DE3144885C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwälzung und Begasung einer Flüssigkeit, insbesondere in einem Belebungsbecken zur biologischen Reinigung eines Abwassers, mit einer durch ein Antriebsaggregat antreibbaren Welle, an deren freiem, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende wenigstens ein Propeller angeordnet ist, durch dessen Steigung in Fortsetzungsrichtung der Welle eine Strömung erzeugbar ist, mit einem die Welle umgebenden Rohr und mit einer Begasungseinrichtung für die Flüssigkeit, die mindestens eine Gaszuführungsleitung aufweist, durch die das Gas unter Druck einleitbar ist, wobei der Antrieb der Welle und der Antrieb der den Druck in der Gaszuführungsleitung erzeugenden Vorrichtung voneinander getrennt sind.

Durch die US-PS 37 82 702 ist eine Vorrichtung bekannt geworden, bei der die Welle zwecks Gaszufuhr in die Flüssigkeit als Hohlwelle ausgebildet ist, und der Propeller setzt sich aus zwei Bereichen mit entgegengesetzt zueinander verlaufenden Wendeln zusammen, welche im Bereich ihrer größten radialen Ausdehnung in einen zylindrischen Teil übergehen, welcher an seinem Umfang mit Gasaustrittsöffnungen versehen ist. Bei Rotation des Propellers werden in bezug auf seinen zylindrischen Mittelteil zwei einander entgegengesetzte Strömungen erzeugt, die aufeinander zulaufen und dann in radialer Richtung abströmen, wobei das Gas zum Begasen der Flüssigkeit ebenfalls radial durch die am Umfang des zylindrischen Teils des Propellers vorgesehenen Öffnungen mitgerissen wird.

Die in der US-PS 29 28 661 beschriebene Vorrichtung weist ebenfalls eine Hohlwelle für die Gaszufuhr und am eingetauchten Ende der Hohlwelle zwei im Abstand zueinander auf derselben befestigte Propeller auf, die eine gegen den Boden des Behälters gerichtete Strömung in der Flüssigkeit erzeugen, wobei durch Rotation der Welle über senkrecht an ihr befestigte offene Rohrstücke Gas in radialer Richtung in den Flüssigkeitsstrom eingebracht wird. Der untere Propeller dient zur nochmaligen Beschleunigung des Flüssigkeitsstroms mit den Gasblasen, bevor die Strömungsgeschwindigkeit zu langsam wird, um den Gasblasen ein Ausbreiten unterhalb des unteren Propellers zu erlauben. Das untere Ende der Hohlwelle ist verschlossen.

Die Vorrichtung nach der DE-PS 24 61 032 weist eine an ihrem aus der Flüssigkeit ragenden und mit dem Antriebsaggregat verbundenen Endabschnitt mit Ansaugöffnungen versehene Hohlwelle auf, welche an ihrem freien Ende einen Propeller trägt und mit einer axialen Gasausströmöffnung vorgesehen ist. Der Propeller besteht aus zwei schraubenförmigen, um den Umfang der Welle gleichmäßig verteilten Wendeln, die längs wenigstens zwei Dritteln des Umfangs der Hohlwelle laufen und deren Radius gegen das eingetauchte Ende der Hohlwelle von Null an zunimmt. Mit Hilfe dieser besonderen Ausbildung des Propellers und der axialen Gasausströmöffnung soll ein gegenüber den zuvor genannten Vorrichtungen eng gebündelter, weit reichender Strahl eines Flüssigkeit-Gas-Gemisches mit hoher Geschwindigkeit innerhalb der zu begasenden und umzuwälzenden Flüssigkeit erzielt werden.

Alle vorerwähnten Vorrichtungen gehen von dem Prinzip aus, durch einen besonders konstruierten Propeller oder Impeller Strömungen in der Flüssigkeit zu erzeugen und durch den dabei sich innerhalb der Hohlwelle einstellenden statischen Unterdruck gleichzeitig Gas oder Luft durch die Hohlwelle anzusaugen, um sie mit der Flüssigkeit zu vermischen. Messungen aus der Praxis haben gezeigt, daß diese Vorrichtungen bei der Anwendung in der biologischen Abwasserreinigung zwar die gewünschte Strömung erzeugen, daß jedoch der Gaseintrag, insbesondere im Verhältnis zur aufgewendeten Energie, außerordentlich unbefriedigend ist, daß also zu wenig Gas bzw. Luft und damit zu wenig Sauerstoff in das Belebtschlamm-Wassergemisch eingetragen wird. Desweiteren haben die bekannten Vorrichtungen den Nachteil, daß Strömungserzeugung und Gas- bzw. Lufteintrag nicht voneinander trennbar sind und damit der wahlweise Einsatz der Vorrichtungen für die Nitrifikation, d. h. den aeroben Abbau organischer Substanz, wozu Strömungserzeugung bei gleichzeitigem Luft- bzw. Sauerstoffeintrag erforderlich ist, und für die Denitrifikation, d. h. den anaeroben Abbau organischer Substanz, wozu Strömungserzeugung unter Ausschluß von Sauerstoff erforderlich ist, nicht möglich ist.

