abwasserheber strömt, erzeugen die nach oben
strömenden
Luftperlen einen Sog, welcher das am unteren Rohrende befindliche
Abwasser ansaugt, im Rohr nach oben fördert und nach der Rohrkrümmung folgenden
Rohröffnung,
in ein Becken oder in den Abfluss stoßweise fließen lässt.
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In
dem Reaktorbecken, auch als Reaktor bezeichnet, wird das Abwasser
durch Teller-, oder Rohrbelüfter
feinperlig belüftet.
Durch diese Belüftung
können
die dort befindlichen frei schwimmenden Bakterien atmen und das
Abwasser durch ihre Stoffwechselprozesse reinigen. Nach dieser Reinigungsphase
wird die Belüftung
abgeschaltet, so dass sich die Bakterien durch Absinken am Boden
absetzen können.
Nach dieser Absetzphase entsteht über der Bakterienschicht eine
Klarwasserzone, welche nun vom Klarwasserheber, in gleicher Funktion
wie beschrieben, in den Ablauf der Kläranlage gepumpt wird. Zur gleichen
Zeit werden überschüssige Bakterien,
durch den parallel zum Klarwasserheber betriebenen Überschussschlammheber,
in geringerer Menge, wegen des geringer dimensionierten Heberrohres,
in die Vorklärung
gepumpt. Nach dieser Klarwasserpumpzeit beginnt der Kläranlagenzyklus
wieder mit der Beschickungspumpzeit, in dem der Beschickungsheber
das Vorklärwasser,
in vorprogrammierter Zeit, in den Reaktor pumpt bzw. fördert. Die Druckluft
für den
Beschickungsheber, für
den Tellerlüfter
und für
den Klarwasser- bzw.
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Überschussschlammheber
wird über
einzelne elektromagnetisch betätigte
Ventile, entsprechend geschalten. Diese Ventile werden über einen
Druckluftverdichter mit Druckluft versorgt.
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Alle
derzeitig in biologischen Kleinkläranlagen eingesetzten Luftdruckheber
eignen sich nicht, wenn der Überschussschlammheber
gleichzeitig parallel mit dem Klarwasserheber nach 1 betrieben werden
soll.
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Der
Nachteil an den der verwendeten Drucklufthebern besteht darin, dass
an deren Ansaugöffnungen
nicht erwünschte,
pulsierende Turbulenzen entstehen. Diese Turbulenzen entstehen ständig, weil
die einströmende
Druckluft im Heberrohr durch die aufsteigenden Luftblasen, die darüber liegende Wassersäule anhebt
und über
Heberrohrwinkel das Luft-Wasser-Gemisch abpumpt.
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Diese
Heber fördern
hintereinander folgend stoßweise
Luft-Wasser-Ströme.
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Ursache
für diese
stoßartige
Pumpweise ist, dass die im Heberrohr aufsteigenden Luftblasen, die darüber befindliche
Wassersäule
erst anheben und wegfördern
muss, ehe sich eine neue Wassersäule aufbauen
kann, mit der dann das Gleiche geschieht. Hauptursache für diese
ruckartige Pumpweise ist jedoch die rechtwinklige Rohrkrümmung oberhalb
des Heberrohres, welche das Luft-Wassergemisch von der vertikalen
in die horizontale Flussrichtung umlenkt. An dieser rechtwinkeligen
Umlenkstelle entsteht ein zu hoher Staudruck gegenüber den
Wasserbestandteilen, so dass die Druckluft sich dort entspannen
kann und ein Teil der angehobenen Wassersäule, in das Heberrohr zurück fällt. Diese
so pulsierenden, ruckartigen Wasserströme im Heberrohr werden auf
die Ansaugöffnung
des Hebers übertragen.
An der Ansaugöffnung
wird also ständig
eine größere Wassermenge
angesaugt und eine kleine Wassermenge ausgestoßen. Diese gegenläufigen Wasserbewegungen
erzeugen Verwirbelungen an den Ansaugöffnungen des Überschussschlammhebers
und am Klarwasserheber, welche eine Strömungswalze bilden, was dazu
führt,
dass die nach der Absetzphase, sich am Boden abgesetzten Bakterien,
vom Schlammheber in einer gewissen Höhe nicht nur abgesaugt werden,
sondern im Reaktorraum verwirbelt werden und so in die obere Klarwasserzone
gelangen und vom gleichzeitig betriebenen Klarwasserheber mit weggefördert werden.
