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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Druckentspannungsflotation, umfassend
- - einen Zulauf zur Zuführung von mit Fremdstoffen beladenem Wasser,
- - einen Ablauf zur Abfuhr von aufbereitetem Wasser,
- - eine Fördereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Wasser über einen mit dem Zulauf und dem Ablauf fluidisch verbundenen Flotationsbehälter von dem Zulauf zu dem Ablauf zu fördern,
- - einer Übersättigungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, beim Betrieb der Vorrichtung dem Flotationsbehälter zugeführtes Wasser mit Gas zu übersättigen, um Gasblasen für die Druckentspannungsflotation bereitzustellen, und
- - einen Schaumablauf, um Schaum und/oder Schlamm von einer Oberfläche des beim Betrieb der Vorrichtung im Flotationsbehälter befindlichen Wassers abzuführen.
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Die Druckentspannungsflotation ist ein an sich bekanntes Verfahren zum Abtrennen von Ölen, Fetten, Schweb- und Schwimmstoffen aus Abwasser. Abwasser wird hierbei kontinuierlich einem Flotationsbehälter bzw. Reaktor zugeführt. Ein den Flotationsbehälter speisendes Rohrsystem kann auch zur Zumischung von Zusatzstoffen, insbesondere von Zusatzstoffen zur Einstellung eines pH-Wertes, von Flockungsmitteln bzw. Flockungshilfsmitteln und/oder von Schäumern bzw. Schaumstabilisatoren, dienen. Entsprechende Zusatzstoffe können dem einströmenden Abwasser automatisiert zugegeben werden, wobei eine diese Zugabe steuernde Steuereinrichtung die Zugabe beispielsweise in Abhängigkeit von erfassten Sensordaten steuern kann.
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Beispielsweise mittels einer Mehrphasenpumpe wird der Wasserstrom mit Luft übersättigt und dann, beispielsweise über eine Rezirkulation, dem Flotationsbehälter zugeführt. Durch die Luftübersättigung bilden sich im Flotationsbehälter kleine Luftblasen, die beispielsweise einen typischen Durchmesser von weniger als 100 µm aufweisen können, an die sich hydrophobe Fremdstoffe anlagern und somit aus dem Fluid ausgetragen werden und sich beispielsweise als Schaum und/oder Schlamm an der Oberfläche anlagern. Dieser Schaum und/oder Schlamm kann anschließend abgeräumt, durch Druckluft abgeblasen oder durch Schwerkraft durch einen Überlauf abgeführt werden. Der abgetragene Schaum bzw. Schlamm kann entsorgt werden und durch Abführen des im Flotationsbehälter verbleibenden Wassers kann eine hohe Reinigungsleistung erreicht werden. Beispielsweise können der CSB- und BSB5-Wert um bis zu 85% reduziert werden.
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Übliche Vorrichtungen zur Druckentspannungsflotation nutzen näherungsweise zylinderförmige Flotationsbehälter aus Metall. Dies kann nachteilig sein, wenn Flotationsbehälter nicht vor Ort aufgebaut werden sollen, sondern die Vorrichtung weitgehend vormontiert oder in einigen wenigen Teilen geliefert werden soll, da runde bzw. zylindrische Teile aufwändiger zu transportieren sind und für ein gegebenes Behältervolumen beim Transport relativ viel Raum einnehmen. In bestimmten Anwendungsgebieten, beispielsweise beim Reinigen von Abwässern aus der Öl- und Gasindustrie, können im Wasser befindliche Fremdstoffe auch korrodierend wirken, sodass die Lebenszeiten bzw. Wartungsintervalle von Flotationsbehältern aus Metall erheblich reduziert sein können.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Vorrichtung zur Druckentspannungsflotation anzugeben, die insbesondere einen verbesserten Transport von weitgehend vormontierten Komponenten der Vorrichtung zum Einsatzort ermöglicht und/oder die auch bei aggressiven Fremdstoffen im Fluid einen geringen Verschleiß aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Druckentspannungsflotation der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Flotationsbehälter ein Becken aus einem Kunststoff mit einer rechteckigen Grundfläche ist oder umfasst, das in einem Container, insbesondere in einem ISO-Container, aufgenommen ist.
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Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Integration des Flotationsbehälters in einen Container, insbesondere in einen ISO-Container, ist der Flotationsbehälter sehr gut transportierbar und kann wie übliche Container gehandhabt werden. Durch die Nutzung von Kunststoff als Material kann der Flotationsbehälter zudem sehr korrosionsbeständig ein. Dies ermöglicht es zum einen, die eingangs genannten relativ aggressiven Abwässer, wie sie beispielsweise im Bereich der Öl- bzw. Gasverarbeitung auftreten können, nahezu verschleißfrei zu handhaben. Durch die höhere Korrosionsbeständigkeit des Flotationsbehältermaterials wird es jedoch ergänzend oder alternativ auch möglich, aggressivere Gase im Rahmen der Druckentspannungsflotation zu nutzen, also beispielsweise eine genutzte Luft mit Ozon anzureichern oder sogar ausschließlich Ozon als Gas zu nutzen. Hierdurch können neben dem üblichen Entfernen von Ölen, Fetten, Schmier- und Schwimmstoffen auch oxidierbare Spurenstoffe und Keime oxidiert und somit zerstört und anschließend durch die Druckentspannungsflotation aus dem Wasser ausgebracht werden.
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Problematisch bei der Nutzung von Kunststoff als Flotationsbehältermaterial ist zunächst, dass für Flotationsbehälter typischerweise relativ große Abmessungen, also beispielsweise Längen und Breiten von mehreren Metern und auch Füllhöhen von mehr als einem Meter genutzt werden sollen, um hohe Wasserdurchsätze zu erreichen. Dies führt jedoch dazu, dass sich während des Betriebs der Vorrichtung mehrere Tonnen Wasser in dem Becken befinden können. Ein eigenstabiles Kunststoffbecken, das mehrere Tonnen Wasser aufnehmen kann, erfordert jedoch hohe Materialstärken und die Nutzung von relativ harten Kunststoffen, wodurch wiederum eine Sprödigkeit bzw. schlechtere Korrosionsbeständigkeit resultieren kann. Dies Problematik wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch vermieden, dass der Flotationsbehälter eine rechteckige Grundfläche aufweist und in einem, vorzugsweise ebenfalls rechteckigen, Container angeordnet ist. Hierdurch können zumindest Teile der Seitenwände des Flotationsbehälters durch die Containerseitenwände, die beispielsweise aus Metall sein können, gestützt werden. Es kann somit ausreichend sein, relativ geringe Wandstärken für den Flotationsbehälter zu nutzen, da die tatsächliche Abstützung des Wassergewichts durch den Container erfolgt.