Durch die DE-OS 21 20 875 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt geworden, die ein fest montiertes Einlaßrohr aufweist, das vertikal in der Flüssigkeit angebracht und mit dem oberen Einlaß eines nach unten sich erweiternden Trichters verbunden ist, der eine Strömungskammer mit nach unten zunehmendem Strömungsquerschnitt einschließt. Am oberen Einlaß der Strömungskammer ist in dieser an einer durch ein Antriebsaggregat angetriebenen Welle ein Flügelrad angebracht, das in der Flüssigkeit eine abwärts gerichtete Strömung erzeugt. Von einer Luft- oder Sauerstoffquelle wird das Gas unter Druck über eine Leitung einem Verteiler zugeführt, der unterhalb des Flügelrades in der Strömungskammer angeordnet ist und von dem kontinuierlich Gasblasen in die abwärts gerichtete Strömung der Flüssigkeit eingebracht werden. Der Antrieb der das Flügelrad betätigenden Welle und der Antrieb der den Druck in der Gaszuführungsleitung erzeugenden Vorrichtung sind hierbei voneinander getrennt. Diese Vorrichtung ist jedoch verhältnismäßig bauaufwendig, und es wird mit ihr auch keine kräftige umlaufende Strömung und kein weitreichender Gaseintrag erreicht. Die erzeugte abwärts gerichtete Strömung dient lediglich dazu, die eingeführten Gasblasen möglichst lange in Kontakt mit der Flüssigkeit zu halten, um dadurch günstige Lösungsbedingungen zu schaffen. Die Vorrichtung arbeitet grundsätzlich stationär in einem bestimmten Bereich, und bei Vorhandensein einer größeren Flüssigkeitsmasse sieht diese Druckschrift daher die Anordnung einer Vielzahl solcher Vorrichtungen in gitterartiger Verteilung vor. Es versteht sich, daß eine solche Vorrichtung oder Anordnung mehrerer solcher Vorrichtungen auch einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels derer eine möglichst energiesparende, aber wirkungsvolle Umwälzung und Begasung, insbesondere Belüftung, der Flüssigkeit, d. h. hohe Gas- bzw. Sauerstoffeintragswerte im Verhältnis zur aufgewendeten Energie erreicht und das Gas bzw. die Luft möglichst feinblasig in die Flüssigkeit eingebracht und mit ihr vermischt wird. Dabei sollen Strömungserzeugung und Gas- bzw- Lufteintrag unabhängig, d. h. voneinander getrennt erfolgen können, um z. B. einen wahlweisen Einsatz der Vorrichtung für die Nitrifikation und die Denitrifikation bei der biologischen Abwasserreinigung zu ermöglichen. Die Vorrichtung soll außerdem von einfacher und kompakter Bauweise und unter vielfältigen Bedingungen einsetzbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Propeller im Bereich der unteren Öffnung des Rohres angeordnet ist, daß das Rohr auf der Seite des Antriebsaggregates gegen die Welle abgedichtet ist, daß die Gaszuführungsleitung in das Rohr mündet, wobei das eingetragene Gas durch den Propeller feinblasig zerschlagen wird, und daß die den Druck in der Gaszuführungsleitung erzeugende Vorrichtung ein Niederdruckverdichter (z. B Ventilator, Gebläse) ist.

Hierdurch wird erreicht, daß die Vorrichtung bei relativ geringer Eintauchtiefe in die Flüssigkeit eine geringe Verdichterenergie benötigt. Der Gas- bzw. Lufteintrag wird auch nicht mehr wie bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik durch den bei der Strömungserzeugung gleichzeitig erzeugten Unterdruck bewirkt, was einerseits sehr energieverzehrend war, andererseits nur einen unbefriedigenden Gas- bzw. Lufteintrag erbrachte; vielmehr wird das Gas bzw. die Luft mit Druck an den Propeller herangeführt, der neben der Strömungserzeugung ein Zerschlagen des unter Druck herangeführten Gases (Luft) in feinste Bläschen bewirkt, die dann von der erzeugten Strömung mitgerissen werden und wegen ihrer feinen Verteilung leichter in Lösung gehen. So konnte einerseits der Gas- bzw. Lufteintrag bei gleichzeitiger Verminderung der erforderlichen Energie wesentlich erhöht werden und andererseits ein außerordentlich feinblasiger und damit effektiver Gas- bzw. Lufteintrag in die Flüssigkeit erreicht werden.