Dies ist nachteilig, weil sich das Bakterienvolumen ständig reduziert
und die Reinigungsleistung der biologischen Kläranlage nachlässt. Ein
kontinuierliches, gleich bleibendes Bakterienvolumen ist so nicht
zu erreichen. Nachteilig ist weiterhin, dass das Schaltventil, welches
den Teller- bzw. Rohrbelüfter
mit Druckluft versorgt, ständig
während
dieser Zeit eingeschalten ist und zusätzliche elektrische Leistung verbraucht.
Da diese Belüftungszeit
die energiereichste Zeit im Reinigungszyklus einer biologischen Kläranlage
ist, sollten diese über
eine stromlose Ventilanordnung realisiert werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die diese Druckluftheber
konstruktiv so zu verändern,
dass die Pumpwirkung im Heberrohr keine Verwirbelungen an dessen
Ansaugöffnungen
entstehen lassen, so dass ohne Nachteile der Überschussschlammheber mit dem
Klarwasserheber betrieben werden kann und dabei keine Bakterien
in den Abfluss gelangen, welche die Abwasserwerte verschlechtern
lassen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Schutzanspruchs
gelöst.
Weitere günstige
Ausgestaltungsmöglichkeiten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das
Wesen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht darin, dass, entgegen dem Stand der Technik, keine rechtwinkelige
Rohrkrümmung
oberhalb des Heberrohres vorgesehen ist, sondern diese durch einen
Auffangbehälter,
welcher ein seitliches Abflussrohr besitzt, zu ersetzen. Diese erfindungsgemäße Lösung führt dazu,
dass das im Heberrohr vertikal aufsteigende Wasser-Luft-Gemisch,
ohne Umlenkung frei und ohne Gegendruck in den Auffangbehälter pumpbar
ist und durch ein an dem Auffangbehälter angebrachtes Rohr im freien
Gefälle
abfliesen kann.
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Es
hat sich überraschend
gezeigt, dass bei dieser konstruktiven Veränderung völlig kontinuierliche Pumpvorgänge im Heberrohr
(ohne Verwirbelung der geförderten
Flüssigkeit
realisiert werden. Die aufsteigenden Luftblasen und das mitgerissene Wasser
können
sich dabei an der nach oben freien Rohröffnung des Heberrohres frei
entspannen und das Wasser kann im freien Fall in den Auffangbehälter strömen.
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Gemäß der Erfindung
ist das Ansaugrohr dabei in seinem Durchmesser größer als
das Heberrohr dimensioniert. Die dadurch im Ansaugrohr befindliche
größere Wassermenge
hat eine größere Trägheit als
die im Heberrohr, welche ausgenutzt wird, um beim einschalten der
Druckluftzufuhr am Heberrohr die erzeugte Wasserverdrängung so
abzupuffern, dass erst ein Wasserfluss im Heberrohr zustande kommt
und kein Wasser an der Ansaugöffnung
im Ansaugrohr kurzzeitig ausströmt.
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Gemäß der Erfindung
ist die Druckluftheberkonstruktion gegenüber dem Stand der Technik verändert, indem
das oben offenen Heberrohr zusammen mit dem oben aufgesetzten Auffangbehälter in das
Innere des größeren Ansaugrohres
montiert ist und so ein kompakter leicht zu handhabender (montierbarer)
Druckluftheber entsteht, welcher die positiven Wirkungsweisen eines
großvolumigen
Ansaugrohres und eines nach oben offenen Heberrohres vereint.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung des
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer druckluftbetriebenen SBR-Anlage
gemäß dem nachteiligen
Stand der Technik,
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2:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß druckluftbetriebenen
SBR-Anlage mit einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Form eines möglichen
Drucklufthebers und
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3:
eine schematische Detaildarstellung der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Form eines möglichen
Drucklufthebers gemäß 2 in
kompakter Bauweise.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer druckluftbetriebenen SBR-Anlage
(als Beispiel einer biologischen Kläranlage), die gemäß dem nachteiligen
Stand der Technik betreibbar ist, bei welcher drei elektromagnetische
Luftventile (1) die vom Verdichter (2) erzeugte
Druckluft schalten. Diese Druckluftventile (1) werden von
der Steuerung (3) elektrisch angesteuert. Ein Ventil (1)
schaltet die Luft zum Beschickungsheber (4), welcher in
der Vorklärung
(5) platziert ist. Ein weiteres Ventil (1) schaltet die
Luft zum Tellerbelüfter
(6). Ein drittes Ventil (1) schaltet gemeinsam
die Luft, der im Reaktor platzierten Klarwasserheber (7)
und für
den Überschussschlammheber
(8). Alle drei so konstruierten Druckluftheber (4, 7 und 8),
fördern
das Wasser stoßweise, am
jeweiligen Heberrohr (9), durch einen Rohrwinkel (10),
in ein anderes Becken, bzw. in den Kläranlagenablauf. Diese Wasser
umlenkenden Rohrwinkel (10) sind Ursache für die stoßweise pumpenden
Wasserströme,
gekennzeichnet dadurch, dass bei einströmender Luft am jeweiligen Druckluftheber,
die Wassersäule
im Heberrohr (9) angehoben wird, am Rohrwinkel (10)
wegen der Masseträgheit
des Wassers dort abgebremst werden, die Luft aber, an dieser Stelle
am Wasser vorbeiströmt,
und deswegen ein Teil des angehobenen Wassers wieder in das Heberrohr
(9) zurück
fällt.