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Die rechteckige Grundfläche des Flotationsbehälters und die Anordnung in einem Container ist zudem besonders vorteilhaft für den Transport des Flotationsbehälters, wenn dieser vor dem Aufbau der Vorrichtung an einem anderen Ort vormontiert werden soll. Wird als Container beispielsweise ein üblicher Schiffs- bzw. ISO-Container genutzt, kann der Container unmittelbar verfrachtet und gehandhabt werden. Durch die rechteckige Grundform des Flotationsbehälters wird zudem die Innenfläche eines solchen Containers optimal ausgenutzt, wodurch auch großvolumige Flotationsbehälter mit geringem Aufwand transportiert werden können.
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Die Vorrichtung kann insbesondere eine Mischstufe bzw. Mischstrecke aufweisen, in der dem mit Fremdstoffen beladenem Wasser Stoffe zur Fällung, Flockung oder Emulsionsspaltung zugesetzt werden können. Das mit Gas übersättigte Wasser kann anschließend vor der Zuführung des mit Fremdstoffen beladenen Wassers in den Flotationsbehälter zugeführt werden. Wie bereits eingangs erwähnt, kann der Flotationsbehälter auch als Reaktor bezeichnet werden, da sich dort hydrophobe Fremdstoffe bzw. Fremdstoffcluster an aufsteigende Gasblasen anlagern und somit als Schaum und/oder Schlamm aus dem Wasser separiert werden. Zudem können dort auch weitere Prozesse ablaufen, beispielsweise Fällungsprozesse, insbesondere von Metall- bzw. Schwermetallhydroxiden, und/oder Flockungsprozesse.
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Wie bereits eingangs erwähnt, können dem fremdstoffbeladenen Wasser vor der Führung in den Flotationsbehälter weitere Zusatzstoffe zugesetzt werden. Beispielsweise kann ein Mittel zur pH-Einstellung, insbesondere zur Erhöhung der OH--Konzentration, zugefügt werden. Ein basisches Milieu kann die Ausfällung von Metall- bzw. Schwermetallionen als Hydroxide unterstützen. Zur pH-Einstellung kann beispielsweise eine Natronlauge genutzt werden. Ergänzend oder alternativ können Flockungsmittel beigesetzt werden, um die Entfernung von Fremdstoffen zu unterstützen. Ein übliches Flockungsmittel ist beispielsweise Eisenchlorid. Als Flockungsmittel können ergänzend oder alternativ auch Polymere zugesetzt werden. Durch Zusatz von Polymeren können insbesondere kleine Flocken zu größeren Flocken zusammengeführt werden. Hierzu genutzte Zusätze werden auch als Flockungshilfsmittel bezeichnet. Um die Ansammlung der Fremdstoffe an der Oberfläche zu unterstützen, können optional auch Schäumungsmittel bzw. Schaumstabilisatoren beigesetzt werden, beispielsweise Alkohole oder Polyglykole.
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Die Übersättigungseinrichtung kann Wasser, insbesondere bereits aufbereitetes Wasser, mit Gas anreichern, indem Gas und Wasser bei einem Überdruck von beispielsweise 5 - 6 bar gemeinsam geführt bzw. durchmischt werden. Durch eine Druckreduzierung, beispielsweise über ein Druckhalteventil, auf einen geringeren Überdruck von beispielsweise 0,15 bar, wird vorübergehend eine Gasübersättigung des Wassers und somit eine Ausbildung von Luftblasen erreicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann derart eingerichtet sein, dass bei ihrem Betrieb der Flotationsbehälter bzw. jeder von mehreren Flotationsbehältern jeweils mit 50 bis 300 m3/h an Abwasser beschickt wird. Um einen ausreichenden Durchsatz zu ermöglichen, können relativ große Grundflächen mit einer Seitenlänge von beispielsweise mehr als zwei oder mehr als drei Meter genutzt werden. Durch entsprechend große Grundflächen werden auch Randeffekte, also beispielsweise geringere Gasblasenkonzentrationen in Eckbereichen des rechteckigen Flotationsbehälters, weniger relevant. Durch eine Wahl einer hinreichend großen Grundfläche bzw. durch später noch genauer erläuterte geeignete Gestaltungen des Innenraums des Flotationsbehälters kann somit auch bei Nutzung eines rechteckigen Flotationsbehälters eine ähnlich geringe Schlammablagerung im Flotationsbehälter erreicht werden, wie dies auch bei zylinderförmigen Flotationsbehältern der Fall wäre.
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Die Vorrichtung kann eine Steuereinrichtung umfassen, um die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung zu steuern. Diese kann insbesondere die Fördereinrichtung und die Übersättigungseinrichtung steuern, jedoch auch Pumpen, Ventile, Fördereinrichtungen und Ähnliches. Insbesondere können verschiedene Messgrößen, beispielsweise Drücke, pH-Werte, Temperaturen etc. an verschiedenen Positionen in der Vorrichtung gemessen und zur Steuerung herangezogen werden. Abgesehen von einem gelegentlichen Nachfüllen von Verbrauchsmaterialien, beispielsweise von Flockungsmitteln, beispielsweise Polymeren, kann die Vorrichtung somit vollständig automatisch und mit minimalem Wartungs- und Überwachungsaufwand betrieben werden.
