DE2603842C3

DE2603842C3 - Verfahren zum Begasen oder Belüften verschmutzten Wassers

Info

Publication number: DE2603842C3
Application number: DE2603842A
Authority: DE
Inventors: Guenter 8000 Muenchen Leistner; Kurt 8391 Kellberg Leistner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-02
Filing date: 1976-02-02
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE2603842A1; DE2603842B2

Description

Für das Begasen oder Belüften verschmutzten Wassers in Klärbecken, Klärte,ühen, Belüftungsbecken, Gewässern oder dgl. sind Injektoren oder Ejektpren bekannt in denen Gas odt. Luft durch einen Flüssigkeitsstrahl, wie Wasserstrahl, angesaugt und in Form von Blasen in die Flüssigkeit eingesaugt werden, wobei Gas bzw. Luft noch mit etwa dem statischen Druck der Einbringtiefe zugeführt werden kann (DE-PS 8 22 528). Dieser so erzeugte Blasen-Flüssigkeitsstrahl bewegt die zu behandelnde Flüssigkeit, wobei gleichzei- -to tig Gas bzw. Luft aus den Grenzflächen der Blasen in die Flüssigkeit diffundiert bzw. in diese eingetragen wird.

Bekannt ist auch das vollständige Diffundieren von kleinen Mengen von Gas in eine Flüssigkeit unter Druck, z. B. von '/10 Gas in "Vio Flüssigkeit bei 0,5 atü oder mehr, wobei beim Austreten durch eine Düse im Mischraum vor der Düse keine Blasen mehr vorhanden sind, nach dem Austreten in die zu behandelnde Flüssigkeit vorübergehend Gasbläschen aufschäumen können, die in der zu behandelnden Flüssigkeit wieder vergehen bzw. eindiffundieren (DE-PS 11 53 725, 12 17 343).

Während die oben erwähnten Injektoren oder Ejektoren, die einer Wasserstrahl-Luftpumpe entsprechen, einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen und die Möglichkeit des Eintragens in die Treibflüssigkeit nicht voll ausnutzen, hat das Diffundieren kleiner Mengen von Gas oder Luft in die Treibflüssigkeit oder das Treibwasser den Nachteil, daß die vorhandene Möglichkeit des zusätzlichen Lösens von Gas bzw. Luft in der t>o behandelten Flüssigkeit nicht voll ausgenutzt wird.

Es ist auch schon bekannt, bei Belüftungsvorrichtungen mit einem Mischraum auf einen Raumteil Luft 0,1 bis 2 Raumteile Wasser zuzuführen, wobei statt eines Gaskompressors eine Flüssigkeitspumpe verwendet os wird (DE-GM 69 18 620). Bei diesem Verfahren tritt der Effekt des Zerteilens von sichtbaren, unter Überspannung stehenden Gasblasen beim Austritt in

Aufgabe der Erfindung ist es, nicht nur die Aufnahmefähigkeit des dem Mischraum zugeführten Druckwassers, sondern auch die Aufnahmefähigkeit des zu behandelnden Wassers bei möglichst geringem Pumpen- und Verdichter-Aufwand bzw. aufzuwendender Energie zu verbessern sowie gleichzeitig eine starke Strömung in dem zu behandelnden Wasser zu eraeugen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der im Anspruch angegebenen Weise gelöst Erreicht wird, daß in der zu behandelnden Flüssigkeit kleine oder feine Blasen erzeugt werden, weil in der unter Druck stehenden Treibflüssigkeit befindliche, verhältnismäßig große Gasblasen, die mit unter dem Flüssigkeitsdruck stehen, beim Austreten aus einer Düse in die zu behandelnde Flüssigkeit mit geringerem Druck rasch entspannt werden und dabei zerplatzen. Die Zerteilarbeit leistet die beim Verdichten des Gases bzw. der Luft aufgewendete und als Druckgas bzw. Druckluft eingespeicherte Energie.