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Dieses
Zurückfallen
des Wassers erhöht
den Druck im Druckluftheber und erzeugt an der Ansaugöffnung,
des Ansaugrohres (16), kurzzeitig einen Gegenstrom, welcher
Verwirbelungen und Strömungswalzen
(12) erzeugen kann. Besonders nachteilig ist der so dargestellte
gleichzeitige Betrieb von Klarwasserheber (7) und Überschussschlammheber
(8), da hierbei die nach der Absetzphase, sich am Boden
abgesetzten Bakterienschicht (21), vom Überschussschlammheber (8)
in einer gewissen Höhe
von dessen Ansaugöffnung
(11) nicht nur angesaugt, sondern auch aufgewirbelt und
durch die Strömungswalzen
(12), in den darüber
liegenden Klarwasserbereich gelangen und somit auch nachteilig durch
den Klarwasserheber (7) in den Abfluss der Kläranlage gelangen.
Durch das Absenken des maximalen Wasserspiegels (13), auf
dem minimalen Wasserspiegel (13a) im Reaktor (14),
kommen sich die obere Klarwasserzone und die am Bodenbereich abgesetzten Bakterienzonen
sehr nahe und erhöhen
das Risiko der Vermischung, durch Verwirbelungen an den Ansaugöffnungen
(11) der Druckluftheberansaugöffnungen (7 und 8).
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In
der schematischen Darstellung erkennt man das ein Ventil (1),
welches den Tellerbelüfter
(6) über
den Drucklufterzeuger (2) mit Druckluft versorgt, immer
in Stellung „EIN” sein muss
und während
der zeitaufwendigsten Belüftungsphase
so ständig
Elektroenergie verbraucht.
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Dies
ist nachteilig, wenn die Belüftungsphase
auch stromlos gesteuert werden kann.
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In
der 2 ist ebenfalls eine SBR-Anlage (als Beispiel
einer biologischen Kläranlage)
mit Vorklärung
(5) und Reaktor (14) schematisch dargestellt, wobei
in dieser Anlage die erfindungsgemäße Vorrichtung in Form der
stoßfrei
arbeitenden Druckluftheber eingesetzt ist und eine ohne Ventilstrom
durchgeführten
Belüftung über den
Tellerlüfter
(6) im Betriebszustand erfolgt. Bei den Umschaltventilen
(18 und 19) handelt es sich um 3/2-Wegeventile, also
um Umschaltventile mit einem Zugang und zwei wechselweise offenen
Ausgängen,
bei welchen immer im stromlosen Zustand, ein Ausgang geöffnet ist.
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Die
erfindungsgemäßen Druckluftheber
(4, 7 und 8) weisen oben offene Heberrohre
(9) auf, in denen sich das aufsteigende Wasser und die
aufsteigende Luft gleichmäßig am oberen
Rohrende entspannen können,
wobei das Wasser in den jeweiligen Auffangbehälter (15) fließt. Durch
ein seitlich abgehendes Rohr am Auffangbehälter (15) wird das aufgefangene
Wasser in einem anderen Behälter oder
in den Kläranlagenabfluss
geleitet.