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Der Flotationsbehälter kann aus Polyethylen oder Polypropylen bestehen und/oder durch Rotationsformen hergestellt sein. Die beiden genannten Kunststoffe haben sich als besonders geeignet erwiesen, insbesondere wenn eine hohe Korrosionsbeständigkeit des Flotationsbehälters gewünscht ist. Durch Rotationsformen können kleine und mittlere Serien günstig und mit geringem technischen Aufwand hergestellt werden. Hierbei kann es zunächst nachteilig erscheinen, dass beim Rotationsverfahren typischerweise nur relativ geringe Wandstärken von beispielsweise weniger als 20 mm, erreicht werden. Da in der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Flotationsbehälter jedoch durch die Seitenwände des Containers abgestützt werden kann, ist dies unproblematisch.
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Der Container kann einerseits Seitenwände aus Metall aufweisen und/oder der Container kann andererseits quaderförmig sein und als Außenmaß eine Breite zwischen 1 m und 3 m und/oder eine Höhe zwischen 2 m und 3 m und/oder eine Länge zwischen 5 m und 20 m aufweisen. Durch Nutzung von Metallwänden wird einerseits die obig erläuterte Stützung des Flotationsbehälters ermöglicht. Andererseits schützen diese den Flotationsbehälter sowohl beim Transport als auch bei der Nutzung vor äußeren Einflüssen und Beschädigungen.
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Unter einer Quaderform ist eine im Wesentlichen quaderförmige Außenform zu verstehen. Beispielsweise kann eine Außenfläche des Containers auch gewellt sein, um diesen zu versteifen oder Ähnliches. Der Container kann insbesondere ein 20 Fuß oder 40 Fuß ISO-Container sein. Solche Container weisen beispielsweise eine Länge von 6,1 m bzw. 12,2 m, eine Breite von 2,4 m und eine Höhe von 2,6 m auf, wobei die Maße näherungsweise, beispielsweise mit einer Toleranz von 10 cm, angegeben sind.
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Die Vorrichtung kann wenigstens einen weiteren Flotationsbehälter umfassen, der jeweils derart mit dem Zulauf und dem Ablauf verbunden ist, dass das Wasser beim Betrieb der Fördereinrichtung parallel durch den und den weiteren Flotationsbehälter geführt wird. Durch die Nutzung mehrerer parallel betriebener Flotationsbehälter wird gegenüber der Nutzung eines einzigen größeren Flotationsbehälters der Vorteil erreicht, dass die Vorrichtung vor Ort modular aufgebaut werden kann und somit beispielsweise leichter in Form von Einzelteilen transportiert werden kann bzw. bedarfsgerecht eine größere oder kleinere Zahl von Flotationsbehältern genutzt werden kann, um einen gewünschten Durchsatz zu erreichen. Insbesondere können Behälterzuflüsse der einzelnen Flotationsbehälter miteinander und mit dem Zulauf verbunden sein. Die Verbindung kann optional über weitere Komponenten, also beispielsweise Pumpen, Drosseln, Ventile, etc. erfolgen. Entsprechendes gilt auch für den Ablauf bzw. die Behälterabflüsse.
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Der weitere Flotationsbehälter oder wenigstens einer der weiteren Flotationsbehälter kann gemeinsam mit dem Flotationsbehälter in dem gleichen Container angeordnet sein. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, einen Flotationsbehälter mit zumindest näherungsweise quadratischer Grundfläche zu nutzen, sodass bei Nutzung von langgezogenen Containern diese mehrere nebeneinander angeordnete Flotationsbehälter umfassen können. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, in einem 20 Fuß Container zwei nebeneinander angeordnete Flotationsbehälter bzw. in einem 40 Fuß Container vier nebeneinander angeordnete Flotationsbehälter zu nutzen.
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Ergänzend oder alternativ ist es möglich, dass der weitere Flotationsbehälter oder wenigstens einer der weiteren Flotationsbehälter in einem weiteren Container angeordnet ist. Hierdurch kann insbesondere ein modularer Aufbau erreicht werden, bei dem jeweils einer oder mehrere Flotationsbehälter in jedem Container angeordnet sind und je nach Anzahl genutzter Flotationsbehälter beispielsweise verschieden viele Container genutzt werden können.
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Das mit Fremdstoff beladene Wasser kann dem Flotationsbehälter bei Betrieb der Fördereinrichtung über einen Behälterzufluss näherungsweise vertikal zugeführt werden, also nach oben in den Flotationsbehälter einströmen. Der Behälterzufluss kann sich in der unteren Hälfte oder vorzugweise im unteren Drittel des Flotationsbehälters befinden und kann beispielsweise durch ein offenes Rohrende gebildet sein. Ein Behälterabfluss und/oder ein Bereich, über den sich an der Oberfläche bildender Schlamm bzw. Schaum abgeführt wird, können merklich oberhalb des Behälterzuflusses angeordnet sein, sodass der Flotationsbehälter im Wesentlichen vertikal durchströmt werden kann. Dies wird auch als Airlift-Betrieb bezeichnet.
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Der Flotationsbehälter kann in einem Abschnitt des Innenraums des Flotationsbehälters in Hochrichtung, in dem ein Behälterzufluss angeordnet ist, über den dem Flotationsbehälter beim Betrieb der Vorrichtung das mit Fremdstoffen beladene Wasser zugeführt wird, eine den Behälterzufluss umlaufende Zwischenwand ausbilden oder in diesem Abschnitt kann eine den Behälterzufluss umlaufende Zwischenwand angeordnet sein, sodass der Abschnitt durch die Zwischenwand in einen den Behälterzufluss umfassenden Innenteilabschnitt und einen die Zwischenwand umgebenden Außenteilabschnitt unterteilt ist. Die Zwischenwand kann insbesondere eine Hohlzylinderform aufweisen. Sie kann auf dem Boden des Flotationsbehälters aufstehen bzw. sich nahe am Boden befinden, beispielsweise in einem Abstand von weniger als 10% der Höhe des Flotationsbehälters. Die Höhe der Zwischenwand kann beispielsweise wenigstens 20% oder wenigstens 25% die Höhe des Flotationsbehälters sein.
