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Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Ver-
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mischen eines Gases mit einer Flüssigkeit und Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und eine Unterwasser-
bzw. Tauchvorrichtung zum wirkungsvollen Vermischen von Gas mit Abwasser und zum
Wegspülen der abgesetzten Verunreinigungsstoffe von dieser Tauchvorrichtung.
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Industrielle Abwässer, Stadtabwässer und dgl. werden üblicherweise
dadurch geklärt, daß die Flüssigkeit in einen großen Tank, einen großen Behälter
oder ein großes Becken gepumpt wird, worin eine Bakterienpopulation die organischen
und anorganischen Stoffe aufarbeitet. Da der im Abwasser gelöste Sauerstoff normalerweise
ungenügend ist, um die erforderliche Bakterienpopulation zu erhalten, muß das Wasser
belüftet werden. Dies kann mittels einer Oberflächenbelüftungsmaschine geschehen,
die mit Schlagelementen
versehen ist, welche sich von oberhalb der
Wasseroberfläche in das Abwasser erstrecken und dieses aufrühren und dadurch mit
Luft versetzen. Wahlweise kann die Luft durch den Boden des Beckens, z. B. durch
ein poröses Medium hindurch, eingeblasen werden. Derartige Oberflächenbelüftungsvorrichtungen
arbeiten nicht wirtschaftlich und werfen bestimmte mechanische Probleme auf. Außerdem
ist der Energieverlust beim Verteilen der Luft sehr groß, und ein solches Einblas-bzw.
Diffusionssystem eignet sich nicht für den nachträglichen Einbau in ein bestehendes
Klärbecken.
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Abwässer können auch in der Weise belüftet werden, daß sie durch unter
der Flüssigkeitsoberfläche befindliche Rohre mit Öffnungen, durch welche Luft angesaugt
wird, gefördert werden, oder daß zur Hervorbringung eines Vermischens unter Turbulenz
Luft durch diese Rohre geleitet wird. Diese Vorrichtungen vom Wirbel-, Strahl-,
Venturidüsen- und Pralltyp sind bezüglich des Energiebedarfs wesentlich wirkungsvoller
als Diffusions- oder Oberflächenbelüftungsvorrichtungen.
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Eine Schwierigkeit, die sich bei derartigen Vorrichtungen, bei denen
Wasser und Gas in einer Kammer
miteinander vermischt werden, ergeben
kann, besteht darin, daß in einem Belüftungsbassin, -tank oder -becken enthaltene
kleine Teilchen sich in den Mischkammern, der Pumpe oder den Leitungen zwischen
diesen Teilen absetzen und schließlich zu einem Verstopfen führen können. Bei der
Abwasserbehandlung können sich Fremdkörper, wie Haare, Papier, Stoffstücke usw.,
in den Mischkammern verfangen und schließlich den Abwasserdurchfluß blockieren und
dadurch die Wirksamkeit der Anlage beeinträchtigen. Da Tauchvorrichtungen dieser
Art normalerweise eine große Wassermenge fördern, setzen sich die Fremdkörper, selbst
wenn sie in geringer Zahl vorhanden sind, schließlich in den Mischkammern ab. Im
Normalfall ist es unerwünscht, die Vorrichtung zur Durchführung von Wartungsarbeiten
stillzusetzen, und das Entfernen dieser Fremdkörper kann selbst bei entleertem Becken
eine schwierige Aufgabe darstellen.
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Verschmutzungen können jedoch bei diesen Vorrichtungen dadurch weggespült
werden, daß die Einlässe der einzelnen Mischkammern, denen das Abwasser normalerweise
zur Belüftung zugeführt wird, unmittelbar oder mittelbar mit einer höher bzw. dicht
an oder über der Wasseroberfläche gelegenen Rückspülstelle verbunden werden.
Wenn
die Pumpe abgestellt wird, während (Druck-)Luft weiterhin in die Mischkammern einströmt,
bewirkt der Druckunterschied zwischen dem Wasser an den Mischkammern und an der
höher gelegenen Stelle, daß die Luft in Rückwärtsrichtung durch die Einlässe hindurch
zur Rückspülstelle strömt und dadurch die Anlage durchgespült wird. Überraschenderweise
fördert die Luft dabei Abwasser in beträchtlicher Strömungs-oder Durchsatzmenge
und mit beträchtlichem Druck in Gegenrichtung durch die Anlage. Eine getrennte Leitung
kann in Verbindung mit einem Ventil verwendet werden, um die Verunreinigungen unmittelbar
über der Wasseroberfläche auszuspülen,wo sie aufgefangen werden können. Das Abwasser
kann in Gegenstromrichtung durch die Pumpe geleitet werden, um das Pumpensieb zu
reinigen, vorausgesetzt, daß die Pumpe und ihr Filtersieb über den Mischkammern
angeordnet sind.