Die Abdichtung des Rohres auf der Seite des Antriebsaggregats gegenüber der Welle verhindert, daß die in den Propellerbereich eingeleitete Luft wieder nach hinten zur Atmosphäre entweicht.

Durch die Verwendung eines Niederdruckverdichters (Ventilators oder Gebläses) als den Druck in der oder den Gaszuführungsleitung(en) erzeugende Vorrichtung kann, weil der bei der Strömungserzeugung durch den Propeller im Propellerbereich gleichzeitig erzeugte Unterdruck den Gas- oder Lufteintrag durch die Zuführungsleitungen unterstützt, mit nur geringer Überdruckleistung und damit energiesparend ein zufriedenstellender Gas- oder Lufteintrag erreicht werden.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine starke, weitreichende Strömung und häufige Umwälzung der Flüssigkeit erzeugt, so daß die Flüssigkeit in ständiger Bewegung gehalten und gleichzeitig intensiv mit verwirbelten Gasblasen angereichert wird. Im Falle eines Belebungsbeckens zur biologischen Abwasserreinigung wird hierdurch auch den am Boden und an den Böschungen des Beckens angesiedelten, die Verunreinigungen aerob abbauenden Mikroorganismen der benötigte Sauerstoff zugeführt.

Da der Gas- bzw. Lufteintrag nicht ursächlich im Zusammenhang steht mit der Strömungserzeugung, ist sowohl eine Strömungserzeugung mit gleichzeitigem Gas- bzw. Lufteintrag, als auch eine Strömungserzeugung ohne Gas- bzw. Lufteintrag möglich. So ist die Vorrichtung wahlweise oder abwechselnd z. B. für die aerobe Bedingungen erfordernde Nitrifikation und für die anaerobe Bedingungen erfordernde Denitrifikation in Kläranlagen einsetzbar.

Vorteilhaft können auf dem freien, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende der Welle zwei Propeller mit gleichsinniger Steigung in geringem Abstand (einige cm) hintereinander angeordnet sein. Die zwei Propeller haben vorzugsweise den gleichen Durchmesser und können eine unterschiedliche Steigung aufweisen, wobei vorteilhaft die Steigung des ersten, dem freien Ende der Welle näher gelegenen Propellers größer ist als die des zweiten Propellers. Außerdem können die Flügel der beiden Propeller gegeneinander verschränkt sein.

Der zweite Propeller verstärkt in vorteilhafter Weise die erzeugte Strömung und die Saugwirkung; er bewirkt auch eine noch feinblasigere Zerschlagung der in den Propellerbereich eingeführten Luft, so daß ein feinstblasiger Gas- bzw. Lufteintrag in die Flüssigkeit erzielt werden kann; der Gas-Lösungsvorgang wird so nochmals verstärkt. Außerdem verhindert der zweite Propeller Verstopfungen oder schlägt sie weg und wirkt damit der Gefahr einer Blockierung der Rotationsbewegung entgegen.

Der oder die Propeller sind vorzugsweise handelsübliche Schiffspropeller für leichte Motorboote. Indem nicht wie nach dem Stand der Technik besonders ausgebildete Propeller, die teilweise nur in Sonderanfertigung oder geringen Stückzahlen hergestellt werden, sondern handelsübliche Propeller verwendet werden, vermindern sich die Herstellungskosten der Vorrichtung.

Vorzugsweise ist die Abdichtung des Rohres unmittelbar hinter dem Antriebsaggregat (auf der Seite der Welle) angeordnet.

Das Rohr kann auch hinter der Einmündung der Gaszuführungsleitung(en) in seinen Endbereich gegen die Welle abgedichtet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des Rohres deutlich größer als der der Welle, und der Durchmesser der Öffnung des Rohres kann geringfügig größer als der der Propeller sein. Durch diese Ausgestaltung werden die Strömungserzeugung und der Gas- oder Lufteintrag unterstützt.