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Wie obig erläutert, kann das Wasser im Wesentlichen vertikal nach oben aus dem Behälterzufluss ausströmen, sodass eine Bewegung des Wassers in den Randbereichen im Wesentlichen nur oberhalb der Zwischenwand erfolgt. Somit resultiert im Bereich des Behälterzuflusses eine ähnliche Strömungsgeometrie, wie sie bei einem zylinderförmigen Flotationsbehälter resultieren würde, was besonders vorteilhaft sein kann, um Schlammablagerungen im Flotationsbehälter zu vermeiden. Zugleich kann durch die beschriebene Strömungsführung erreicht werden, dass Wasser erst nach einer weitgehenden Entfernung der Fremdstoffe in den Außenteilabschnitt gelangt, sodass das zumindest weitgehend aufbereitete Wasser aus dem Außenteilabschnitt abgeführt werden kann.
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Eine Trennwand, die in dem Flotationsbehälter angeordnet sein oder durch diesen gebildet werden kann, kann den Innenraum in einen ersten und einen zweiten Teilbereich unterteilen, die abgesehen von wenigstens einer Verbindungsleitung zumindest bis zu einer zu erwartenden Füllhöhe fluiddicht voneinander getrennt sind, wobei der Behälterzufluss in dem ersten Teilbereich und ein Behälterabfluss, über den das Wasser beim Betrieb der Vorrichtung zu dem Ablauf geführt wird, in dem zweiten Teilbereich angeordnet ist, wobei das in dem ersten Teilbereich angeordnete Ende der jeweiligen Verbindungsleitung in der unteren Hälfte oder dem unteren Drittel des Flotationsbehälters angeordnet ist und/oder in jenem Abschnitt des Flotationsbehälters in Hochrichtung angeordnet ist, über den sich die Zwischenwand erstreckt. Insbesondere kann zwischen dem in den ersten Teilbereich angeordneten Ende der Verbindungsleitung und dem Behälterzufluss die Zwischenwand angeordnet sein. Der Wasserstand beim Betrieb der Vorrichtung und die Geometrie der Trennwand können so gewählt sein, dass ein Teil der Wasseroberfläche in dem ersten und ein Teil der Wasseroberfläche in dem zweiten Teilbereich liegt. Hierbei können Gasblasen und hieran angelagerte Fremdstoffe in dem Flotationsbehälter zu jenem Teil der Wasseroberfläche aufsteigen, der in dem ersten Teilbereich liegt, sodass über diesen Teil der Wasseroberfläche der fremdstoffbeladene Schaum bzw. Schlamm abgeführt werden kann. Da das Wasser nur im unteren Teil des Flotationsbehälters, insbesondere ausschließlich im Außensteilabschnitt, in die Verbindungsleitung und somit in den zweiten Teilbereich gelangen kann, gelangt primär Wasser in den zweiten Teilbereich, aus dem Gasblasen und die hieran angebundenen Fremdstoffe bereits entwichen sind, sodass sich das aufbereitete Wasser im zweiten Teilbereich befindet, womit die Wasseroberfläche im zweiten Teilbereich im Wesentlichen frei von Schaum oder Schlamm sein kann.
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Die Vorrichtung kann wenigstens einen Aktor aufweisen, durch den das in dem zweiten Teilbereich angeordnete Ende der Verbindungsleitung oder wenigstens einer der Verbindungsleitungen in Hochrichtung verschiebbar ist. Ergänzend oder alternativ kann an die Verbindungsleitung oder wenigstens eine der Verbindungsleitungen durch ein Sperrmittel versperrbar sein. Wird bzw. werden bei gleicher einströmender Wassermenge wenigstens eine der Verbindungsleitungen, vorzugsweise alle Verbindungsleitungen, durch ein jeweiliges Sperrmittel gesperrt, so führt dies zu einem Rückstauen des Wassers im ersten Teilbereich und somit zu einem Anstieg der Wasseroberfläche im ersten Teilbereich, wodurch auch eine auf dieser Oberfläche befindliche Schaum- bzw. Schlammschicht angehoben wird. Dies kann vorteilhaft sein, um gezielt ein gelegentliches Überlaufen des ersten Teilbereiches über den Schaumablauf und somit eine verbesserte Abfuhr von Schaum bzw. Schlamm zu erreichen.
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Eine Verstellbarkeit des im zweiten Teilbereich angeordneten Endes der Verbindungsleitung kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn der Behälterabfluss auf einer Höhe unterhalb des oberen Endes der Verbindungsleitung angeordnet ist und sich der erste Teilbereich über diese Höhe hinaus erstreckt, sodass die Höhe des oberen Endes der Verbindungsleitung im zweiten Teilbereich den Wasserstand im ersten Teilbereich vorgibt, solange diese Teilbereiche über wenigstens eine Verbindungsleitung verbunden sind. Ist nun ein Schaumablauf, über den an der Wasseroberfläche im ersten Teilbereich gebildeter Schaum und/oder Schlamm abgeführt wird, oberhalb des Endes der Verbindungsleitung angeordnet, entspricht die Schaum- bzw. Schlammdicke im Wesentlichen dem Höhenunterschied zwischen dem oberen Ende der Verbindungsleitung und dem Zufluss des Schaumablaufs. Somit kann es durch eine Höhenverstellung des Endes der Verbindungsleitung möglich sein, eine Schaum- bzw. Schlammdicke einzustellen und somit insbesondere auch eine Restfeuchtigkeit des über den Schaumablauf abgeführten Schaums und/oder Schlamms einzustellen. Hierüber kann es unter Umständen möglich sein, auf ein nachfolgendes Trocknen oder Komprimieren des abgeführten Schaums bzw. Schlamms zu verzichten.
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Die Verlagerung des im zweiten Teilbereich angeordneten Endes der Verbindungsleitung durch den Aktor kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die gesamte Verbindungsleitung verschoben wird oder dass die Verbindungsleitung teleskopartig ein- bzw. ausgefahren wird.
