DE2307328A1

DE2307328A1 - Belueftungsverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE2307328A1
Application number: DE19732307328
Authority: DE
Inventors: David Di Gregorio; Gerald Lynwood Shell
Original assignee: Envirotech Corp
Current assignee: Envirotech Corp
Priority date: 1972-02-16
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1973-08-30
Also published as: AU468004B2; AU5116973A; IT978463B; BR7301062D0; CA972878A; US3814396A; JPS5123819B2; JPS4893148A; DE7305632U; FR2172137A1; GB1381841A; FR2172137B1

Description

Belüftungsverfahren und -vorrichtung (Priorität: 16. Februar 1972, USA, Nr. 226 855)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mechanischen Einleitung von Sauerstoff in eine Flüssigkeit, insbesondere eine eingetauchte Belüftungsvorrichtung, die zur Belüftung von in einem Bassin einer Abwasseraufbereitungsanlage befindlichen Wasser geeignet ist.

Zur biologischen Renigung erfolgt bei verschiedenen Verfahren, bei denen Sauerstoff in Abwasser oder andere Flüssigkeiten eingeleitet wird, eine Belüftung. Für die Belüftung von Abwasser gibt es drei Grundtypen von Belüftungsanlagen, nämlich Luftdiffusionseinheiten mit beispielsweise porösen Medien wie einem gesinterten Rohr, durch die die Luft in die verschmutzte Flüssigkeit entweicht; Oberflächenbelüftungseinheiten, bei denen die Sauerstoffeinleitung durch hohe Oberflächenturbulenzen und durch Versprühen der Flüssigkeit erreicht wird} und eintauchende Belüftungssysterne, bei denen die Luft unterhalb der rotierenden Blätter eines im wesentlichen eingetauchten Flügelrads entweicht. Die vorliegende Erfindung richtet sich hauptsächlich auf eintauchende Belüftungsvorrichtungen.

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Herkömmlicherweise pumpt ein eingetauchtes Flügelrad die Flüssigkeit in Radialrichtung und nach oben. Unterhalb des Turbi*-. nenlaufrades befindet sich ein Aufgußapparat oder eine ähnliche Einrichtung, durch die ein gleichmäßig verteilter Luftstrom aus einer entfernt angeordneten Druckquelle in die Flüssigkeit entweicht. Das Flügelrad ist ausreichend tief eingetaucht, um die Flüssigkeit gleichmäßig vom Boden des die Flüssigkeit enthaltenden Behälters abzuziehen. Die aufsteigenden Luftblasen werden durch die sich bewegenden Flügel des Flügelrades zerschnitten und gleichzeitig in die ansteigende Flüssigkeit gemischt. Das sich ergebende Gemisch aus Luftblasen und Flüssigkeit steigt zur Flüssigkeitsoberfläche. Während dieser Zeit erfolgt die Oxidierung. An. der Oberfläehe platzen die Luftblasen und die enthaltene Luft entweicht zur Atmosphäre .Die Aufwärtsströmung des Geiaischs ergibt sich durch das Flügelrad einerseits und den Auftrieb der Luftbläschen andererseits. Die bekannten Flügelräder schneiden also die Luftblasen, die durch, die umlaufenden Flügelblätter aufsteigen und sie mischen die Luftblasen mit der Flüssigkeit.

Die Sauerstoffeinleitung oder -Versetzung in eine Flüssigkeit ist direkt proportional der Oberfläche der mit der Flüssigkeit gemischten Luftblasen, das heißt, der wirksamen Grenzfläche der Einleitung oder Übertragung. Mit anderen Worten, bei verringerter Größe der in die Flüssigkeit gemischten Luftbläschen wird ein höherer Anteil einer gegebenen Luftmenge in der Flüssigkeit * ^.ös^J~ Bei bekannten^ Konstruktionen wurde versucht, das Pumpen der FlüSi, keit und die Trennung der Bläschen zu optimieren.