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Die Luftzufuhr kann intermittierend ein- und abgeschaltet werden,
um Wasserstöße zu erzeugen, die als Schläger (hammer) zum Loslösen von Verunreinigungen
wirken.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
der
Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebszustand,
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine in vergrößertem
Maßstab gehaltene Schnittansicht einer Mischkammer gemäß der Erfindung, Fig. 4 eine
Stirnansicht einer mit spiraligen Leitschaufeln besetzten Mischkammer, Fig. 5 eine
Teilschnittansicht der Mischkammer gemäß Fig. 4, Fig. 6 eine schematische Darstellung
einer anderen Ausführungsform der Erfindung un Fig. 7 und 8 Darstellungen einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den Fig. 1 und 2 ist schematisch eine bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht. Gemäß Fig. 1 und 2 sind zahlreiche, auf Umfangsabstände
verteilte Mischkammern 20, vorzugsweise mit jeweils identischem Aufbau, kreisförmig
um einen kuppelförmigen Verteiler 22 herum angeordnet, der einen Oberteil 24, in
den Wasser hineingepumpt wird, sowie einen Unterteil 26 aufweist, der mit einem
Vorrat bzw. einer Versorgung für Luft oder Sauerstoff unter einem geeigneten Druck
verbunden ist. Die einzelnen Mischkammern besitzen jeweils die in den Fig. 3 bis
5 dargestellte, später noch näher erläuterte Konstruktion.
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Eine Vielzahl von Leitunqen 30, jeweils bestehend aus einem Metallsegment
32 und einem Kunststoffsegment 34, verbinden den Verteiler-Oberteil 24 mit den einzelnen
Mischkammern 20, so daß das Abwasser kontinuierlich durch jede Mischkammer 20 gefördert
werden kann. Eine ähnliche Anordnung von Leitungen 40, jeweils bestehend aus einem
Metallabschnitt 42 und einem Kunststoffabschnitt 44, verbindet den Verteiler-Unterteil
26 mit den einzelnen Mischkammern 20. Die Mischkammern 20 bilden dabei auf noch
zu erläuternde Weise jeweils parallele Luft- und Gas- bzw. Abwasserströme, die in
einer Erweiterungskammer (innerhalb) der Mischkammer
unter Bildung
kleinster Bläschen miteinander in Wechselwirkung treten, wobei sich diese Bläschen
wirksam mit dem geförderten Abwasser vermischen. Der Verteiler 22 ist an einer schwimmenden
Glasfaser-Arbeitsplattform 50 mit Hilfe von Leitstreben 52, 54 sowie zwei gemäß
Fig. 1 hinter diesen angeordneten Streben aufgehängt. Mit der Leitstrebe 54 ist
eine industrielle Luftversorgungsleitung 60 zur Zufuhr von Luft zum Verteilerabschnitt
26 verbunden. Ein Drahtseil 62 verbindet den Verteiler 22 mit einem Rahmen 64 auf
der Plattform 50, der zum Anheben des Verteilers 22 und zur Aufhängung desselben
in einer Wartungsarbeiten ermöglichenden Position dient.
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Eine über dem Verteiler 22 montierte, herkömmliche Tauchpumpe 66 weist
ggf. einen über dem Pumpeneinlaß angeordneten Filter-Siebkorb 67 auf, welcher gröbere
Fremdkörper an einem Eintritt in die Pumpe und einem Absetzen darin hindert. Bei
verschiedenen Anlagen kann der Siebkorb weggelassen werden, und die sich in der
Pumpe ansammelnden Verschmutzungsstoffe können auf noch näher zu erläuternde Weise
rückgespült werden. Eine Leitung 68 verbindet die Pumpe 66 mit dem Verteiler-Oberteil
24.
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Die Arbeitsplattform 50 ist mit einer geeigneten Reeling bzw. Geländer
solcher Höhe versehen, daß die Einheit auf eine Höhe angehoben werden kann, in welcher
Arbeiten an den Mischkammern und an der Pumpe bequem durchführbar sind. Eine an
Land befindliche, schematisch dargestellte Luftpumpe 74 ist mit der Leitung 60 zur
Förderung von Luft, Sauerstoff oder eines anderen Gases zum Verteiler-Unterteil
26 für das Vermischen dieses Gases mit dem geförderten Abwasser verbunden.