Die Gaszuführungsleitung kann im Bereich des unteren Endes des Rohres in dieses münden. Sie kann aber auch im oberen Bereich des Rohres in dieses münden. Einer kompakten Bauweise dient es, wenn die Gaszuführungsleitung innerhalb des Rohres verläuft und an dessen Öffnung endet.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Gaszuführungsleitung als Gaszuführungsrohr ausgebildet, das unmittelbar hinter der Öffnung des Rohres im spitzen Winkel in das Rohr mündet. Indem so das einzutragende Gas unmittelbar hinter dem bzw. den die Strömung erzeugenden Propeller(n) in die Flüssigkeit eingeblasen wird, wird die zu überwindende Flüssigkeitssäule am Austritt des Gases niedrig gehalten, was sich energiesparend auswirkt. Vorzugsweise beträgt der Winkel, in dem das Gaszuführungsrohr in das Rohr mündet, 30° bis 45°. Diese Ausgestaltung erleichtert die technische Realisierung der Gas- bzw. Lufteinleitung unter Vermeidung von Wirbelbildungen. Dabei münden vorteilhaft zwei in einer Ebene liegende Gaszuführungsrohre symmetrisch in das Rohr, weil dadurch gegenüber nur einem Gaszuführungsrohr der erreichbare Gaseintrag wesentlich gesteigert (verdoppelt) wird und die symmetrische Anordnung der Gaszuführungsrohre zum Rohr eine Stabilisierung der Lage der Vorrichtung während des Betriebes bewirkt.

Der Niederdruckverdichter (Ventilator, Gebläse) kann in den Gaszuführungsrohr(en) angeordnet sein und einen geringen Energieverbrauch aufweisen. Ein Ventilator kann beispielsweise eine Leistungsaufnahme von etwa 140 Watt und eine Förderleistung von etwa 530 m³ Luft/Stunde ohne Gegendruck haben. Versuche und Messungen haben ergeben, daß damit bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gegenüber den bekannten Vorrichtungen bis zu 20-fache Gas- oder Luftmenge bei gleichem oder sogar geringerem Energieaufwand in die Flüssigkeit eingetragen werden kann.

Der Antrieb des Ventilators kann über eine Zeitschaltuhr oder einen Impulsgeber betätigbar sein. So kann die Vorrichtung bedarfsweise sowohl zur Erzeugung einer Nitrifikation in Belebungsbecken von Kläranlagen, d. h. zur Strömungserzeugung mit gleichzeitigem Lufteintrag, als auch zur Einleitung einer Denitrifikation, d. h. zur Strömungserzeugung ohne Lufteintrag, verwendet werden.

Die gesamte Vorrichtung ist vorzugsweise auf Schwimmer(n) montiert, um sich verändernden Flüssigkeitsspiegeln höhenmäßig selbsttätig anpassen zu können.

An der Halterung der Vorrichtung kann ein Verstellsegment vorgesehen sein, durch das der Eintauchwinkel der Welle und damit auch die Richtung der erzeugbaren Strömung verstellbar ist, wodurch sich die Verteilung der feinen Gas- bzw. Luftblasen in der Flüssigkeit optimieren läßt.

Besondere Bedeutung hat in der Abwassertechnik das Verhältnis von 1 kg eingetragenem und gelöstem Sauerstoff zu 1 Kilowattstunde als Maß für eine wirtschaftliche Belüftung. Der Sauerstoff ist beim aeroben Abbau organischer Substanz zur Veratmung durch die Mikroorganismen unbedingt notwendig. Die zukünftige Entwicklung geht bei der Bemessung von Abwasserreinigungsanlagen zu immer geringer werdenden Belastungen, um das Reinigungsergebnis zu steigern. Damit wird aber das Sättigungsdefizit im Belebtschlamm-Wasser- Gemisch immer geringer, d. h. der Sauerstoffeintrag immer aufwendiger. Bei Abwasserteichen ist das Sättigungsdefizit für Sauerstoff am geringsten.

Die hier beschriebene Vorrichtung wird diesen Bedingungen besser gerecht und kann hohe Luftmengen bei geringem Energieaufwand in das Abwasser eintragen.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber nicht auf die Abwasserreinigung beschränkt; sie eignet sich auch zum Einsatz bei der Flußbelüftung und Begasung von Flüssigkeiten und Flüssigkeiten mit Feststoffen allgemein, auch zwecks Einleitung chemischer Reaktionen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht, teilweise im Längsschnitt.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 treibt ein Elektromotor 1 eine Welle 2 an. Die Welle 2 ist umgeben von einem Rohr 3 mit gegenüber der Welle 2 deutlich größerem Durchmesser (beispielsweise 250 mm), das mit der Aufhängung 4 der Vorrichtung verbunden ist und bei 5 an seinem dem Elektromotor 1 zugewandten Ende gegen die Welle 2 abgedichtet, an seinem anderen, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende mit der Öffnung 6 dagegen offen ist, so daß hier ein offener Endbereich 3′ des Rohres 3 gebildet ist, durch welchen bis etwa zur oder bis vor die Öffnung 6 ebenfalls die Welle 2 ragt.