Das Zerteilen der verhältnismäßig großen Gasblasen in kleinere findet in der Düsenmündung statt Die sich um die Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Düsenmündung und dem Druck im zu behandelnden Wasser ausweitenden Gasblasen stützen sich dabei gegen die aus der Düse ausströmende Treibflüssigkeit und drücken gegen die behandelte Flüssigkeit Eine Luftblase stützt sich also im Treibwasser ab und drückt gegen das Ttiehwasser. Die Treibwirkung oder Druckwirkung des Treibwassers gegen das in Strömung zu versetzende oder zu haltende Teichwasser wird durch das Zerteilen der Gäsbiasen nicht vermindert, sondern erhöht.

Die im Mischraum bis zur Düse unter Druck stehende Treibflüssigkeit kann in bekannter Weise durch eine lange Leitung, Turbulenz usw. gut mit Gas, z. B. O₂, angereichert, evtl. übersättigt werden. Hierfür wird eine Teilmenge der zugeführten Gesamtmenge von Gas bzw. Luft im Mischraum entnommen. Dieses in der Treibflüssigkeit gelöste Gas bzw. Luft wird mit der Treibflüssigkeit unmittelbar in die zu behandelnde Flüssigkeit eingetragen, wo es höchstens vorübergehend in Bläschen aufschäumt, die unmittelbar danach von der behandelten Flüssigkeit wieder aufgenommen werden. Nicht diffundiertes Gas bzw. Luft bleibt in Mischraum und Düse als verhältnismäßig große Blasen erhalten und zet platzt in der Düsenmündung ebenfalls in kleinere Blasen. Die so erzeugten vielen kleinen Blasen, die der in seiner vollen Wirkung erhaltene bzw. in seiner Wirkung verstärkte Treibflüssigkeits-Strahl in die zu behandelnde Flüssigkeit mitreißt und dort verteilt, ehe sie nach längerer Strecke aufsteigen, schaffen alle Voraussetzungen für eine gute weitere oder zusätzliche Gas- bzw. Sauerstoffaufnahme der zu behandelnden Flüssigkeit mit den bekannten Vorgängen des Eindiffundierens.

Der je kWh größte Gaseintrag, z.B. größte 02-Ertrag, ergibt sich mit kleinstem Aufwand für Pumpe und Verdichter an kW. Dies ist für die Druckhöhe der Fall, die noch ausreicht, um bei großem Volumenverhältnis Luft zu Wasser (L/W) das Gas bzw. Luft noch in die Treibflüssigkeit über die Blasenbildung einzumischen und in die zu behandelnde Flüssigkeit als kleine Blasen zerplatzen zu lassen. Hierbei werden der Druck der Treibflüssigkett und das Volumenverhältnis eingebrachter Luft bzw. Gas zu eingebrachter Treibflüssigkeit getrennt oder zusammen wirksam. Mit der

Veränderung einer oder beider Einflußgrößen lassen iich die Größen der erzeugten kleineren Blasen variieren, von denen der OrErtrag mit abhängt. Ist bei 5inem Ersatzteil, z, B, einer biologischen Reinigung von \bwasser in einem Klärteich mit Umlaufströmung, eine lohe Fließwirkung des Treibwasserstrahles für das Gesamtergebnis wichtiger als der höchste Sauerstoff-Ertrag je kWh, so kann man mehr Druckwasser [Treibwasser) und weniger Druckluft nehmen.

Die Erfindung wird an Hand mehrerer in den Zeichnungen schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 das Verfahren mit Flüssigkeitspumpe und Gasverdichter,

Fig.2 die Veränderung von Flüssigkeits- und Gasdruck für F ig. 1,

F i g. 3 die 02-Aufnahme in Treib- und Teichwasser beim Verändern des zugeführten Luft/Wasser-Volumen L/W.

F i g. 1: Eine Pumpe 1 saugt beispielsweise zu behandelndes sauerstoffarmes Teichwasser 13 an und drückt es als Treibwasser 2 in einen Mischraum 3, wo dem Treibwasser 2 von einem Luftverdichter bzw. Gebläse 4 geförderte Druckluft 5 in einer Mischzone 6 zugeführt wird. Die Druckluft 5 wird hier von Null auf die Strömung des Treibwassers 2 beschleunigt, wodurch sich verhältnismäßig große Druckluftblasen 7 bilden. An den Wasserhäuten dieser Blasen 7 wandert aus der Druckluft 5 Sauerstoff ins Treibwasser 2 ein. Dieser Vorgang wiederholt sich unter ständiger Erneuerung der Wasserhäute an den Blasen auf dem ganzen Weg durch den Mischraum 3 und die Düse 8. Weglänge und Innenform des Mischraumes 3 können in bekannter Weise so ausgeführt werden, daß im Treibwasser 2 möglichst viel O2 aus den Luftblasen 7 gelöst wird. Der gewollte Überschuß an Druckluft 5 verbleibt als verhältnismäßig große Blasen 7 bis zur Düsenmündung 9, wo die Blasen 7 nochmals gedrückt und beschleunigt sowie unmittelbar danach um ihren gegenüber dem Teichwajser 13 höheren Innendruck entspannt werden.