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Die Übersättigungseinrichtung kann eine, insbesondere mäandernd geführte, Rohrleitung mit einer Länge von wenigstens 5 m oder 10 m umfassen, durch die beim Betrieb der Vorrichtung ein Gas-Wassergemisch bei einem Überdruck von wenigstens 3 bar vor einer Entspannung auf einen geringeren Druck zur Bereitstellung des mit Gas übersättigten Wassers geführt wird. Dies ist vorteilhaft, da auch bei hohen Drücken eine ausreichende Gasaufnahme durch das Wasser erst mit einer gewissen Standzeit erreicht wird. Prinzipiell wäre es möglich, eine solche Standzeit durch ein Verweilen des Wassers in einem Pufferbehälter zu erreichen. Soll jedoch in der Vorrichtung eine kontinuierliche Wasserverarbeitung erreicht werden, wären hierzu relativ aufwändige technische Maßnahmen, beispielsweise eine Nutzung von mehreren abwechselnd genutzten Pufferbehältern, erforderlich. Vorteilhaft kann somit stattdessen eine relativ lange Rohrleitung genutzt werden, um eine ausreichende Verweildauer des Gas-Wassergemischs auf hohem Druck zu erreichen.
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Wie später noch im Rahmen der Ausführungsbeispiele diskutiert werden wird, kann die Vorrichtung beispielsweise vollständig in mehrere Container, insbesondere in mehrere ISO-Container, integriert werden, wobei nur Teile dieser Container einen oder mehrere Flotationsbehälter aufnehmen. Ein verbleibender bzw. wenigstens einer der verbleibenden Container kann weitere Komponenten, beispielsweise die Fördereinrichtung, eine Steuereinrichtung zur Steuerung der diversen Komponenten, Zuführmittel zur Zuführung von Zusatzstoffen usw. umfassen. Hierbei steht in einem solchen weiteren Container häufig ausreichender Bauraum zur Verfügung, um dort eine entsprechende mäandere Rohrleitung anzuordnen.
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Der Behälterabfluss des Flotationsbehälters kann derart mit dem Ablauf der Vorrichtung und der Übersättigungseinrichtung verbunden sein, dass beim Betrieb der Vorrichtung ein Teil des über den Behälterabfluss ablaufenden Wassers der Übersättigungseinrichtung zugeführt wird, um es mit Gas anzureichern, und der verbleibende Teil des ablaufenden Wassers dem Ablauf der Vorrichtung zugeführt wird. Durch das beschriebene Vorgehen kann die Bereitstellung von mit Gas übersättigtem Wasser mit geringem technischen Aufwand implementiert werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckentspan n u ngsflotation,
- 2 eine geschnittene Ansicht des in der 1 genutzten Flotationsbehälters, und
- 3 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckentspannungsflotation, in dem mehrere parallele genutzte Flotationsbehälter verwendet werden.
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1 zeigt schematisch die fluidische Verschaltung verschiedener Komponenten einer Vorrichtung 1 zur Druckentspannungsflotation. Da der Schwerpunkt des vorliegenden Dokuments auf der Ausgestaltung des Flotationsbehälters 5 selbst liegt, die später noch im Detail mit Bezug auf 2 erläutert werden wird, sind in 1 nur ausgewählte weitere Komponenten dargestellt, die zum Verständnis der Druckentspannungsflotation wesentlich erscheinen. Eine Steuereinrichtung zur Steuerung der verschiedenen Komponenten, zur Überwachung der Druckentspannungsflotation genutzte Sensoren, vorhandene Ventile oder Verbinder, die zwischen verschiedene Einrichtungen geschaltet werden können, Fördereinrichtungen zur Förderung der verschiedenen zuführbaren Zusatzstoffe usw. sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt.
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Die Vorrichtung 1 umfasst einen Zulauf 2 zur Zuführung von mit Fremdstoffen beladenem Wasser, einen Ablauf 3 zur Abfuhr von aufbereitetem Wasser, eine Fördereinrichtung 4, die dazu eingerichtet ist, das Wasser über einen mit dem Zulauf 2 und dem Ablauf 3 fluidisch verbundenen Flotationsbehälter 5 von dem Zulauf 2 zu dem Ablauf 3 zu fördern, eine Übersättigungseinrichtung 8 zur Bereitstellung von mit Gas übersättigtem Wasser und einen Schaumablauf 6. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird zugeführtes Wasser 2 über einen Pufferbehälter 9 zugeführt, wodurch ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung 1 begünstigt werden kann. Die Fördereinrichtung 4, die beispielsweise als verstopfungsfreie Hohlraumpumpe ausgebildet sein kann, führt das fremdstoffbeladene Wasser zunächst einer Mischstufe 10 zu, in der aus Vorratsbehältern 11, 12, 13 Zusatzstoffe beigemischt werden.
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Beispielsweise kann aus dem Vorratsbehälter 11 Natronlauge zudosiert werden, um den pH-Wert des Wassers einzustellen. Das Einstellen eines basischen Milieus kann beispielsweise zweckmäßig sein, um die Ausfällung von Metallhydriden zu unterstützen. Aus dem Vorratsbehälter 12 kann Flockungsmittel, beispielsweise Eisenchlorid, zugeführt werden. Der Vorratsbehälter 13 kann beispielsweise ein Polymer bereitstellen, das die Flockung weiter unterstützt. Optional könnten zusätzlich weitere Zusatzstoffe zugeführt werden, z.B. zur Unterstützung der Schaumbildung bzw. zur Schaumstabilisierung. Den Vorratsbehältern 11, 12, 13 können nicht gezeigte Förder- bzw. Dosiereinrichtungen zugeordnet sein und/oder es kann, falls erforderlich, eine zusätzliche Wassereinspeisung vorgesehen sein, um die Zusatzstoffe zunächst in Lösung zu bringen, bevor sie der Mischstufe 10 zugeführt werden. Die Zufügung von Zusatzstoffen kann durch eine nicht gezeigte Steuereinrichtung gesteuert und durch nicht gezeigte Sensoren überwacht werden.
