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Vorrichtung zur Umwälzbelüftung und Reinigung von Wasser
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwälzbelüftung und Reinigung
von Wasser insbesondere in biologischen Kläranlagen, Teichen, Seen, Flusen und dergleichen
mit Hilfe des Prinzips der Mammutpumpe.
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Der Wirkungsgrad einer biologischen Kläranlage hängt u.a.
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davon ab, daß die Mikroorganismen durch geeignete Umwälzung~ des Wassers
mit den abzubauenden Inhaltsstoffen optimal versorgt werden und daß ihnen dafür
eine geeignete Sauerstoffmenge zur Verfügung gestellt wird. Durch Einblasen von
Luft in das Wasser kann sowohl die Sauerstoffversorgung als auch eine Umwälzung
erreicht werden. Dabei kommt es für den in jedem Fall erwünschten möglichst großen
Sauerstoffertrag auf eine möglichst große Aufenthalts zeit der Luftblasen im Wasser
an.
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Bei der einfachen Beckenbelüftung werden durch die im Wasser aufsteigenden
Luftblasen sogenannte Wasserwalzen mit einer vertikal aufsteigenden hohen Wasserströmung
erzeugt. So kommt es auch bei feinblasiger Belüftung (Autstiegsgeschwindigkeit der
Luftblasen in ruhendem Wasser etwa 0,2 m/sek) zu einer mittleren Aufenthalts zeit
der Luftblasen von weniger als einer-Sekunde je Meter Einblastiefe. Die Umwälzung
des Wassers durch die Wasserwalze wirkt sich nur auf einen kleinen Raum in der Nähe
des Belüfters aus. - Die Nachteile der einfachen Beckenbelüftung können auf verschiedene
Weise behoben werden.
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Bei dem sogenannten Linienbelüfter (dt. OS Nr. 17 67 497) ist das
Prinzip des Ptalumutpumpenreaktors (bzw. Schlaufen- oder Umlautreaktors) so abgewandelt,
daß mit Hilfe eines vertikal aufgestellten Mamniutpumpenschachtes, an dessen Fuß
die Luft eingeblasen wird, eine vertikale Wasserströmung erzeugt wird, die durch
Leiteinrichtungen in einander entgegengerichtete horizontale Strömungen an der Wasseroberfläche
und an der Sohle eines Abwasserteiches umgelenkt werden, sodaß bei entsprechender
Wassertiefe ein weit größeres Wasservolumen als mit der einfachen Beckenbelüftung
ausreichend umgewälzt werden kann. Wegen der großen Striimungsgeschwindigkeit des
Wassers im vertikalen Schacht haben die Luftblasen bei diesem Belüftungsverfahren
ebenfalls eine Aufenthaltszeit von unter einer Sekunde je Meter Schachtlänge.
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Der Nachteil des geringen Sauerstoffertrags bei der einfachen Beckenbelüftung
und beim Linienbelüfter besteht nicht bei der Belüftung von horizontal fließendem
Wasser. Es ist bekannt, daß es bei einer horizontalen Strömungsgeschwindigkeit des
Wassers von über 25 cm/sek praktisch keine Wasserwalzen mehr gibt und daß der Sauerstoffertrag
wegen der verlängerten Aufenthaltszeit der Luftblasen gegenüber den oben beschriebenen
Verfahren etwa verdoppelt ist.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, das Prinzip der
Mammutpumpe für die Umwälzbelüftung von Wasser dahingehend abzuändern, daß zwar
auf der einen Seite hohe Umwälzleistungen für ein möglichst großes Wasservolumen
ermöglicht werden, daß aber auf der anderen Seite wesentlich größere Aufenthaltszeiten
für die eingeblasene Luft und damit auch größere Sauerstofferträge als mit den oben
beschriebenen Vorrichtungen erzielt werden. Darüber hinaus sollte die neue Vorrichtung
eine vereinfachte Verfahrensweise bei der biologischen Abwasserreinigung ermöglichen.-
Erfindugrsggenstand
ist eine Vorrichtung zur Umwälzbelüftung von Wasser, die eine durch Einblasen von
Luft erzeugte Manimutpumpenwirkung mit Hilfe von schachtförmig angeordneten Leitflächen
ausnutzt. Diese Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen schräg in Richtlrng zur
Wasseroberfläche aufsteigenden Schacht, dessen Abmessungen der Formel L @ Vw A @
Vg gehorchen, wobei L die Länge der unteren Leitfläche, A der vertikal gemessene
abstand zwischen unterer und oberer Leitfläche, Vw die mittlere Strömungsgeschwindigkeit
des Wassers im Schacht und Vg die mittlere Aufstie##sgeschwindigkeit der Luftblasen
im ruhenden Wasser ist, dabei reicht die obere Leitfläche im Wasser mindestens so
weit hinauf und hinab wie die untere Leitfläche, in deren Nähe sich der Luftzutritt
befindet. Dieser Mammutpumpenschacht kann mit seinem Ein-und/oder Ausströmende an
weitere schachtförmig oder kanalartig angeordnete Leitflächen, die abwärts, aufwärts
oder horizontal ausgerichtet sind, angeschlossen sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Die bevorzugten weiteren Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Nebenansprüchen
dargestellt.