Unmittelbar vor der Öffnung 6 des Rohres 3 ist auf dem freien Ende der Welle 2 mindestens ein Propeller 7, in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind zwei Propeller 7 und 8 in geringem Abstand zueinander (im Bereich von wenigen cm) hintereinander auf der Welle 2 befestigt, wobei der zweite Propeller 8 im Bereich oder, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, unmittelbar hinter der Öffnung 6 auf der Welle 2 sitzt. Die Propeller 7 und 8 haben einen Durchmesser, der um weniges kleiner ist als der der Öffnung 6, sie sind vorzugsweise zueinander verschränkt und weisen eine unterschiedliche, aber gleichsinnige Steigung auf. Dabei ist die Steigung des zweiten, der Öffnung 6 des (Schutz-) Rohres 3 näherliegenden Propellers 8 geringer als die des ersten Propellers 7. Der zweite Propeller 8 unterstützt, wie weiter unten noch beschrieben wird, die Wirkung des ersten Propellers 7 und verhindert Verzopfungen. Es können für den hier beschriebenen Zweck normale Schiffspropeller verwendet werden, wie sie im Handel für leichte Motorboote (Motorboote für Binnengewässer) angeboten werden.

Unmittelbar hinter der Öffnung 6 münden im Ausführungsbeispiel in symmetrischer Anordnung zwei in einer Ebene liegende Gas- bzw. Luftzuführungsrohre 9 beiderseits im spitzen Winkel (vorzugsweise 30° bis 45°) in den (offenen) Endbereich 3′ hinter der Öffnung 6 des Rohres 3. Hinter den Einmündungen der Gaszuführungsrohre 9 in den Endbereich 3′ des Rohres 3 befindet sich eine weitere Abdichtung 5′ durch welche das Rohr 3 (zur Öffnung 6 hin) ebenfalls gegen die Welle 2 abgedichtet und der (offene) Endbereich 3′ zum übrigen Rohr 3 abgegrenzt ist.

Die im spitzen Winkel in den Endbereich 3′ des Rohres 3 einmündenden Gaszuführungsrohre 9 können, wie in Fig. 1 gezeigt, über eine Krümmung 9′ alsdann parallel zum Rohr 3 geführt, aber auch, wie in Fig. 2 gezeigt, gerade ausgeführt sein. An den den Einmündungen der Gaszuführungsrohre 9 in den Endbereich 3′ des Rohres 3 entgegengesetzten, freien Enden der Gaszuführungsrohre 9 ist jeweils ein (handelsüblicher) Ventilator 10 befestigt. Beide Ventilatoren 10 werden im Sinne eines Verdichters betrieben, d. h. sie saugen Luft von außen an, verdichten die in den Gaszuführungsrohren 9 stehende Luftsäule und drücken so die Luft mit leichtem Überdruck aus der Öffnung 6 des Rohres 3. Beide Gaszuführungsrohre 9 sind durch Halterungen mit der Aufhängung 4 verbunden. Die gesamte Vorrichtung ist mit ihrer Aufhängung 4 an einem Schwimmer 12 (Fig. 2) befestigt, so daß sie sich selbsttätig dem Flüssigkeitsstand der zu begasenden und/oder umzuwälzenden Flüssigkeit z. B. in einem Belebungsbecken anpaßt. Dabei ist an der Aufhängung 4 vorzugsweise ein Verstell- oder Einrastsegment mit mehreren Einraststufen oder kontinuierlicher Verstellmöglichkeit vorgesehen, so daß der Eintauchwinkel der gesamten Vorrichtung in Bezug auf die Flüssigkeitsoberfläche verstellbar ist.

Der Elektromotor 1 und die Ventilatoren 10 werden aus Gründen, die weiter unten noch dargelegt werden, vorzugsweise über getrennte Kabel mit Strom versorgt. Um bei niedrigen Außentemperaturen ein Einfrieren der Ventilatoren 10 zu verhindern, kann in den Gaszuführungsrohren 9 unterhalb der Ventilatoren 10 jeweils ein Heizgitter vorgesehen sein. An der Öffnung 6 des Rohres 3 kann unterhalb der Propeller 7, 8 eine in der Zeichnung nicht dargestellte Leitschale befestigt sein, um die beim Betrieb der Vorrichtung von den Propellern erzeugte Strömung zu richten.

Alle Teile der Vorrichtung sind selbstverständlich vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material, insbesondere das Rohr 3 und die Gaszuführungsrohre 9; die Propeller 7, 8 können aus Kunststoff, z. B. PVC, bestehen.