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Das mit Fremdstoffen beladene und den obig erläuterten Zusatzstoffen versehene Wasser wird dem Flotationsbehälter 5 gemeinsam mit mit Gas übersättigtem Wasser, das durch die Übersättigungseinrichtung 8 bereitgestellt wird, über den Behälterzufluss 14 im unteren Bereich des Flotationsbehälters 5 zugeführt. Durch die Übersättigung des durch die Übersättigungseinrichtung 8 bereitgestellten Wassers bilden sich in dem Flotationsbehälter 5, der auch als Reaktor bezeichnet werden kann, Gasblasen, an die sich hydrophobe Fremdstoffe, insbesondere aufgrund des zugesetzten Flockungsmittels resultierende Flocken, anlagern können und hierdurch als Schaum oder Schlamm an die Oberfläche des im Flotationsbehälter 5 befindlichen Wassers geführt werden. Durch einen Überlauf oder durch aktives Abräumen durch Druckluft, einen Schieber oder Ähnliches kann der sich an der Wasseroberfläche sammelnde Schaum bzw. Schlamm dem Schaumablauf 6 zugeführt werden, wodurch ein Großteil der Fremdstoffbeladung des Wassers entfernt werden kann.
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Wie später noch genauer erläutert werden wird, wird durch geeignete Ausgestaltungen des Flotationsbehälters eine im Wesentlichen vertikale Durchströmung des Flotationsbehälters 5 durch das Wasser ermöglicht und aufgearbeitetes Wasser kann über einen oberhalb des Behälterzuflusses 14 angeordneten Behälterabfluss 15 abgeführt werden. Dies wird auch als Airlift-Betrieb bezeichnet.
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Ein Großteil des über den Behälterabfluss 15 ablaufenden Wassers wird dem Ablauf 3 zugeführt, der beispielsweise mit nachgeschalteten Vorrichtungen zur weiteren Aufarbeitung des Wassers verbunden sein kann oder der das aufgearbeitete Wasser einer weiteren Verwendung zuführen oder in die Umwelt abführen kann. Ein Teil des aufgearbeiteten Wassers wird hingegen abgezweigt, um es in der Übersättigungseinrichtung 8 mit Luft oder einem anderen Gas, beispielsweise Ozon, zu übersättigen. Hierzu wird über eine Gaszufuhr 16 Gas bereitgestellt, das in einer Mischstufe 17 mit dem Wasser vermischt wird. Die Vermischung von Gas und Wasser erfolgt bei erhöhtem Druck, was beispielsweise durch eine gemeinsame Verdichtung mit Hilfe einer Mehrphasenpumpe erreicht werden kann.
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Zur Lösung einer ausreichenden Gasmenge im Wasser ist die Beibehaltung dieses erhöhten Drucks für eine gewisse Zeit, beispielsweise 1 min., erforderlich. Dies kann durch einen Vorratsbehälter in der Mischstufe 17 oder auch durch Nutzung einer hinreichend langen Rohrleitung erreicht werden. Erfolgt bei erhöhtem Druck von beispielsweise 3 - 5 bar eine weitgehende Sättigung des Wassers mit dem Gas und eine anschließende Entspannung, beispielsweise über das Druckhalteventil 18, resultiert eine Gasübersättigung des Wassers, die zu einer Bildung von Gasblasen führt, die, wie obig erläutert, zur Druckentspannungsflotation nutzbar sind.
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Der beschriebene Ansatz zur Druckentspannungsflotation ist an sich wohl bekannt. Als Flotationsbehälter 5 werden hierbei üblicherweise zylinderförmige Metallbehälter genutzt, die eine hohe Stabilität aufweisen und bei denen allenfalls eine geringe Schlammablagerung im Flotationsbehälter resultiert. Soll ein großer Flotationsbehälter genutzt werden, um große Wasserdurchsätze zu erreichen, sind entsprechende Flotationsbehälter jedoch aufgrund ihrer Form nur bedingt zum Transport geeignet und müssen typischerweise erst vor Ort hergestellt werden. Zudem kann die Nutzung von Flotationsbehälter aus Metall zu einer Verringerung der Lebenszeit der Vorrichtung führen, wenn beispielsweise stark korrodierende Abwässer, die beispielsweise in der Gas- bzw. Ölindustrie auftreten können, aufgearbeitet werden sollen.
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In der Vorrichtung 1 wird daher ein anders gestalteter Flotationsbehälter 5 genutzt, der im Folgenden mit Bezug auf die geschnittene Darstellung des Flotationsbehälters 5 in 2 näher erläutert werden soll. Der Flotationsbehälter 5 wird durch ein Becken 7 aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polyethylen oder Polypropylen, mit einer rechteckigen Grundfläche gebildet. Durch die Bildung des Beckens 7 aus Kunststoff kann dessen Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert werden.
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Um einerseits den Transport des Flotationsbehälters 5 zu erleichtern und andererseits die mechanische Stabilität des Flotationsbehälters zu verbessern, ist der Flotationsbehälter 5 in einem Container 37, insbesondere in einem ISO- bzw. Seecontainer, aufgenommen. Durch die Seitenwände 47 des Containers 37, die insbesondere aus Metall bestehen können, wird der Flotationsbehälter 5 bzw. das Becken 7 seitlich abgestützt, sodass auch bei relativ großen Flotationsbehältern 5, die beispielsweise im Betrieb mehrere Tonnen Wasser fassen können, dennoch eine ausreichende Stabilität auch dann erreicht werden kann, wenn ein relativ dünnwandiger Flotationsbehälter genutzt wird. Hierdurch wird ein geringer Materialbedarf erreicht und der Flotationsbehälter 5 kann beispielsweise durch Rotationsformen hergestellt werden, was eine Herstellung auch relativ großer Teile mit geringem technischen Aufwand und einer gleichmäßigen Wandstärke ermöglicht.
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Durch die Nutzung einer rechteckigen Grundfläche des Flotationsbehälters 5 wird, wie insbesondere später noch im weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 3 erläutert werden wird, erreicht, dass das Innenvolumen des Containers 37 im Wesentlichen vollständig durch den Flotationsbehälter 5 bzw. mehrere im gleichen Container 47 angeordnete Flotationsbehälter 5 ausgenutzt werden kann. Durch die Nutzung von Standardcontainern wird somit eine optimale Kompaktheit der Flotationsbehälter 5 bei gegebenem Innenvolumen sowohl während des Transports als auch nach Aufbau der Vorrichtung erreicht. Die Integration des Flotationsbehälters 5, bzw. in Abwandlungen der gezeigten Vorrichtung 1 auch mehrerer Flotationsbehälter, im Container ermöglicht einen modularen Aufbau der Vorrichtung, sodass diese einerseits leichter verschifft und andererseits leichter an gegebene Anforderungen vor Ort angepasst werden kann.
