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Verfahren und Vorrichtung zum Begasen
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von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begasen
von Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeiten zusätzlich zur Begasung auch entgast
werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Beim Eintrag von Gasen in Flüssigkeiten, wie z.B. beim Eintrag von
Sauerstoff mittels Oxidatoren oder Säulenreaktoren in Abwasser oder auch in Grundwasser,
das zur Trinkwasserversorgung oder zur Fischzucht aufbereitet wird, kommt es aufgrund
der in den Flüssigkeiten von vornherein gelösten Gase, wie Stickstoff oder Kohlendioxid,
zu Gasübersättigungen, die nur durch Entnahme unwirtschaftlich hoher Gasmengen zu
beheben und dementsprechend bei einer Sauerstoffanreicherung mit hohen Sauerstoffverlusten
verbunden sind. Wird dabei das Abgas aus der Begasungszone nicht in ausreichender
Menge abgeleitet, führen diese Gasübersättigungen dazu, daß beim Austritt der übersättigten
Flüssigkeit in Rohrleitungen, Becken oder Behälter die gelösten Gase zumindest solange
ausgasen, bis die Summe der Gaspartialdrücke dem atmosphärischen bzw. hydrostatischen
Druck entspricht. Dadurch können vor allem in offenen Becken Flotations- und Schaumprobleme
auftreten
und beim Transport der Flüssigkeiten in Rohrleitungen sich Gastaschen ausbilden,
die zu Druckverlusten führen.
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Darüber hinaus wirken sich Gasübersättigungen besonders nachteilig
beim Einsatz von mit Sauerstoff angereichertem, gasübersättigtem Grundwasser in
der Fischzucht aus, da gasübersättigtes Wasser bei vielen Fischen zu einer Gasembolie
führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art zum Begasen von Flüssigkeiten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens so auszugestalten, daß auf einfache und sichere Weise die durch das
Auftreten von Gasübersättigungen bedingten Probleme ausgeschaltet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flüssigkeiten
in einer offenen Entgasungszone einem Strippeffekt und in einer geschlossenen Entgasungszone
einer Unterdruckatmosphäre ausgesetzt und danach einer Begasungszone zugeleitet
werden.
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Mit Hilfe dieser Maßnahme gelingt es auf einfache Weise, aus der Flüsssigkeit
vor der Begasung sowohl Kohlendioxid als auch Stickstoff auszutragen und gleichzeitig
den Gesamtdruck der im Wasser gelösten Gase deutlich kleiner als 1 bar absolut zu
halten. Dabei wird die Hauptmenge des Kohlendioxids, das in Wasser eine hohe Löslichkeit
besitzt, die ungleich höher ist als die von Stickstoff, in der offenen Entgasungszone
beispielsweise mit Hilfe einer einfachen Verrieselung oder Versprühung der zu behandelnden
Flüssigkeit entfernt, während in der geschlossenen Entgasungszone mit Hilfe des
Unterdrucks der in der Flüssigkeit gegebenenfalls von vornherein gelöst vorhandene
bzw. bei der Verrieselung oder Versprühung bis zum Luftsättigungswert eingetragene
Stickstoff weitgehend ausgetragen wird. Außerdem wird in der geschlossenen Entgasungszone
zusätzlich ein Teil des nach der offenen
Entgasungszone verbliebenen
Rests des Kohlendioxids aus der Flüssigkeit entfernt Wird das erfindungsgem#iße
Verfahren zur Sauerstoffanreicherung von Abwasser, von bei der Fischzucht eingesetztem
Wasser oder von bei der Trinkwasseraufbereitung verwendetem Grundwasser unter Einsatz
eines me'# Sauerstoff als Luft enthaltenden Gases verwendet, kann damit eine hohe
Wirtschaftlichkeit der entsprechenden Anlagen erreicht werden, da dann eine wesentlich
höhere Sauerstoffanreicherung des Wassers als bei bisherigen Anlagen möglich ist.
Beispielsweise bei Fischzuchtanlagen erlaubt ein hoher Sauerstoffgehalt im zuzuleitenden
Wasser eine große Beaatzdichte.