Die bekannten, aufwärtspumpenden Flügelräder pumpen ein sehr heterogenes .Gemisch aus Luftblasen und Flüssigkeit. Die Größe der Luftblasen ist ungleichmäßig und sie werden nicht gleichmäßig verteilt. Durch die Ungleichmäßigkeit der Mischung können sich zerstörende Unwucht en und Vibrationen am Flügelrad und am Antriebssystem ergeben.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingetauchte Belüftungsvorrichtung mit verbesserter Oxidationswirksamkeit zu schaffen, die eine geringere Leistung benötigt als bisher bekannte Vorrichtungen dieser Art, die hydrodynamisch stabil ist, bei der die Verweilzeit für die luft erhöht ist und die wirksam in geringerer Tiefe als bekannte, eingetauchte Belüftungsvorrichtungen wirksam arbeiten kann und bei der sich weiterhin eine hinreichende Mischung ergibt.

. Die erfindungsgemäße Belüftungsvorrichtung ist oberhalb eines Lufteinlasses in die zu behandelnde Flüssigkeit eingetaucht. Die Vorrichtung enthält einen nichtfördemden Bläschen-Trennmechanismus, der am eingetauchten Ende einer vertikalen Welle befestigt und mit dieser drehbar ist. Ein eine axiale Strömung hervorrufendes Flügelrad ist oberhalb des Trennmechanismus an der Welle, ebenfalls mit dieser drehbar, befestigt. Erfindungsgemäß treibt das Flügelrad die Flüssigkeit nach unten am Trennmechanismus vorbei, so daß die hiervon ausgehenden Luftbläschen zerschnitten und mitgerissen werden. Hierdurch wird eine erhöhte Verweilzeit im unteren Teil der Flüssigkeit erreicht. Ferner ergibt sich ein zusätzlicher Kontakt zwischen den zerschnittenen Bläschen und der rezirkulierenden Flüssigkeit, bevor die Bläschen zur Flüssigkeitsoberfläche ansteigen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Trennmechanismus einen hohlen Zylinder mit offenem Boden zur Aufnahme der Bläschen aus der die Druckluft abgebenden Einrichtung, eine konzentrisch an der Welle befestigte geschlossene Oberseite und eine geschlitzte Seitenwand, durch die die Bläschen entweichen und zertrennt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können selbstverständlich auch andere Gase als Luft oder Sauerstoff in einer Flüssigkeit dispergiert werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung mit Kohlendioxid, Stickstoff oder anderen organischen Gasen arbeiten.

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Anhand der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Aus-führungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden: näher erläutert.. Es zeigen: ,

Fig. 1 die seitliche Schnittansicht eines, die erfindungsgamäße Belüftungsvorrichtung enthaltenden Tanks, wobei einige Teile in. Draufsicht dargestellt sind;

Fig. 2 die vergrößerte: perspektivische. Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Belüftungsvorrichtung, wobei ein Teil der besseren Übersichtlichkeit halber weggeschnitten, ist; und Fig. 3 die perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der in Fig. 2 allgemein gezeigten Vorrichtung;..

¹ Fig. 1 zeigt ein typisches kreisförmiges Becken mit einer im allgemeinen aufrechtstehenden Seitenwand 11 und einem im wesentlichen flachen Boden 12. Das Becken ist bis zu einer gewählten Höhe mit der zu belüftenden Flüssigkeit gefüllt. Zur Einleitung der zu behandelnden Flüssigkeit ist das Becken mit einem Rohr 16 versehen. Es enthält ferner ein Wehr 17, über das die auszutragende Flüssigkeit in'einen Umf angskanal fließt, um über ein Rohr 18 ausgetragen zu werden. Ein insgesamt mit 21 bezeichneter Lageraufbau überspannt das Becken. Er besteht beispielsweise aus: einer Fachwerk- oder Trägerkonstruktion.