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In 2 erstreckt sich die Grundfläche einerseits in Querrichtung der Figur und andererseits senkrecht zur Bildebene. Es kann besonders vorteilhaft sein, eine zumindest näherungsweise quadratische Grundfläche zu nutzen. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass in einem 20 Fuß ISO-Container zwei entsprechende Flotationsbehälter nebeneinander angeordnet werden bzw. in einem 40 Fuß Container vier entsprechende Flotationsbehälter nebeneinander angeordnet werden, die dann insbesondere parallel mit aufzubereitendem Wasser beschickt werden können.
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Die Nutzung einer rechteckigen Grundfläche eines Flotationsbehälters scheint zunächst nachteilig zu sein, da in Randbereichen, insbesondere in Ecken, des Flotationsbehälters aufgrund der Wechselwirkung des Wassers bzw. der Gasblasen und der Fremdstoffe mit der Wand unter Umständen kein befriedigender Austrag der Fremdstoffe resultiert und sich somit bodenseitig Ablagerungen bzw. Schlamm bilden können. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch erkannt, dass entsprechende Randprobleme bei einer ausreichend großen Grundfläche nur verschwindend geringe Auswirkungen haben, sodass insbesondere bei einer Breite und Höhe von zumindest 2 m, wie sie beispielsweise bei einer Anpassung der Abmessungen an übliche ISO-Container ohnehin erreicht wird, effektiv keine Nachteile bezüglich des Fremdstoffaustrags aus der rechteckigen Grundform resultieren.
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Durch eine geeignete Geometrie des Innenraums des Flotationsbehälters 5 kann der Fremdstoffaustrag zudem weiter verbessert werden. Um dies zu erreichen, wird in dem in 2 gezeigten Beispiel eine Zwischenwand 19 genutzt, die sich über einen Abschnitt des Innenraums des Flotationsbehälters 5 in Hochrichtung erstreckt, in dem der Behälterzufluss 14 angeordnet ist. Der Innenraum ist somit in diesem Abschnitt in Hochrichtung in einen Innenteilabschnitt 45, in dem der Behälterzufluss 14 liegt, und einem Außenteilabschnitt 46 unterteilt. Die resultierende Strömung des Wassers ist durch die Pfeile 20 schematisch dargestellt. Der Pfad der Luftblasen bzw. der hierüber abgeführten Fremdstoffe ist durch den gestrichelten Pfeil 22 dargestellt. Die Zwischenwand 19 kann im Querschnitt senkrecht zur Bildebene der 2 beispielsweise kreisförmig oder oval sein.
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Durch die Nutzung der Zwischenwand 19 wird erreicht, dass sich in dem Außenteilabschnitt 46 im Wesentlich ausschließlich Wasser befindet, das bereits aufgearbeitet ist bzw. aus dem die Fremdstoffe bereits ausgetragen sind. Dies ermöglicht es einerseits, diesen Bereich zur Abfuhr des zumindest weitgehend aufgearbeiteten Wassers zu nutzen. Andererseits führt die gezeigte Ausgestaltung dazu, dass im Wesentlichen nur Wasser, dessen Fremdstoffgehalt bereits weitgehend reduziert ist bzw. das bereits weitgehend aufgearbeitet ist, mit den Randbereichen des Flotationsbehälters 5, insbesondere mit Ecken des Flotationsbehälters, interagiert, wodurch etwaige negative Auswirkungen einer rechteckigen Flotationsbehälterform im Wesentlichen vollständig eliminiert werden.
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Im gezeigten Beispiel steht die Zwischenwand 19 unmittelbar auf dem Boden des Flotationsbehälters 5 auf und kann insbesondere durch diesen selbst gebildet bzw. fluiddicht mit diesem verbunden sein. Hierdurch wird erreicht, dass das Wasser ausschließlich oberhalb der Oberkante der Zwischenwand 19 von dem Behälterzufluss 14 zu dem Außenteilabschnitt 46 des Behälterinnenraums gelangen kann. Die erläuterten Vorteile werden jedoch auch dann zumindest weitgehend erreicht, wenn die Zwischenwand 19 von dem Boden des Flotationsbehälters 5 beabstandet ist. Dadurch, dass das Fluid mit einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit vertikal nach oben aus dem Behälterzufluss 14 austritt, resultiert auch dann ein nahezu ausschließlicher Fluidtransport von dem Innenteilabschnitt 45 zu dem Außenteilabschnitt 46 oberhalb der Zwischenwand 19, wenn eine Lücke zwischen der Zwischenwand 19 und dem Boden des Flotationsbehälters 5 verbleibt, beispielsweise um dort Rohrleitungen durchzuführen ohne eine Abdichtung zu benötigen oder Ähnliches.
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In dem in 2 gezeigten Flotationsbehälter 5 wird zudem eine Trennwand 23 genutzt, die den Innenraum in einen ersten und einen zweiten Teilbereich 24, 25 unterteilt, die abgesehen von wenigstens einer Verbindungsleitung 26 zumindest bis zu einer erwartenden Füllhöhe 29 fluiddicht voneinander getrennt sind. Der erste Teilbereich 24 umfasst den Innenteil des Innenraums, der unterhalb der Trennwand 23 liegt, und zudem einen mittleren, nach oben offenen Bereich des Flotationsbehälters 5, in der Schaumablauf 6 vorgesehen ist, um Schaum und/oder Schlamm von der dort freiliegenden Oberfläche des im Flotationsbehälters 5 befindlichen Wassers abzuführen. Das im ersten Teilbereich 24 angeordnete Ende 21 der Verbindungsleitung 26 endet hierbei im unteren Bereich des Flotationsbehälters 5, nämlich im Außenteilabschnitt 46 und somit in einem Bereich, in dem sich bereits weitgehend aufbearbeitetes Wasser mit geringem Fremdstoffgehalt befindet.