Nach dem Austritt aus der Düsenmündung 9 trägt das als sauerstoffarm eingepumpte Treibwasser 2 inzwischen mit Sauerstoff angereichert, als mit Sauerstoff angereichertes Treibwasser 14, Sauerstoff unmittelbar ins Teichwasser 13 ein. Wie für die in der Düsenmündung 9 befindliche Einzelblase 16 dargestellt, bilden sich aus den bisherigen Druckluftblasen 7 in der Düsenmündung 9 durch Zerplatzen kleinere Blasen 11, die hier außer vom Treibwasser 14 auch von dem dort in relativ großer Menge vorhandenen Teichwasser 13 umhüllt und beim Strömen auseinandergehalten werden.

Dabei stützt sich die dargestellte, zerplatzende Einzelblase 10 gegen das aus dem Mischraum 3 ausströmende Treibwasser 2 ab und drückt gegen das ausgestoßene Treibwasser 14 bzw. gegen das dort befindliche Teichwasser 13.

Die Arbeit des Zerteilens der Blasen 7 in kleinere Blasen 11 durch Zerplatzen — das bei so ausgeführten und so betriebenen Düsen deutlich hörbar ist — leistet die für das Verdichten der Luft aufgewendete und in der Druckluft gespeicherte Energie. Die Treibwirkung des eingepumpten Druckwassers bzw. Treibwassers 2 bzw. 14 wird beim Zerteilen in kleinere Blasen nicht vermindert, sondern erhöht.

Das Einwandern von Sauerstoff aus den kleinen Blasen 11 ins Teichwasser 13, wobei der Blasenstrom erst etwa waagettiht mitgeführt wird, dann schräg aufsteigt, geschieht in bekannter Weise. Von Vorteil sind die kleinen Blasen Il und die starke Wirkung des Treibwasserstrahles 14 der viel Teichwass,er 13 in den Strom de" kleinen Blasen 11 einmischt,

F i g, 2 zeigt die Druckverhältnisse für Treibwasser 2 und Druckluft5 für das Schema nach F i g, 1.

Von F i g, t übernommen sind: Pumpe 1, Luftverdichter 4, Mischraum 3, Düse 8 und Düsenmündung 9.

Das von der Pumpe 1 geförderte Treibwasser 2 hat eine Druckhöhe entsprechend Pfeillänge 15. Der Verdichter 4 fördert Druckluft 5 von etwa dem gleichen Druck, Pfeil 16. Abgesehen von Verlusten durch das Einmischen der Druckluft 5 in das Treibwasser 2 (F i g. 1) das in Mischzone 6 erfolgt und der Reibung im Mischraum 3 haben Treibwasser 2 und Druckluft 5 vor der Düse 8 noch den gleich hohen und gleichen Druck, Pfeillängen 17 und 18.

In der Düse 8 wird der Strömungsquerschnitt verengt, die Fließgeschwindigkeit erhöht, der Druck vermindert In der Düsenmündung haben Treibwasser und Druckluft noch einen gleichen, aber geringeren Druck, Pfeillängen 19 und 20. Entsprechend der Ei. iringtiefe bzw. der dortigen Wasserhöhe 21 ist an der Düsonmündung 9 ein Gegendruck wirksam, dargestellt in Pfeillänge 22.

Da der Gegendruck gemäß der Einbringtiefe 21, dargestellt in Pfeil 22, vor der Düsenmündung 9 wirksam wird, kann man die Pfeile 19 und 20 dort in einen Teildruck 23 in der Größe von Pfeil 22 und einen verbleibenden Druck 24 zerlegen.