Bei einer praxisnahen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Elektromotor 1 ein Drehstrommotor mit einer Leistungsaufnahme von etwa 2,4 kW; in Anpassung an die verwendeten Propeller 7, 8 kann die Leistungsaufnahme aber auch um etwa 1,1 kW über oder unter diesem Wert liegen. Die oberste Grenze wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit bei 5 bis 7 kW gesehen. Die Ventilatoren 10 sind vorzugsweise Niederdruckventilatoren mit einer Leistungsaufnahme von jeweils 140 Watt und einer nur geringen Überdruckleistung von jeweils etwa 50 mm WS und einer Luftfördermenge von jeweils 530 m³ pro Stunde ohne Gegendruck. Der Durchmesser des Rohres 3 liegt bei 250 mm, der der Gaszuführungsrohre 9 bei 200 mm. An den beiden Gaszuführungsrohren 9 können Manschetten zur Abdichtung der Nahtstellen aufgezogen werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird die Welle 2 direkt durch den Elektromotor 1 angetrieben; selbstverständlich ist auch ein Antrieb mit Über- oder Untersetzung möglich, wenn eine höhere oder niedrigere Tourenzahl der Propeller 7, 8 gewünscht wird.

Wirkungsweise der Vorrichtung:
Für den Betrieb der Vorrichtung wird diese auf der Oberfläche der zu begasenden und/oder umzuwälzenden Flüssigkeit, z. B. des Belebungsbeckens einer Kläranlage, schwimmend befestigt, und sie taucht unter einem bestimmten, einstellbaren Winkel mit ihrem von dem Elektromotor 1 abgewandten Ende, also mit der Öffnung 6 und den Propellern 7 und 8, in nicht zu großer Tiefe in die Flüssigkeit ein. Der Elektromotor 1 und die Ventilatoren 10 werden über getrennte Stromkabel angetrieben. Durch die Rotation der Propeller 7 und 8 werden eine starke, im wesentlichen nach vorn, also in Fortsetzungsrichtung der Welle 2 gerichtete Strömung und durch die dabei auftretende Sogwirkung im Bereich zwischen der Öffnung 6 und dem vordersten Propeller 7 ein gewisser Unterdruck erzeugt. In diesen Bereich wird, unterstützt durch den erzeugten Unterdruck, von den Ventilatoren 10 aus der Atmosphäre angesaugte Luft mit geringem Überdruck durch die Gaszuführungsrohre 9 eingebracht. Die so in den Unterdruck- bzw. Propellerbereich eingebrachte Luft wird durch die sich hochtourig drehenden Propeller 7 und 8 sehr fein zerschlagen und unter Überwindung des Gegendrucks der Wassersäule durch die erzeugte Strömung in die Flüssigkeit mitgerissen und durch starke Turbulenz innig mit der Flüssigkeit vermischt, so daß der Lufteintrag im wesentlichen außerordentlich feinblasig (ca. 1 mm Durchmesser der Luftblasen) und damit für die Begasung der Flüssigkeit außerordentlich effektiv erfolgt und eine hohe Rate an Lösung von Gas in der Flüssigkeit erzeugt wird. Die motorseitige Abdichtung 5 des Rohres 3 gegenüber der Welle 2 verhindert, daß die eingeleitete Luft, statt in den Propellerbereich und die Flüssigkeit einzutreten, auf dem Weg des geringsten Widerstandes wieder in die Atmosphäre entweicht. Die durch die Propeller 7, 8 erzeugte Strömung reicht 1 bis 5 m tief, und die durch sie bewirkte Verwirbelung der Luftblasen ist außerordentlich intensiv und weitreichend. Wegen der unterstützenden Wirkung des im Propellerbereich erzeugten Unterdrucks genügt eine geringe Kraft, d. h. ein geringer Überdruck, um die Luft einzubringen und eventuell die vor Inbetriebnahme der Vorrichtung in den Gaszuführungsrohren 9 stehende Flüssigkeit zu verdrängen, so daß, wie bereits gesagt, die Ventilatoren 10 Niederdruckventilatoren sein können. Wenn die Ventilatoren 10, wie oben beispielhaft angegeben, bei einer Leistungsaufnahme von jeweils 140 Watt eine Luftförderleistung von 530 m³/Stunde ohne Gegendruck aufweisen, so leisten sie mit Gegendruck (etwa 50 mm Wassersäule), also bei (um 5 cm) eingetauchter Vorrichtung, etwa 300 m³/Stunde. Insgesamt läßt sich also mit beiden Ventilatoren 10 ein Lufteintrag von 600 m³/Stunde bei einer Leistungsaufnahme von 280 Watt erreichen. Damit konnte das gesteckte Ziel eines Lufteintrags von 600 m³/Stunde bei 2,4 - 2,5 kW sogar weit übertroffen werden und eine gegenüber dem Stand der Technik fast 20-fache Luftmenge bei geringerer Leistungsaufnahme erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zur Anwendung bei großen Wasserflächen in kreisrunden oder ovalen Belebungsbecken und kreisrund oder oval verlaufenden Oxydationsgräben von Kläranlagen und bei Teichanlagen, in denen eine umlaufende Strömung erzeugt werden kann.