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Fig. i. zeigt den vertikalen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
schräg aufsteigenden Schacht, dessen vertikale Seitenleitflächen, die einen Abstand
von wenigen Zentimetern bis zu vielen Metern haben können, hier nicht sichtbar sind.
Die untere (i) und obere (i') schräg aufsteigende Leitfläche haben einen vertikal
gemessenen Abstand (A), der in der Praxis wenigstens etwa 30 cm, im allgemeinen
etwa i m , aber je nach den Erfordernissen auch mehrere Meter betragen kann. Der
Neigungswinkel (a) ist im allgemeinen kleiner als etwa 600 und richtet sich sehr
nach der gewünschten Förder#leistung des Mammutpumpenschachtes und nach de#n -gewünschten
Sauerstoffertrag:
Die Förderleistung Xfächst mit dem Neigungswinkel, der Sauerstoffertrag nimmt ab.
Der Neigungswinkel soll daher für einen hohen Sauerstoffertrag möglichst klein sein.
Bei Neigungswinkeln unter 5° wird die Förderwirkung jedoch im allgemeinen zu klein.
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Die Länge des schrägen Schachtes (L) wird gemessen von der Luftzutrittsstelle
(2) bis zur Abströmkante (3) der unteren Leitfläche (i). Tatsächlich kann der Schacht
aber noch weiter als bis (2) hinabreichen.- Die obere Leitfläche (lot) reicht mindestens
bis zur gleichen Wassertiefe wie die untere Leitfläche (t) hinab (2') und hinauf
(3'). Ist keine andere Sperre für den Rückstrom des Wassers vorgesehen, so kann
die obere Leitfläche (1'), gegebenenfalls mit verändertem Neigungswinkel beispielsweise
nach (3") oder nach (311?), bis zur Wasseroberfläche (o) reichen.
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Bläst man bei (2) Luft ein, so wird das Wasser infolge der Mammutpumpenwirkung
im Schacht nach oben fließen ( Pfeile in Fig.1 ) und dabei eine Geschwindigkeit
erreichen, die man nach den Gesetzen der Strömungslehre berechnen kann. - Die Luftblasen
sind in den Zeichnungen punktiert angedeutet.
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Beispiel Ein etwa quadratisches Becken ( Oberfläche etwa 10.000 m²
) mit abgerundeten Ecken, mittlere Wassertiefe etwa 3 m, mit einer Trennwand in
der Mitte zu einem horizontalen Umlaufreaktor (ähnlich einem Oxidationsgraben) gestaltet,
soll mit Hilfe eines schräg aufsteigenden Mammutpumpenschachtes ausgerüste-t werden.
Dazu wird ein 50 m breiter Mammutpumpenschacht zwischen einem Ufer und der Trennwand
eingebaut. Die untere Leitfläche reicht dabei von der Beckensohle bis zu einer Wassertiefe
von-etwa 50 cm. und wird an eine Leitfläche.angeschlossen,
die wieder
zur Beckensohle herabreicht. Die obere Leitfläche reicht von 2 m Wassertiefe bis
zur Oberfläche. Mit A = 1 m, L = 4 in, Vw = 1 m/sek und Vg = 0,2 m/sek werden bei
einer Einblastiefe von 2 m und einem Neigungswinkel (a) von etwa 20° stündlich etwa
2.000 m3 Luft benötigt. Dabei wird der Beckeninhalt stündlich über 5 mal durch den
Schacht gepumpt und kann eine Sauerstoffmenge von über 100 kg (ähnlich wie bei der
Belüftung von horizontal fließendem Wasser mit der gleichen Luftmenge) aufnehmen.