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Wenn die Vorrichtung von den sich unvermeidlich in der Pumpe 66 und
in der Mischkammer 20 ansammelnden Fremdkörpern und Schmutzstoffen gereinigt werden
soll, kann einfach die Pumpe 66 abgeschaltet werden, während die Luftpumpe 74 weiterhin
Luft in die Mischkammern 20 hineindrückt. Dabei zeigt es sich jedoch überraschend,
daß die Luft, anstatt am Auslaß auszuströmen, das Abwasser entgegengesetzt zur Strömungsrichtung
während der Belüftung,durch den Einlaß, durch die Leitungen 32 und 34 in den Verteiler
22, durch die Leitung 68 und die Pumpe 66 zurückfördert und dabei die an der Außenseite
des Siebkorbes 67 abgesetzten Schmutzstoffe wegbläst. Dies erfolgt deshalb, weil
der Wasserdruck in Höhe des Siebkorbes niedriger ist
als der Wasserdruck
in Höhe der Mischkammern 20.
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Die Auslaßstelle für das Rückspülen sollte möglichst dicht an der
Wasserlinie liegen. Wahlweise kann das Durchspülen durch Betätigung eines Ventils
76 in einer mit der Leitung 68 verbundenen Leitung 78 erfolgen. Beim vielen Pumpen,
insbesondere den außerhalb des Wassers montierten, wird das Spülen über eine getrennte
Leitung dem Spülen durch die Pumpe vorgezogen. Die Schmutzstoffe werden dabei in
die Luft hineingeblasen, und da der Druckunterschied größer ist, wird die durch
die Luft, die als Luftramme (air hammer) wirkt, erzeugte Kraft die Verschmutzung
durch die Vorrichtung hindurchgeblasen, so daß das gesamte Verunreinigungsmaterial
innerhalb weniger Minuten in Gegenrichtung hinausgespült wird.
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Durch wiederholtes Ein- und Ausschalten der Druckluft werden Schwingungen
bzw. Stöße erzeugt, durch die praktisch alle Verunreinigungen zum Ausspülen aus
der Anlage losgelöst werden.
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Die Fig. 3 bis 5 veranschaulichen zwei Ausführungsformen der speziellen
erfindungsgemäßen Mischkammer 20. Das Abwasser fließt dabei vom Einlaß durch einen
Kanal 100 in eine Erweiterungskammer 102. Am Übergang zwischen dem Kanal 100 und
dem Erweiterungsabschnitt
ist eine Stufenfläche 104 vorgesehen,
in welche mehrere Bohrungen einmünden. Um die in der Erweiterungskammer 102 entstehenden
Wirbel bei hohem Luftdruck zu erhalten, wird über diese Bohrungen Gas unter einem
Winkel von ungefähr 11 - 22 ° eingeblasen. Eine in den Fig.
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4 und 5 dargestellte Kammer mit spiraligen Leitschaufeln 106 in den
Bohrungen liefert verstärkte Wellenbildungsbedingungen.
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Auf diese Weise werden gemäß Fig. 3 zwei parallele Ströme von Gas
und Abwasser erzeugt. Bei der Bewegung dieser Ströme längs der Erweiterungskammer
entstehen durch die zwischen ihnen erzeugte Reibung Wellen, wodurch die in den Wellen
eingeschlossene Luft zu winzigen Bläschen aufgebrochen wird. Da sich die Luft- und
Abwassersträme in derselben Richtung bewegen, wird ein wirksames Vermischen bei
minimalem Energiebedarf gewährleistet. Hierbei ist es wünschenswert, daß das Vermischen
unter den meisten Bedingungen innerhalb der Erweiterungskammer 102 stattfindet,
und aus diesem Grund ist diese Erweiterungskammer innerhalb des Abschnitt 110 sich
nach innen geringfügig verjüngend ausgebildet, wobei sich ihr Querschnitt zunächst
vom Einlaß zum Auslaß und dann in einem Abschnitt 112 stärker verkleinert. Durch
diese verjüngten
Abschnitte wird der Bereich maximaler Luftdurchsatzmengen,
in welchem die Vorrichtung betriebsfähig ist, ohne wesentlichen Verlust an Wirkungsgrad
um ein Mehrfaches erweitert.
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Die spiraligen Leitschaufeln 106 erteilen der Luft eine drehende Bewegung
und rufen dadurch eine stärkere Wellenbildung hervor, wodurch auch das schnellere
Aufbrechen der Grenzfläche durch Einführung von Instabilität unterstützt wird.
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Die Mischkammern können aus einem beliebigen Werkstoff, z. B. aus
rostfreiem Stahl, Aluminium oder Kunststoff bestehen.