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Um
sicher zu gehen, dass nicht die geringsten Pumpstöße (und
vor allem der Anfangspumpstoß beim
Zuschalten der Druckluft am Heber) zur Verwirbelung an den Ansaugöffnungen
(11) führt,
ist es ebenfalls gemäß der Erfindung
wichtig, das Ansaugrohr (16) im Durchmesser größer als
das Heberrohr (9) zu gestalten. Durch das im Ansaugrohr
(16) entstandene, größere Wasservolumen
wird die Masseträgheit
gegenüber
plötzlichen
Druckveränderungen im
Heberrohr (9) wirksam und verhindert an der Ansaugöffnung (11)
die gegenläufigen
Fließströme, welche
zu den beschriebenen Verwirbelungen und Strömungswalzen (12) führen. Gemäß der Erfindung
sind zum betreiben der Vorrichtung in der SBR-Anlage (als Beispiel
einer biologischen Kläranlage)
zwei elektromechanische Umschaltventile (18 und 19) vorgesehen,
welche je einen Eingang und zwei Ausgänge aufweisen. Je ein Ausgang
ist stromlos immer geöffnet.
Die Zusammenschaltung der Umschaltventile (18 und 19)
erfolgt so, dass der stromlose offenen Ausgang des ersten Ventils
(18), welches am Drucklufterzeuger (2) angeschlossen
ist, das zweite Ventil (19) mit Druckluft versorgt und
an dessen stromlos offenen Ausgang der Tellerbelüfter (6) angeschlossen
wird. Es wird demnach kein Betätigungsstrom
an den Ventilen (18 und 19) benötigt, um
die zeitaufwendige Belüftungsphase,
ablaufen zu lassen. Nur durch Ein- und Ausschalten des Luftverdichters
(2) erfolgt die Druckluftversorgung des Tellerbelüfters (6).
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In 3 ist
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Form von Drucklufthebern (4; 7; 8)
zum Pumpen von Wasser in biologischen Kläranlagen gezeigt. Dabei sind
die Druckluftheber (4; 7; 8) in Form
eines Beschickungshebers (4), eines Überschussschlammhebers (8)
und eines Klarwasserhebers (7) ausgeführt.
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Jeder
der in 3 dargestellte Druckluftheber (4; 7; 8)
besteht aus einem nach oben offenen Heberrohr (9), an welchen
wasserdicht der Auffangbehälter
(15) mit einem seitlichen Abflussrohr befestigt ist.
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Am
unteren Ende des Heberrohres (9), kurz über dem offenen Ende, ist seitlich
ein Druckluftschlauch (16) angebracht, in welchem die Druckluft
in das Heberrohr (9) einströmen kann. Das so ausgestattete
Heberrohr (9), wird von oben in das großvolumige Ansaugrohr (15)
eingebaut. Das in sich geschlossene Ansaugrohr (16) mit
Ansaugöffnung
(11) ist am oberen Ende mit dem Ausgleichsbehälter (15) mechanisch
verbunden, so dass ein Gesamtbauteil ausgebildet ist, das in eine
SBR-Anlage (als Beispiel einer biologischen Kläranlage) einsetzbar ist.
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Das
Ansaugrohr (15) erhält
oberhalb des maximalen Wasserspiegels eine Entlüftungsöffnung, durch welche der Druckluftschlauch
(17) zum Anschlusspunkt des Drucklufterzeugers (2)
geführt wird.
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Beim
bestimmungsgemäßen Einsatz
des Beschickungshebers (4), des Überschussschlammhebers (8)
und des Klarwasserhebers (7) in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Einsatz
von zwei elektromagnetischen Umschaltventilen (18 und 19), welche
so angeordnet sind, dass durch deren Schaltvorgänge die Druckluftzufuhr über Druckluftschläuche (17)
zu den Drucklufthebern (4, 7 und 8) und
dem Tellerbelüfter
(6) in energiesparender Weise geregelt wird, erfolgt eine
kontinuierliche, nicht stoßartige Wasserförderung
im Heberrohr (9), so dass an der Ansaugöffnung (11) des Ansaugrohres
(16) keine Verwirbelungen im umgebenen Wasser entstehen.