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Mit Vorteil läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren so durchführen,
daß die Flüssigkeiten aus der offenen Entgasungszone in die geschlossene Entgasungszone
übergeleitet, aus der geschlossenen Entgasungszone in die offene Entgasungszone
zurückgeleitet und von der offenen Entgasungszone zur Begasungszone weitergeleitet
werden. Damit bleibt die Unterdruckatmosphäre der geschlossenen Entgasungszone unbeeinflußt
von den Druckverhältnissen in der Begasungszone, so daß eine Gasanreicherung in
der Begasungszone dem jeweiligen Bedarf angepaßt werden kann, ohne daß der Betriebszustand
der geschlossenen Entgasungszone jeweils neu eingestellt werden muß.
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Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, falls der Gasgehalt der
Flüssigkeit nicht konstant auf einem bestimmten Wert gehalten werden muß und die
Gasanreicherung dementsprechend zeitweise abgesenkt werden kann, wie beispielsweise
in Fischzuchtanlagen die Sauerstoffanreicherung des den einzelnen Fischbecken zugeleiteten
Wassers bei sinkender Besatzdichte verringert werden kann, die geschlossene Entgasungszone
außer Betrieb zu setzen und dadurch den Energieverbrauch und den Gasverbrauch zu
reduzieren, da bei einer geringen Gasanreicherung der Flüssigkeit eine entsprechend
verringerte
Entgasungsrate der Flüssigkeit genügt, um nach der Beqasung
noch keine gasübersättigte Flüssigkeit zu erhalten.
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Ist jedoch eine hohe Gasanreicherung der Flüssigkeit erwünscht und
demzufolge auch der Einsatz der geschlossenen Entgasungszone zur Erreichung einer
möglichst weitgehenden Entgasung der Flüssigkeit sinnvoll, sollte die geschlossene
Entgasungszone zweckmäßigerweise so betrieben werden, daß in ihr ein Unterdruck
von 0,1 bis 0,8 bar absolut eingehalten wird. Dadurch können dann in der Folge beispielsweise
in einer geschlossenen Sauerstoffanreicherungszone für Wasser Ubersättigungsprobleme
bis zu Sauerstoffgehalten von ca. 40 mg 02/1 zuzüglich dem Restsauerstoffgehalt
nach der Entgasung bei Wassertemperaturen von ca. 10°C und bei einem Druck von ca.
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1 1 bar vermieden werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt eine Begasungszone
mit beliebigem Begasungssystem und eine Entgasungseinrichtung. Erfindungsgemäß weist
die Entgasungseinrichtung eine offene, einen Strippeffekt bewirkende Entgasungszone
sowie eine geschlossene, an eine Pumpe zur Aufrechterhaltung eines Unterdrucks angeschlossene
Entgasungszone auf und die Entgasungseinrichtung steht über einem Ablauf für die
entgaste Flüssigkeit mit der Begasungszone in Verbindung.
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Vorteilhafterweise können die offene Entgasungszone und die geschlossene
Entgasungszone über eine Verbindungsleitung hintereinander geschaltet sein. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sindjedoch die offene Entgasungszone
und die geschlossene Entgasungszone über eine Wasserkreisleitung parallel geschaltet,
wobei in der Wasserkreisleitung nach der geschlossenen Entgasungszone eine Förderpumpe
angeordnet ist. Damit besteht die Möglichkeit, die geschlossene Entgasungszone bei
nur geringer Gasanreicherung der Flüssigkeit stillzusetzen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die offene und geschlossene
Entgasungszone sowie die Begasungszone in einem gemeinsamen, mehretagigen Reaktor
untergebracht sein. Eine solche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bringt
den Vorteil mit sich, daß diese nicht mehr Grundlfäche beansprucht als bisherige
Begasungssysteme ohne vorhergehende Entgasung der Flüssigkeiten. Darüber hinaus
kann bei einer Anordnung der Entgasungseinrichtung oberhalb der Begasungszone dann
die im Hinblick auf den Betriebsdruck der Begasungszone zwischen Entgasungseinrichtung
Begasungszone notwendige Förderpumpe insofern wirtschaftlich betrieben werden, als
die in der Entgasungseinrichtung ausgebildete hydrostatische Höhe die Förderpumpe
im Druckaufbau für die Begasungszone unterstützt. Wird dagegen umgekehrt die Begasungszone
oberhalb der Entgasungseinrichtung angeordnet, kann die zwischen Entgasungseinrichtung
und Begasungszone notwendige Förderpumpe unter Umständen so ausgelegt werden, daß
sie neben dem Uberleiten der entgasten Flüssigkeit aus der Entgasungseinrichtung
in die Begasungszone auch das Ansaugen der zu entgasenden Flüssigkeit in die Entgasungseinrichtung
leistet. Für die Oberleitung der begasten Flüssigkeit aus der Begasungszone zum
Verbraucher, wie z.B. einem Fischzuchtbecken, ist dann die geodätische und hydrostatische
Höhe der Begasungszone ausreichend.