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Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei welcher die Tauchpumpe
durch eine übliche Abwasserpumpe 200 ersetzt ist, die neben dem Becken bzw. Tank
202 montiert und über eine Leitung 206 mit dem Verteiler 204 verbunden ist. Die
Pumpe 200 weist dabei einen Einlaß 207 auf. Um den Verteiler 204 herum sind zahlreiche
Mischkammern 208 angeordnet, die aus beliebigen Mischvorrichtungen, wie Strahl-,
Wirbel-, Venturi oder Prallvorrichtungen bestehen können. Eine ebenfalls neben dem
Tank bzw. Becken 202 montierte Luftpumpe 210
ist über eine Leitung
212 mit dem Verteiler 204 verbunden. Ein Ventil 214 kann zum Rückspülen des Abwassers
auf beschriebene Weise geöffnet werden, während die Pumpe 200 abgeschaltet ist und
die Pumpe 210 weiterhin Gas in die Mischkammern der Vorrichtung 208 hineinfördert.
Das Gas drückt dabei das Abwasser durch den Verteiler 204 und die Leitungen 212
zurück, wobei es über das Ventil 214 ausströmt. Das Abwasser wird in den Tank bzw.
das Becken zurückgefördert, während die Fremdkörper gewünschtenfalls in einem Filtersieb
216 aufgefangen werden können.
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Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen noch eine andere Ausführungsform
der Erfindung, welche die vorstehend beschriebenen Mischkammern verwendet. Bei der
Anordnung gemäß den Fig. 7 und 8 wird das in einem passenden Behälter 300 enthaltene
Abwasser mittels einer Pumpe 304 durch eine gerade Rohrleitung 302 hindurchgepumpt.
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Gemäß Fig. 7 gehen von der Rohrleitung 302 mehrere Mischkammern 306
an voneinander entfernten Stellen nach außen ab. Die Luft wird einer zweiten Rohrleitung
308 zugeführt, die parallel zur Rohrleitung 302 oberhalb dieser verläuft. Wahlweise
kann dabei auch die eine Rohrleitung koaxial innerhalb der anderen angeordnet sein.
Die Rohrleitung 308 ist an die
einzelnen Mischkammern angeschlossen,
um Luft in diese einzublasen. Die Rohrleitungen 302 und 308 erstrecken sich vorzugsweise
längs der Mitte des Beckens 300 parallel zu dessen Rändern, so daß ein günstiges
Strömungsschema des Wassers von der einen Seite zur anderen mit minimalem Energiebedarf
und unter Gewährleistung maximaler Strömung und Belüftung hervorgebracht wird.
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Das Durchspülen dieser Anlage erfolgt durch öffnen eines Ventils 310
bei abgeschalteter Pumpe 304, während die Luft weiterhin den Mischkammern 306 zugeführt
wird.
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Selbstverständlich sind innerhalb des Rahmens der Erfindung verschiedene
Änderungen und Abwandlungen der vorstehend offenbarten Ausführungsformen möglich.
Beispielsweise kann die Vorrichtung auch für nicht-wässrige Flüssigkeiten verwendet
werden, und es kann ein anderes Gas als Luft, beispielsweise reiner Sauerstoff,
der Flüssigkeit untergemischt werden. Aus diesem Grund soll die Erfindung alle innerhalb
des erweiterten Schutzumfangs liegenden Änderungen und Abwandlungen mit umfassen.
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In Zusammenfassung werden mit der Erfindung somit ein verbessertes
Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Belüften und Mischen von Abwasser
(mit
Gas) geschaffen, das durch eine Anzahl von Durchgängen oder
Kanälen in Tauch-Mischkammern von einem Einlaß zu einem Auslaß jeder Mischkammer
umgewälzt wird, wobei ein Gas, vorzugsweise unter Bildung zweier paralleler Ströme,
mit dem Abwasser vermischt wird.
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Zum Ausspülen von Fremdkörpern bzw. Verunreinigungsstoffen aus den
Mischkammern und Leitungen werden folgende Schritte durchgeführt: 1. Jeder Einlaß
wird mit einer über seinem Niveau gelegenen und auf einem niedrigeren Druck befindlichen
Stelle verbunden; 2. die Abwasserumwälzung wird unterbrochen; und 3. das Gas wird
weiterhin in die Kanäle gefördert, um durch jede Mischkammer von Auslaß zum Einlaß
eine Rück- bzw. Gegenströmung des Abwassers zur höher gelegenen Stelle einzuführen
und dabei die losgelösten Verunreinigungsstoffe aus den Mischkammern und Leitungen
auszutreiben. Durch eine intermittierende Gasströmung werden Schwingungen bzw. Druckstöße
erzeugt, welche die Ablösung der Verunreinigungsstoffe begünstigen.
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