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Bei
den Drucklufthebern (4, 7 und 8) ist
das Heberrohr (9) vorteilhafter Weise nach oben offen und
führt dabei
in einen darüber
befestigten, wasserdichten Auffangbehälter (15) mit seitlichen
Abflussrohr. Dabei ist das das Ansaugrohr (16) besonders vorteilhaft
großvolumiger
als das Heberrohr (9) ausgeführt und weist eine seitliche
Ansaugöffnung
(11) auf.
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Bei
den Drucklufthebern (4, 7 und 8) ist
in das nach unten geschlossene Ansaugrohr (16) durch die
obige Rohröffnung
und das Heberrohr (9) mit dem Auffangbehälter (15)
so miteinander verbunden, dass die untere Öffnung der Drucklufthebern
(4, 7 und 8) freibleibend am Boden des
Ansaugrohres (16) endet und die obere Rohröffnung des
Ansaugrohres (16) [mit seiner seitlichen Ansaugöffnung (11)]
mit dem darin befindlichen Heberrohr (9) und dem darüber befindlichen
Auffangbehälter
(15) eine Einheit bildet.
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Vorteilhaft
besitzt das Ansaugrohr (16) oberhalb des maximalen Wasserspiegels
(13) eine seitliche Entlüftungsöffnung, durch welche ein Druckluftschlauch
(17) geführt
wird, welcher kurz über
dem unteren Rohrende des Heberrohres (9), an diesem befestigt
ist, dabei in dieses mündet
und im Betriebszustand die am anderen Druckluftschlauchende erzeugte
Druckluft dort einströmen
lässt.
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Die
beiden elektromagnetischen Ventile sind gemäß der Erfindung als Einwegeschaltventile
in Form zweier schaltbarer Umschaltventile (18 und 19) ausgeführt, die
in Reihenschaltung pneumatisch so miteinander verbunden sind, dass über dem
stromlos offenen Ausgang des Umschaltventils (18) das zweite
Umschaltventil (19) mit Druckluft versorgt wird und der
stromlos offene Ausgang des zweiten Umschaltventil (19) über eine
Schlauchleitung, den Tellerbelüfter
(6) mit Druckluft versorgt, so dass ohne Schaltströme der Umschaltventile
(18 und 19) nur durch Ein- und Ausschalten des
Drucklufterzeugers (2) der Tellerbelüfter betrieben wird und am
stromlos geschlossenen zweiten Ausgang der Umschaltventile (18 und 19)
jeweils der Beschickungsheber (4) oder die parallel betriebenen
Klarwasserheber (7) und Überschussschlammheber (8) über Druckluftschläuche (17)
pneumatisch wahlweise angeschlossen werden können. Dazu können alle
in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen
und den nachfolgenden Ansprüchen
dargestellten Merkmale können sowohl
einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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Vorteilhaft
trägt der
Auffangbehälter
(15) einen Schaltschrank (22) mit den Einbauten
der Betriebs-, Steuer-, und Regelkomponenten einer biologischen
Kläranlage
inklusive eines Luftverdichters, wobei dieser fassartig mit weiter Öffnung und
abnehmbaren Deckel zum Verschließen ausgebildet sein kann,
wobei der Schaltschrank (22) eine Lufteintrittsöffnung für den Luftverdichter
aufweist. Dabei fungiert der Druckluftheber (4; 7; 8)
als Tragorgan.
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- 1
- Ventil
(elektromagnetisches Einwegeschaltventil)
- 2
- Verdichter
(Drucklufterzeuger)
- 3
- Steuerung
(elektrisch/elektronische Steuerung)
- 4
- Beschickungsheber
(Druckluftheber)
- 5
- Vorklärung (Vorklärbehälter)
- 6
- Tellerbelüfter
- 7
- Klarwasserheber
(Druckluftheber)
- 8
- Überschussschlammheber
(Druckluftheber)
- 9
- Heberrohr
- 10
- Rohrwinkel
- 11
- Ansaugöffnung
- 12
- Strömungswalze
(Wasserwalze)
- 13
- oberer
maximaler Wasserstand
- 13a
- unterer
minimaler Wasserstand
- 14
- Reaktor
(Reaktorbehälter)
- 15
- Auffangbehälter
- 16
- Ansaugrohr
- 17
- Druckluftschlauch
- 18
- erstes
Umschaltventil
- 19
- zweites
Umschaltventil
- 20
- Rohrhalterung
- 21
- Bakterienschicht
- 22
- Schaltschrank