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Zweckmäßig ist es auch, die offene und die geschlossene Entgasungszone
der Entgasungseinrichtung jeweils als Sprühturm oder als Rieselturm auszubilden.
Die in einem Sprühturm erreichte Aufteilung der zu entgasenden Flüssigkeit in viele
einzelne Flüssigkeitsstrahlen mit großer Oberfläche sowie das Auftreffen der einzelnen
Flüssigkeitsstrahlen auf den im unteren Teil des Sprühturms vorhandenen Flüssigkeitsspiegel
und die dabei erzeugte Turbulenz fördern das Ausgasen der gelösten Gase. Für Flüssigkeiten,
die z.B. wie Abwasser aufgrund von Inhaltsstoffen nicht zur Aufteilung in kleine
Flüssigkeitsstrahlen geeignet sind, kann aber auch statt des
Sprühturms
eine Kaskade in Frage kommen, bei der die Flüssigkeit über eine oder mehrere Uberfallkanten
verrieselt wird.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt, die nachstehend
näher erläutert werden.
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Es zeigt: Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei der die offene und geschlossene Entgasungszone hintereinander geschaltet
sind; Figur 2 die Parallelschaltung der offenen und der geschlossenen Entgasungszone.
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In den Figuren ist mit 1 eine erfindungsgemäße Entgasungseinrichtung
und mit 20 eine dieser nachgeschaltete Begasungszone bezeichnet. Diese kann z.B.
als Füllkörpersäule ausgebildet sein und weist eine Zuleitung 16 für die zu begasende
Flüssigkeit, eine Ableitung 18 für die begaste Flüssigkeit und eine Gaszuleitung
19 für Behandlungsgas, mit dem die Flüssigkeit angereichert werden soll, auf. Beispielsweise
kann es sich bei der zu begasenden Flüssigkeit um Grundwasser handeln, das in einer
Fischzuchtanlage in Fischbecken eingeleitet und zur Sicherstellung optimaler Lebensbedingungen
der Fische auf einen bestimmten Sauerstoffgehalt mit technisch reinem Sauerstoff
angereichert werden soll. Da gerade Grundwasser in den eisten Fällen durch hohe
Stickstoff- und Kohlendioxidgehalte gasgesättigjt bzw. sogar übersättigt ist, wäre
bei einer direkten Sauerstoffanreicherung des Grundwassers eine Gasübersättigung
unvermeidlich, die bei Fischen eine Gasembolie hervorruft.
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Zur Vermeidung einer Gasübersättigung der Flüssigkeit in der Begasungszone
20 ist deshalb dieser eine Entgasungseinrichtung 1 mit einem Zulauf 3 für die zu
behandelnde Flüssigkeit und einem Ablauf 13, 14 für die entgaste Flüssigkeit vorgeschaltet,
wobei der Zulauf 3 über ein Absperrventil 4 und eine Tauchpumpe 5 mit einem Brunnen
6 in Verbindung steht und der Ablauf 13, 14 über eine Förderpumpe 15 an die Zuleitung
16 der Begasungszone 20 angeschlossen ist.
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Erfindungsgemäß weist die Entgasungseinrichtung 1 eine offene Entgasungszone
2 und eine geschlossene Entgasungszone 10 auf, die gemäßdem Ausführungsbeispiel
der Figur 1 über eine Verbindungsleitung 7 hintereinander geschaltet sind oder gemäß
dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 über eine Wasserkreisleitung 8 mit einer nach
der geschlossenen Entgasungszone 10 angeordneten Förderpumpe 9 parallelgeschaltet
sind. Im ersteren Fall ist dabei der Ablauf 13 für die entgaste Flüssigkeit an die
geschlossene Entgasungszone 10 angeschlossen, während im zweiten Fall der Ablauf
14 für die entgaste Flüssigkeit von der offenen Entgasungszone 2 zu der Förderpumpe
15 in der Zuleitung 16 der Begasungszone 20 führt. Beide Entgasungszonen 2, 10 sind
dabei jeweils als Sprühturm oder als Rieselturm ausgebildet. Der Gasraum der geschlossenen
Entgasungszone 10 steht in jedem Fall über einen Anschlußstutzen 11 mit einer Unterdruckpumpe
12 in Verbindung, mit der in der geschlossenen Entgasungszone 10 ein Unterdruck
erzeugt wird.