An dem Lageraufbau ist im allgemeinen in der Mitte des Beckens ein Antrieb 23 befestigt, der einen mit einem Getriebe und einer Kupplung (nicht gezeigt) versehenen Motor enthält. Der Motor treibt über die Kupplung eine: nach unten stehende Welle 26 um ihre Längsachse. Ein in Fig. 1 insgesamt mit 28 bezeichneter Flügelrad- und TrennmechaÄsmus ist am unteren, eingetauchten Ende der Welle 26 mit dieser drehbar irerbunden. Aus einer Druckluft— quelle, beispielsweise einem herkömmlichen;, nicht gezeigten Gebläse, das außerhalb des Beßkens angeordnet ist, führt ein Rohr 29 Druckluft zu, die unterhalb des Trennmechniasmus 28 am Ende 31 des Rohrs in die Flüssigkeit: entweicht. Alternativ kann die Drucfc-

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luft dur.ch eine geeignete, koaxial in der Welle 26 "befindliche Leitung zugeführt werden, so daß sie vom unteren Ende der Welle entweicht.

Der Trennmechanismus 28 enthält ein pumpendes Flügelrad 32, das am unteren Teil der Welle 26 befestigt ist und die Flüssigkeit axial zur Welle fördert. Der Trennmechanismus 28 enthält ferner einen Trennzylinder 34, der an der Welle 26 unterhalb des Flügelrades und konzentrisch zu diesem befestigt ist. Der Trennzylinder (Fig. 2) ist hohl. Seine Unterseite ist offen und seine Oberseite durch eine Abdeckung 37 geschlossen, die an der Welle 26 befestigt ist. Die Seitenwand des Zylinders besteht aus vertikalen, in gleichen Abständen zueinander angeordneten, dünnen Trenn- oder Scherplatten 38, die zusammen eine geschlitzte Seitenwand ergeben, die konzentrisch zur Welle und mit dieser drehbar angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Scherplatten gerade und tangential zur Drehrichtung des Zylinders befestigt.

Am unteren Ende der Scherplatten 38 ist ein Ring 39 befestigt, der die notwendige konstruktive Festigkeit ergibt. Wichtiger ist, daß der Ring ferner die gesamte eingetauchte Belüftungsvorrichtung hydrodynamisch stabilisiert und Kreiselwirkungen bei hohen Umlaufgeschwindigkeiten verhindert. Hierdurch werden die auf den Mechanismus 28 und den Antrieb 23 wirkenden zerstörenden Kräfte auf das mögliche Minimum abgesenkt.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 befindet sich das

Flügelrad 32 auf der Welle oberhalb des Trennzylinders. Es ent-»

41 hält eine auf die Welle 26 gesetzte Nabe und mehrere radial nach außen ragende Flügel 42. Die Flügel sind so bemessen und angeordnet, daß die axial nach unten zum Boden des Beckens gerichtete Förderung maximal ist. In der Praxis sind die Flügel um 45 gegen-

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über der Horizontalen verdreht. Statt der in Fig. 2 gezeigten Flügel können auch propellerartige Flügel verwendet werden, die radial gerichtet und um ein geeignetes Maß verdreht sind.

Der gemäß Fig. 3 abgewandelte Trenn- und Fördermechanismus 28 enthält einen Trennzylinder 43., der im wesentlichen ebenso aufgebaut ist, wie der Trennzylinder 34 der Fig. 2. Bei dieser Ausführungsform ist die· Seitenwand des Trennzylinders 43 vertikal geschlitzt, so daß die Trennplatten 46 aus gekrümmten Abschnitten der Seitenwand bestehen. Die Zylinder-Seitenwand wird im folgenden als "geschlitzt"bezeichnet, wobei beide Ausführangsfprmen der Fig. 2 und 3 gemeint sind. Am oberen Deckel 49 des Zylinders sind beispielsweise mittels Winkeln 48 Flügel 47 befestigt. Der Deckel 49 ist seinerseits wie im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel starr an der Umlaufwelle 26 befestigt. In der Fig. sind zwar nur zwei Flügel gezeigt, es können jedoch auch mehr verwendet werden. Die Flügel 47 beginnen praktisch am Umfang des frennzylinders und ragen von diesem radial nach außen. Da nur eine geringe Flügelfläche direkt oberhalb des Deckels 49 des Trennzylinöers vorhanden ist, wird praktisch nicht gegen die Oberseite des Zylinders gefördert. Ansonsten ähneln die Flügel 47 den Flügeln 42 in Fig. 2. Der Trennzylinder 43 enthält ferner einen angeformten Stabilisationsring 51, der die gleiche Stabilisierungsfunktion hat wie der Ring 39 in Fig. 2. .