So wurde in einem Oxydationsgraben von 99 m Umfang einer Kläranlage, in dem bisher das Belebtschlamm- Wassergemisch durch zwei Bürstenwalzen von jeweils 6 kW Leistungsaufnahme rund gepumpt wurde, beim versuchsweisen Einsatz eines Prototyps der erfindungsgemäßen Vorrichtung an der Lufteintragungsstelle nach einer Betriebszeit von 1/2 Stunde ein Sauerstoffgehalt von 6 mg 0₂/Liter gemessen, und das, darauf sei ausdrücklich hingewiesen, ohne zusätzliche Pumpvorrichtung zur Bewegung des Belebtschlamm-Wassergemisches; denn die erfindungsgemäße Vorrichtung treibt einerseits das Wasser bzw. das Belebtschlamm-Wassergemisch rund und deckt andererseits den Sauerstoffbedarf der Verunreinigungen (aerob) abbauenden Mikroorganismen, und dies bei einem geringeren Energieaufwand.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich aber auch für die Flußbelüftung (also ohne rundlaufende Strömung), für die Nachbelüftung, u. a. die thermophile Behandlung des Überschußschlammes aus Kläranlagen, und für die Begasung von Flüssigkeiten oder Flüssigkeit-Schlammgemischen allgemein. Selbstverständlich können bei Bedarf in einem Belebungsbecken, einem Oxydationsgraben oder einem Flußlauf mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde oben in Verbindung mit der Reinigung von Abwässern für den Fall der Nitrifikation, d. h. der Oxidation von Ammoniumverbindungen, durch Mikroorganismen beschrieben. Bei der Abwasserreinigung ist aber neben der Nitrifikation auch die Denitrifikation, d. h. der anaerobe Abbau des bei der Nitrifikation entstehenden Nitrats durch eine andere Art von Mikroorganismen, von Bedeutung, die einsetzt, wenn das weitgehend gereinigte Abwasser dann sauerstofffrei gehalten wird und Wasserstoffdonatoren in Form von unbehandeltem Abwasser zur Verfügung stehen.