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In dem zweiten Teilbereich 25 befindet sich einerseits das andere Ende 27 der Verbindungsleitung 26 und andererseits, unterhalb dieses Endes 27, der Behälterabfluss 15. Wird nun der Behälterabfluss 15 ausreichend groß dimensioniert bzw. weist einen ausreichend geringen Strömungswiderstand auf, dass das gesamte über die Verbindungsleitung 26 in den zweiten Teilbereich 25 geführte Wasser im Wesentlichen unmittelbar über diesen abgeführt werden kann, gibt die vertikale Position des oberen Endes 27 der Verbindungsleitung 26 auch die Höhe 31 des Wasserstandes 28 im ersten Teilbereich 24 vor, da es sich bei dem ersten Teilbereich 24 und der Verbindungsleitung 26 um verbundene Röhren handelt.
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Der Abstand dieses Wasserstandes 28 zu der Oberkante des Schaumablaufs 6 und somit zum oberen Rand der Schaum- bzw. Schlammschicht bzw. der erwarteten Füllhöhe 29 gibt die Dicke 32 der Schaum- bzw. Schlammschicht und somit auch die Feuchtigkeit des über den Schaumablauf 6 abgeführten Schaums und/oder Schlamms vor. Ist eine Abfuhr von relativ trockenem Schaum und/oder Schlamm gewünscht, können dicke Schaum- bzw. Schlammschichten gewünscht sein. Andererseits können etwas dünnere Schaum- bzw. Schlammschichten zu einer verbesserten Aufreinigung des Wassers führen. Es kann somit vorteilhaft sein, beispielsweise in Abhängigkeit von Sensordaten, die Dicke 32 der Schaum- bzw. Schlammschicht einstellen zu können. Dies ist möglich, indem ein Aktor 30 genutzt wird, der das obere Ende 27 der Verbindungsleitung 26 vertikal verschieben kann und über den somit die Höhe 31 des Wasserstandes 28 einstellbar ist. Der Aktor kann beispielsweise die gesamte Verbindungsleitung 26 verschieben oder diese teleskopartig ein- und ausfahren.
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Je nach Betriebsparametern der Vorrichtung 1 bzw. der Fremdstoffbeladung des zugeführten Wassers können Situationen auftreten, in denen Teile der Schaum- bzw. Schlammschicht z.B. relativ trocken und steif sind und somit nicht ohne weiteren Eingriff über den Schaumablauf 6 ablaufen. In diesem Fall könnte die Schaumabfuhr beispielsweise durch einen Schieber oder durch Druckluft unterstützt werden.
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Eine weitere Möglichkeit, durch technisch einfache Maßnahmen den Schaum- bzw. Schlammaustrag zu verbessern, ist es jedoch, die Höhe 31 des Wasserstandes 28 im ersten Teilbereich 24 kurzfristig über die Öffnung des Schaumablaufs 6 zu heben, sodass eine obere Wasserschicht einschließlich des darauf befindlichen Schaums und/oder Schlamms ablaufen kann. Dies könnte dadurch erreicht werden, dass das obere Ende 27 der Verbindungsleitung 26 stark angehoben wird. Es kann jedoch mechanisch einfacher sein und eine schnelle Wasserstandsänderung ermöglichen, wenn zu diesem Zweck stattdessen ein Sperrmittel 33, beispielsweise ein insbesondere aktorisch geschlossener Deckel oder ein Ventil, genutzt wird, durch das die Verbindungsleitung 26 vorübergehend sperrbar ist. Durch ein vorübergehendes Absperren der Verbindungsleitung 26 wird die Abfuhr von Wasser aus dem ersten Teilbereich 24 blockiert, sodass über den Behälterzufluss 14 nachströmendes Wasser den Wasserstand 28 kontinuierlich erhöht.
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Wie bereits erwähnt, kann die mit Bezug auf 1 und 2 beschriebene Vorrichtung 1 derart abgewandelt werden, dass statt einem einzigen Flotationsbehälter 5 mehrere Flotationsbehälter genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist schematisch in 3 dargestellt. Die dort gezeigte Vorrichtung zur Druckentspannungsflotation umfasst insgesamt vier Flotationsbehälter 5, 34, 35, 36, die über ein mit dem Zulauf 2 verbundenes Leitungssystem 41 parallel mit mit Fremdstoffen beladenem Wasser beschickt werden. Entsprechend erfolgt über das Leitungssystem 42 parallel eine Verbindung dieser Flotationsbehälter 5, 34, 35, 36 mit dem Ablauf 3, um das aufbereitete Wasser gemeinsam abzuführen. Über das Leitungssystem 43 wird ein gemeinsamer Schaumablauf 6 für alle vier Flotationsbehälter 5, 34, 35, 36 bereitgestellt.
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Die Vorrichtung ist modular aufgebaut und umfasst insgesamt drei Container 37, 38, 39, beispielsweise drei 20 Fuß ISO-Container. Zwei dieser Container 37, 38, tragen jeweils zwei der Flotationsbehälter 5, 34, 35, 36. Die einzelnen Flotationsbehälter 5, 34, 35, 36 sind durch die Seitenwände 47 der Container 37, 38 bzw. durch den jeweiligen im gleichen Container 37, 38 angeordneten weiteren Flotationsbehälter 5, 34, 35, 36 abgestützt. Wie bereits obig erläutert können somit relativ dünnwandige Flotationsbehälter 5, 34, 35, 36 aus Kunststoff genutzt werden, da die relativ große Wassermasse durch die Seitenwände 47 des jeweiligen Containers 37, 38 abgestützt wird.
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Ein weiterer Container 39 trägt die verbleibenden Komponenten der Vorrichtung zur Druckentspannungsflotation, von denen beispielhaft neben den Leitungssystemen 41, 42, 43 nur die Fördereinrichtung 4, die Steuereinrichtung 40 zur Steuerung der gesamten Vorrichtung und Komponenten zur Druckübersättigung gezeigt sind. Hierbei zeigt 3 eine Ausgestaltung der Mischstufe 17, die eine mäandere Rohrleitung 44 umfasst, die ausreichend lang ist, um hinreichende Verweilzeit des im Wesentlichen gasgesättigten Wassers bei hohem Druck sicherzustellen, bevor eine Entspannung über die Drossel 18 erfolgt.