Erfindungsgemäß steigen die vom Ende 31 des Luftrohrs entweichenden luftblasen in den hohlen Trennzylinder, in dem die Blasen zeitweilig gehalten werden. Von dort strömen sie radial nach außen durch die Seitenschlitze des Zylinders, wobei die Kanten der Wirbelplatten 38 oder 46 die Blasen zertrennen oder zerkleinern. Die zerkleinerten Luftblasen entweichen in einem divergierenden, radial gleichmäßigen ütrom. Die Trennplatten pumpen oder fördern praktisch keine Luft von den trennenden Flügeln. Der Durchmesser der zerschnittenen Bläschen beträgt überwiegend etwa 3 bis 6,5 mm.

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Die zerschnittenen Bläschen werden gleichmäßig über dm äußeren Umfang des umlaufenden Zylinders verteilt, wo ihr Strom, bevor sie in die Flügel steigen können, von der vom Flügelrad nach unten strömenden. Flüssigkeit geschnitten, mitgerissen und mit dieser gemischt werden. Hierdurch ergibt sich ein homogenes Gemisch aus Flüssigkeit und zerschnittenen Gasbläschen, das nach unten, über den Boden 12 des Beckens, in der Nähe der Seitenwand 11 nach oben und entsprechend den Pfeilen, in Fig. 1 zurück nach unten zum Flügelrad strömt. Durch diese Strömung ergibt sich eine längere Verweilzeit für die Bläschen in der Flüssigkeit und gleichzeitig eine erhöhte Sauerstoff-Übertragungsgeschwindigkeit. -Im Gegensatz zu herkömmlichen eingetauchten Turbinenanordnungen werden die Bläschen wenigstens einmal nach unten gepumpt, bevor sie zur Oberfläche der Flüssigkeit ansteigen. Mit anderen Worten, ein hoher Anteil der längs der Wand des Beckens aufsteigenden Luftbläschen wird in den axialen Sog des Flügelrades gesaugt und vor dem tatsächlichen Entweichen aus der Flüssigkeit rezirkuliert .

Nach dem erfindungs gemäß en Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können 30 bis 40 # des in die Flüssigkeit eingeleiteten Sauerstoffs in die Flüssigkeit übertragen werden, während die entsprechende Zahl bei bekannten Belüftungsvorrichtungen nur etwa 15 bis 20 $ beträgt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung braucht also wesentlich weniger Luft eingeleitet zu werden als bei bekannten eingetauchten Belüftungsvorrichtungen, um die gleiche Sauerstoffmenge in der Flüssigkeit zu lösen. Bei vergleichbarer Sauerstoffeinleitung oder -lösung reichen daher geringere Luftdrücke und -Volumina aus, so daß der Leistungs— verbrauch der Luft-Kompressions- und -auslaßeinrichtungen geringer ist. Obwohl die Flügelrad- und Trennanordnung die gleiche Leistung benötigt wie bekannte, eingetauchte Belüftungsvorrichtungen, ist die Ersparnis an Ausrüstungen zur Luftaufbereitung so stark, daß , der Gesamt-Leistungsverbrauch wesentlich herabgesetzt wird. Beim

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erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt der Durchsatz an gelöstem Sauerstoff etwa 1,1 bis 1,55 kg Sauerstoff pro PS-Stunde, während dieser ¥ert bei bekannten, im Handel erhältlichen Belüftungsvorriehtungen nur etwa 0,67 bis 0,76 kg Sauerstoff pro PS-Stunde beträgt. Bin weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das erfindungsgemäß, angeordnete Flügelrad in einer homogenen Flüssigkeit mit gleichmäßiger Dichte arbeitet und nicht, wie bei bekannten Belüftungsvorrichtungenj in einem heterogenen Gemisch aus Luft und Flüssigkeit, durch das zerstörende Unwucht en am Flügelrad und seinem Antrieb entstehen können. Durch die nach unten gerichtete Strömung vom Flügelrad wird ferner eine gute Mischung am Boden des Beckens erreicht.