Da nach der vorliegenden Erfindung der Elektromotor 1 für den Antrieb der Propeller 7 und 8 und die Ventilatoren 10 für den Gas- bzw. Lufteintrag über getrennte Stromkreisläufe antreibbar sind und der Gas- bzw. Lufteintrag nicht wie beim Stand der Technik ursächlich mit der Strömungserzeugung zusammenhängt, bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den besonderen Vorteil, wahlweise und wechselnd für die Nitrifikation und die Denitrifikation einsetzbar zu sein. Für die Nitrifikation werden der Elektromotor 1 und die Ventilatoren 10 gleichzeitig angetrieben und damit gleichzeitig mit der Strömung oder Umwälzung in der Flüssigkeit oder dem Belebtschlamm-Wassergemisch der Sauerstoffeintrag erreicht, um die für die Nitrifikation erforderliche aerobe Bedingung zu schaffen. Für die Denitrifikation wird nur der Elektromotor 1 angetrieben; damit wird eine Strömung ohne Lufteintrag erzeugt, so daß sich in der Flüssigkeit bzw. dem Belebtschlamm-Wassergemisch der dafür erforderliche anaerobe Zustand einstellt. Der Antrieb der Ventilatoren 10 kann den Erfordernissen entsprechend über eine Zeitschaltuhr oder einen Impulsgeber gesteuert erfolgen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde anhand der Zeichnung in der Ausführung mit zwei auf der Welle 2 hintereinander angeordneten Propellern 7 und 8 und zwei seitlich in das Rohr 3 einmündenden Gaszuführungsrohren 9 beschrieben. Grundsätzlich genügt für die Erzeugung der Strömung auch ein unmittelbar vor der Öffnung 6 des Rohres 3 auf der Welle 2 angeordneter Propeller 7 und für den Gaseintrag ein seitlich in das Rohr 3 einmündendes Gaszuführungsrohr 9. Durch den zum ersten Propeller 7 verschränkten zweiten Propeller 8 mit gleichsinniger, aber vorzugsweise geringerer Steigung werden jedoch die den Gaseintrag unterstützende Saugleistung erhöht und die Strömungserzeugung verstärkt. Außerdem werden durch den zweiten Propeller 8 Verzopfungen verhindert oder weggeschleudert und damit der Gefahr einer Blockierung des Motors 1 entgegengewirkt. Durch die symmetrische Anordnung zweier (oder mehrerer), vorzugsweise in einer Ebene liegender, seitlich in das Rohr 3 einmündender Gaszuführungsrohre 9 werden die Lage der Vorrichtung während des Betriebes stabilisiert und der Gaseintrag erhöht. Eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung mit nur einem Propeller und nur einem Gaszuführungsrohr ist aber möglich. Auch kann die Vorrichtung als eine Ausführungsform mit innerhalb des Rohres 3 verlaufenden Gaszuführungsleitungen ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde im Vorstehenden beispielhaft für den Einsatz in Kläranlagen zur biologischen Reinigung von Abwässern beschrieben; ihre Anwendung ist jedoch nicht auf dieses Gebiet beschränkt. Sie kann auch zur Belüftung stehender oder fließender Gewässer und darüber hinaus überall dort Anwendung finden, wo in flüssigen Medien oder Mischungen von Flüssigkeiten mit Feststoffen eine Strömung bzw. Umwälzung erzeugt werden soll oder wo gasförmige Medien wie Luft, Sauerstoff, andere Gase oder deren Gemische möglichst feinblasig in flüssige Medien (oder Mischungen von Flüssigkeiten mit Feststoffen) eingebracht werden sollen, insbesondere auch zur Herbeiführung chemischer Reaktionen.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Umwälzung und Begasung einer Flüssigkeit, insbesondere in einem Belebungsbecken zur biologischen Reinigung eines Abwassers, mit einer durch ein Antriebsaggregat antreibbaren Welle, an deren freiem, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende wenigstens ein Propeller angeordnet ist, durch dessen Steigung in Fortsetzungsrichtung der Welle eine Strömung erzeugbar ist, mit einem die Welle umgebenden Rohr und mit einer Begasungseinrichtung für die Flüssigkeit, die mindestens eine Gaszuführungsleitung aufweist, durch die das Gas unter Druck einleitbar ist, wobei der Antrieb der Welle und der Antrieb der den Druck in der Gaszuführungsleitung erzeugenden Vorrichtung voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Propeller (7) im Bereich der unteren Öffnung (6) des Rohres (3) angeordnet ist,
daß das Rohr auf der Seite des Antriebsaggregates (1) gegen die Welle (2) abgedichtet ist,
daß die Gaszuführungsleitung (9) in das Rohr mündet, wobei das eingetragene Gas durch den Propeller feinblasig zerschlagen wird,
und daß die den Druck in der Gaszuführungsleitung erzeugende Vorrichtung ein Niederdruckverdichter (z. B. Ventilator, Gebläse 10) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem freien, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende der Welle (2) zwei Propeller (7, 8) mit gleichsinniger Steigung in geringem Abstand (einige cm) hintereinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller (7, 8) gleichen Durchmesser haben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel der beiden Propeller (7, 8) gegeneinander verschränkt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller (7, 8) eine unterschiedliche Steigung aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des ersten, dem freien Ende der Welle (2) näher gelegenen Propellers (7) größer ist als die des zweiten Propellers (8).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Propeller (7, 8) handelsübliche Schiffspropeller für leichte Motorboote sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Rohres (3) unmittelbar hinter dem Antriebsaggregat (1) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (3) hinter der Einmündung der Gaszuführungsleitung(en) (9) in seinen Endbereich (3′) gegen die Welle (2) abgedichtet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rohres (3) deutlich größer als der der Welle (2) ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnung (6) des Rohres (3) geringfügig größer als der der Propeller (7; 7, 8) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsleitung (9) im Bereich des unteren Endes (3′) des Rohres (3) in dieses mündet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsleitung (9) im oberen Bereich des Rohres (3) in dieses mündet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsleitung als Gaszuführungsrohr (9) ausgebildet ist, das unmittelbar hinter der Öffnung (6) des Rohres (3) im spitzen Winkel in das Rohr (3) mündet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, in dem das Gaszuführungsrohr (9) in das Rohr (3) mündet, 30° bis 45° beträgt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einer Ebene liegende Gaszuführungsrohre (9) symmetrisch in das Rohr (3) münden.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruckverdichter (z. B. Ventilator, Gebläse 10) in dem Gaszuführungsrohr (9) angeordnet ist und einen geringen Energieverbrauch aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator (10) eine Leistungsaufnahme von etwa 140 Watt und eine Förderleistung von etwa 530 m³/Stunde ohne Gegendruck hat.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des Ventilators (10) über eine Zeitschaltuhr oder einen Impulsgeber betätigbar ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Vorrichtung auf Schwimmer(n) (12) montiert ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß an der Halterung (4) der Vorrichtung ein Verstellsegment vorgesehen ist, durch das der Eintauchwinkel der Welle (2) und damit auch die Richtung der erzeugbaren Strömung verstellbar ist.