- Als Fortschritt gegenüber dem heutigen Stand der Technik ergibt sich, daß bei
gegebenem Energieaufwand entweder der Sauerstoffertrag oder die Umwälzleistung zusätzlich
gewonnen wird.
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Im Umlaufbecken, in dem das Wasser mit einer mittleren horizontalen
Geschwindigkeit von über 0,3 m/sek fließt können weitere Rohrbelüfter zur Steigerung
des Sauerstoffeintrages eingesetzt werden.
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Fig. 2 zeigt im vertikalen Schnitt, wie man mehrere Mammutpumpenschächte
( 21/21', 21'/21", 21"/21"t usw.) zu einer Einheit zusammenschalten kann. - Diese
Form der Umwälzbelüftung ist beispielsweise anwendbar, wenn man trotz geringer Luft-Einblastiefe
große Förderleistungen und Sauerstofferträge in tiefen Becken erreichen will.
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Fig. 3 zeigt im horizontalen Schnitt, wie mehrere Schächte (31/31?,
32/32?, 33/33' usw.) nebeneinandergeschaltet werden können. Dabei können die vertikalen
Leitflächen (31 bis 33' usa z.B. aus Filtermaterial bestehen, so daß man aus den
Zwischenräumen (31'/32, 32?/33, 33'/34 usw.) gereinigtes Wasser abziehen kann. Da
die Filterflächen vom Wasser längs angeströmt werden, erbringen sie eine hohe Leistung.
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Fir; 4 zeigt im vertikalen Schnitt, wie man einen schrägen Mammautpumpenschacht
in einem tiefen Becken vorteilhaft an einen horizontalen Schacht (42/42' oder 43/43')
oder Kanal anschließen kann. Dabei ordnet man die Lufteinblasvorricht=lg (2) in
der Nähe der Leitfläche (42) so an, daß die Luftblasen in der Nähe der unteren Leitfläche
(41) in den.
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schrägen Mamniutpumpenscliacht (41/41?) eintreten, so daß sie in
den horizontalen Schacht oder Kanal (43/43') ebenfalls in der x na der unteren Leitfläche
(43) eintreten. Dabei gelten die Abmessungen L' @ Vw' A' Vg wobei L' und A' aus
Fig. 4 zu entnehmen sind und Vw' die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Wassers
im Schacht ist.
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Man kann den Schacht (42/42') statt horizontal auch abwärts geneigt
bauen. Bei gleicher Formel für die Abmessungen ist jedoch zu beachten, daß in diesem
Fall die eingeblasene Luft das strömende Wasser bremst.
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Bei größeren Wassertiefen ist es daher eher von Vorteil, wenn man
schräge und horizontale Schächte etwa zickzackförmig anordnet.
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Fig. 5 zeigt im vertikalen Schnitt, wie mehrere schräge Mammutpumpenschächte
(51./51', 52/52', 53/53' usw.) im Wechsel mit schräg abwärts geneigten Schächten
(51/52?, 52/53?, zu 53/5h' usw.) hintereinandergeschaltet werden können.
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So kann man in Kläranlagen, die einen hohen Sauerstoffbedarf haben,
durch das Abwärts führen eines Teiles der eingeblasenen Luft einen entsprechenden
Sauerstoffertrag erzielen.
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Bei der Belüftung von Fließgewässern kann es von Vorteil sein, wenn
man viele schräge Mammutpumpenschächte längs des Ufers, aber in einem Abstand von
diesem, hintereinanderschaltet, das Wasser unter der einen seitlichen Leitfläche
ansaugenzulassen und über die andere seitliche Leitfläche abströmenzulassen.
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Aus verfahrenstechnischen Gründen kann es zweckmäßig sein, anstelle
von Luft andere Gase (z.B. CO2, Methan, Sauerstoff) oder deren Gemische mit Luft
in das Wasser einzublasen und das nicht ausgenutzte Gas an der Wasseroberfläche
aufzufangen und erneut einzublasen.
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- Patentansprüche -
L e e r s e i t e