Pat entanspräche

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

fi·/ Verfahren zur Belüftung von Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet , daß Druckluft im unteren Bereich derselben in eine Flüssigkeit eingeleitet wird, daß die eingeleitete Luft zerschnitten und in Form von Bläschen in einem divergierenden, radial gleichmäßigen Strom ausgelassen wird, und daß die Flüssigkeit gleichzeitig von oberhalb der entweichenden Bläschen nach unten gefördert wird, so daß die Bläschen zerschnitten und in der nach unten gerichteten Flüssigkeitsströmung mitgenommen werden, so daß eine die Oxidation fördernde Berührung entsteht und die Bläschen daran gehindert werden, in der Flüssigkeit unmittelbar nach oben zu steigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die ausgelassene Luft zeitweilig gespeichert und darauf gleichzeitig zerkleinert und durch eine rotierende Einrichtung ausgelassen wird.
3. Belüftungsvorrichtung, die zusammen mit einer Druckluft einleitenden Einrichtung in eine Flüssigkeit eintaucht, insbe*- sondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine drehend angetriebene, vertikale Welle (26), deren unteres Ende in die Flüssigkeit

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eintaucht, durch eine am unteren'Ende (32) der Welle befestigte und mit dieser drehbare Trenneinrichtung (34» 43) zur Aufnahme der Luft aus der Lufteinleitungseinrichtung, wobei die Trenneinrichtung die aufgenommene Luft zerteilt und die zerteilte Luft in Form von Bläschen in einem gleichmäßigen, radialen, nach außen gerichteten und im wesentlichen nicht geförderten Strom ausläßt, und durch ein oberhalb der Trenneinrichtung (34, 43) angeordnetes Axial-Flügelrad (32), das die Flüssigkeit in einem nach unten gerichteten Strom an der Trenneinrichtung vorbeiför-' dert, so daß die zerteilten Bläschen von der nach unten gerichteten Flüssigkeitsströmung geschnitten und mitgenommen werden, so daß sich eine die Oxidation fördernde Berührung ergibt und verhindert wird, daß die Bläschen unmittelbar in der Flüssigkeit nach oben steigen.
4. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Trenneinrichtung einen Zylinder mit offenem Boden und verschlossener Oberseite (49) -nthält, die an der Welle (26) befestigt ist, daß die Seitenwand (38, 39j 46, 51) des Zylindas konzentrisch zur Welle (26) angeordnet ist und vertikal verlaufende Schlitze aufweist, durch die die in den Zylinder durch den offenen Boden aus der Luft-Einleitungseinrichtung steigende Luft gleichmäßig und radial nach außen durch die Schlitze ausgelassen und dabei durch die Seitenwand zerschnitten wird.

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5. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß das Flügelrad an der geschlossenen Oberer

" seite (49) des Zylinders so "befestigt ist, daß es sich von diesem radial über die Seitenwand des Zylinders hinaus erstreckt.
6. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine angrenzend an den offenen Boden an der Seitenwand befestigte Stabilisationseinrichtung (39» 51) zur hydrodynamischen Stabilisation des Flügelrads.
7. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 31 gekennzeichnet durch eine an der Trenneinrichtung (34, 43) befestigte Stabilisationseinrichtung (39, 51) aur hydrodynamischen Stabilisation des Flügelrads.
8. Belüftungsvorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß das Axial-Flügelrad mehrere im wesentlichen vertikal verlaufende Flügel (42, 47) enthält, die gegenüber der Horizontalen verkantet sind.

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