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Mit dieser Vorrichtung wird das im Grundwasser von vornherein gelöste
Kohlendioxid zum Teil in der offenen Entgasungszone 2 über eine einfache Verrieselung
oder Versprühung der zu behandelnden Flüssigkeit und der in der Flüssigkeit ebenso
von vornherein gelöst vorhandene bzw. bei der Verrieselung oder Versprühung bis
zum Luftsättigungswert eingetragene Stickstoff zum Teil zusammen mit einem Teil
des Rests des in der offenen Entgasungszone 2 nicht entfernten Kohlendioxids
in
der geschlossenen Entgasungszone 10 mit Hilfe des Unterdrucks ausgetragen, wodurch
der Gesamtdruck der im Wasser gelösten Gase auf einen Wert unter 1 bar absolut erniedrigt
und damit die anschließende Begasung in der Begasungszone ohne Gefahr einer Gasübersättigung
der Flüssigkeit durchgeführt werden kann.
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Ein auf die Figur 1 bezogenes Zahlenbeispiel soll nachstehend das
erfindungsgemäße Verfahren verdeutlichen: Uber die Tauchpumpe 5 werden aus dem Brunnen
6 30 m3/h Wasser über den Zulauf 3 und den Dosierschieber 4 in die Entgasungseinrichtung
1 eingeleitet. Das Brunnenwasser hat eine Temperatur von 100C und enthält 2 mg 02/1,
25,25 mg N2/l und 50 mg/l freie Kohlensäure. Die Summe der zugehörigen Gaspartialdrücke
beträgt damit 1,16 bar. Eine zusätzliche O2-Anreicherung unter Druck würde zwangsweise
zu einer noch höheren Gasübersättigung führen.
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In der Entgasungseinrichtung 1 wird das Wasser zunächst in der offenen
Entgasungszone 2 versprüht. Nach der Versprühung liegt luftgesättigtes Wasser vor
mit einem Stickstoffgehalt von 18,1 mg/1 und einem Sauerstoffgehalt von 11,15 mg/l
während die C02-Konzentration nur noch 10 mg/l beträgt. Dieses teilentgaste Wasser
wird dann über die Verbindungsleitung 7 in die geschlossene Entgasungszone 10 eingeleitet,
in der mit Hilfe der Unterdruckpumpe 12 ein Druck von 0,5 bar aufrechterhalten wird.
Die Unterdruckpumpe 12 zieht stündlich ca.
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0,54 m3 Gasgemisch (bezogen auf 0,5 bar) aus der geschlossenen Entgasungszone
10 ab. Bei einem im Versuch ermittelten Ausgasungswirkungsgrad von 0,75 enthält
dann das aus der geschlossenen Entgasungszone 10 austretende Wasser nur noch 7,03
mg 02/1 und 11,3 mg N2/l. Der Anteil der freien Kohlensäure ist vernachlässigbar
klein. Die Summe der zugehörigen Gaspartialdrücke im entgasten Wasser nach der Entgasungsein-
richtung
1 beträgt somit nur noch 0,623 bar, was einer Differenz der Gesamtpartialdrücke
vor und nach der Entgasung von 0,377 bar entspricht.
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Aus dieser Differenz der Gesamtpartialdrücke ergibt sich eine mögliche
Sauerstoffanreicherung des entgasten Wassers von 20,2 mg/l, ohne daß der Gesamtdruck
von 1 bar unterschritten wird, was bedeutet, daß bei einem Sauerstoffgehalt des
Wassers von 7,03 mg/l nach der geschlossenen Entgasungszone insgesamt ein Sauerstoffgehalt
von 27, 23 mg/l erreicht werden kann, ohne daß eine Gasübersättidung auftritt.
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Dazu wird das entgaste Wasser über den Ablauf 13 der Entgasungseinrichtung
1, die Förderpumpe 15 und die Zuleitung 16 in die Füllkörpersäule 17 eingespeist.
Gleichzeitig werden der Füllkörpersäule über die Gaszuleitung 19 zur O2-Aufstockung
um 20,2 mg/l 453 l/h Sauerstoff zugeleitet, wobei der Betriebsdruck der Füllkörpersäule
1 bar beträgt.
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