Für das Treibwasser entspricht Pfeil 23 dem Gegendruck 22, es verbleibt Pfeil 24 als der Treibwasserdruck, der im Teichwasser 25 eine Fließbewegung bewirkt Für die Luft entspricht Pfeil 26 dem Gegendruck Pfeil 22 also der Wassertiefe 21 der Düse 8 und ist zugleich der Innendruck der entspannten Blasen 11 (Fig. 1). Der verbleibende Pfeil 27 stellt den Druck dar, der als Druck in den Druckluftblasen 7 — wie bei 10 (Fig. 1) dargestellt — beim Austreten aus der Düsenmündung 9 frei wird und die Blasen 7 in kleinere Blasen 11 zerreißt sowie die FlicBwirt ung des Treibwassers 14 (F i g. 1), dargestellt durch Pfeil 24, noch verstärkt. Die Energieleistung hierfür stammt von der Druckluft 5 bzw. vom Verdichter 4.

Ist die Einbringtiefe 21 größer als hier mit Pfeil 22 dargestellt, so ist dafür auch die Pfeillänge größer. Wird Pfeil 22 mit den Pfeilen 19 und 20 gleich lang, so bleiben keine Pfeillängen für Pfeile 24 und 26 übrig. Es entsteht keine Strömung im Teich, da Pfeil 24 fehlt. Die austretenden Druckluftblasen 7 bzw. 10 haben den gleichen Innendruck wie die Wasserhöhe (Einbringtiefe) 21 an der Düsenmündung 9 und zerplatzen nicht mehr, da Pfeil 27 fehlt.

Für eine größere Einbringtiefe als dargestellt, müßten die Pfeile = Drücke 19 und 20 bzw. 17 und 18 bzw. 15 Uiid 16 größer sein. Bei Kreiselpumpe sowie Verdichter oder Gebläse stellt sich ein höherer Druck bis zur Grenze der Motorleistung von selbst ein. oder werden durch eine engere Düsenmündung mit dann kleinerem Volumenstrom erreicht.

Fig.3 zeigt Zusammenhänge für das Anwenden unterschiedlicher Mengenverhältnisse von Druckluft und Treibwasser.

Für veränderliches L/W sind für eine Gesamtmenge von 100 Liter je Minute die Teilmengen für Luft und Wasser bei

Luft, l/min
Wasser, l/min

0,1

9
91

0,4

29

71

50 50

Jeder Liter Luft enthält 280 mg O₂. Nimmt man an, daß davon z.B. 15% = 42 mg O₂ ausgenutzt werden können, so ergibt sich daraus eine Kurve 43, die das ausnutzbare Angebot an O₂ darstellt, welches die gemäß L/W eingetragene Luft enthält.

Wird weiter angenommen, daß ein Liter Treibwasser unter Druck beim Durchströmen durch Mischraum und Düse 10 mg O2 aufnehmen kann, so stellt die Kurve 44 die Aufnahmemöglichkeit von O₂ des gemäß L/W eingebrachten Treibwassers dar. Nimmt man als Beispiel nun noch an, daß ein Liter Treibwasser den zunächst waagerecht im Blasenstrom mitgerissenen, dann schräg aufsteigenden entspannten Luftblasen sechs Liter Teichwasser zuführen kann, wobei dieses Teichwasser je Liter 5 mg O₂ aufnimmt, so ergibt sich eine Kurve 45 für die mögliche Gesamtaufnahme von O₂ in Treibwasser und in Teichwasser.

Die Kur^e 41 (Sauerxtoffangebot) schneidet die Kurve 44 (Aufnahmegrenze für Treibwasser) bei 46, die Kurve 45 (Aufnahmegrenze für Treib- und Teichwasser) bei 47. Bei den zu den Schnittpunkten 46 und 47 gehörenden Mengenverhältnissen L/W wird jeweils so viel ausnützbarer Sauerstoff mit der Luft eingetragen oder von ihr angeboten, wie vom Treibwasser allein (Schnittpunkt 46) oder von Treibwasser und Teichwasser zusammen (Schnittpunkt 47) aufgenommen werden kann.

Zwischen dem Nullpunkt und dem Schnittpunkt 46 ist der dem L/W entsprechende Luftanteil geringer, als er allein vom Treibwasser aufgenommen werden könnte. Zwischen den Schnittpunkten 46 und 47 ist der dem L/W entsprechende Luftanteil geringer als Treibwasser und Teichwasser zusammen aufnehmen könnten.

Kurz: hier wird zuwenig Luft mit zuviel Wasser eingetragen. |e rechts von den Schnittpunkten 46 und 47 wird jeweils mehr Luft eingetragen oder Sauerstoff angeboten, als von Treibwasser allein, oder von Treibwasser und Teichwasser zusammen ausgenutzt werden kann. Der Überschuß an Luft steigt mit zur Wasseroberfläche auf.

Kurz: hier wird zuviel Luft mit zuwenig Wasser eingetragen.

Die genannten Daten sind zur Veranschaulichung vereinfachte Werte. Sie zeigen die erfindungsgemäß gute Ausnutzung des Sauerstoffeintrags in Treibwasser und in Teichwasser. Die Darstellung F i g. 3 zeigt wie für gegebene oder angestrebte Verhältnisse optimale Werte oder günstige Bereiche für das Mengenverhältnis Luft/Wasser (L/W) gefunden werden können. Hierbei

sind die Werte für L/W mit zu beachten, für die nach den Versuchen mit Kugeln in einem Mischraum noch Blasen aus der unter Druck stehenden Luft gebildet werden können. Hierzu ergibt sich das Raumverhäl'nis der anzusaugenden zu der unter Druck stehend -n Luft

r. vereinfacht aus 10 plus p"^lWS/10 z. B. für 4 mWS zu 1,4. Bei einem L/W für Kugeln von 1, angenommen für Blasen von 0,9 und einem Druck im Mischraum von angenommen 4 mWS errechnet sich für Ansaugluft für Blasenbildung ein L/W von 0,9 ■ 1,4 = 1,2b, dies als

.'ο Beispiel.

Nach Versuchen liegen, je nach den jeweiligen Bedingungen wie große oder kleine Eintragstiefe mit großer oder kleinerer Ausnutzung des O₂-Gehaltes der eingetragenen Luft, guter O₂-Ertrag oder stärkeres > Fließen, Art des an Sauerstoff armen Wassers, optimale Werte oder günstige Bereiche, bezogen auf Ansaugluft in einem Gesamtbereich von etwa 0,5 bis 1,5 für Luft- zu Wassermenge.

Dargestellt und oben beschrieben ist eine besonders

in einfache Ausführung des Verfahrens.

Anstelle des Einmischens von Druckluft 5 (F i g. 1) in Teichwasser 2 in der Mischzone 6 in einem dort 1 -förmigen Mischraum, kann die Druckluft 5 in einem Rohr mit Löchern bis in die Mischzone 6 geführt

r, werden. Das anströmende Treibwasser scheert dann die aus den Löchern austretende Druckluft 5 ab oder saugt sie mit heraus. Bei Stillstand wirken die Löcher als Sieb, so daß die Leitung zum Verdichter oder Gebläse vor dem Eindringen von Schmutz aus Treibwasser geschützt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

das zu behandelnde Wasser nicht im möglichen Ausmaß

Verfahren zum Begasen oder Belüften verschmutzten Wassers in Klärbecken, Klärteichen, Belüftungsbecken, Gewässern oder dgl, bei dem das Wasser und das Gas bzw- die Luft vor dem Eintritt in das zu behandelnde Wasser je unter Druck, insbesondere Pumpendruck, in einem verhältnismäßig langen Mischraum zusammengeführt und dann ι ο über eine Düse ausgestoßen werden, wobei dem Mischraünr eine derartige Menge Gas bzw. Luft zugeführt wird, daß im Mischraum bis zur Düsenmündung Blasen verbleiben, deren Innendruck größer ist, als der Druck des zu behandelnden Wassers im Bereich der Düsenmündung, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Blasen-Innendruck zum Druck des zu behandelnden Wassers in Mündungsbereich der Düse derart klein bemessen ist, daß die vom Mischraum zufließenden Blasen in der Düsenmündung noch in kleinere Blasen zerplatzen und daß das Volumenverhältnis des eingebrachten Gases bzw. der eingebrachten Luft zum eingebrachten Wasser zwischen etwa 0,5 und 1 ,5 gewählt wird.

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