DE3490415T1 - Vorrichtung zum Neutralisieren von saurem Wasser - Google Patents

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LEINWEBER &

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Dipl.-lng. H. Leinweber (1930-76) Dipl.-Ing. Heinz Zimmermann Dipl.-lng. A. Gf. ν. Wengersky Dipl.-Phys. Dr. Jürgen Kraus

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Vorrichtung zum Neutralisieren von saurem Wasser

Es ist seit langem allgemeine Praxis, angesäuerte offene Wasserläufe in Form von Seen, Flüssen und Bächen mit Kalkstein zu neutralisieren, der entweder unmittelbar in den wasserlauf oder in einen seiner Zuflüsse eingebracht wird. Im allgemeinen werden entsprechende Maßnahmen eher selten unternommen, beispielsweise einmal im Jahr, und das Ziel besteht darin, tolerierbare Bedingungen für die Tier- und Pflanzenwelt zu schaffen, was zwangsläufig bedeutet, daß der pH-Wert ungefähr 6 oder größer sein muß. Das Ausmaß, in dem die Kalksteine das Wasser beeinflussen, hängt unmittelbar von der Berührungsfläche zwischen diesen und dem Wasser ab. Die Berührungsfläche wird zunehmend kleiner, wenn die

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Kalksteine verbraucht werden. Wenn eine solche Neutralisationsanlage am Zulauf eines Sees installiert wird, dann bewirkt das strömende wasser, daß die Kalksteine aneinander reiben, wodurch die angestrebte Wirkung erleichtert wird. Wenngleich man sagen könnte, insbesondere wenn eine bestimmte Ladung praktisch aufgebraucht wird, daß sich die Kalksteine etwas bewegen, so werden in diesem Zusammenhang große und schwere Steinbrocken verwendet, die auf dem Boden ruhen.

Während der letzten Jahre hat sich gezeigt, daß der durch Ausscheidung transportierte Anteil an schwefelhaltigen Rauchgasen der Industrie, der nicht in Wasserläufe, sondern auf den Boden fällt, weiter in die Bodenschichten eindringt und das Grundwasser sauer macht. Das Ergebnis ist, daß auch in offenen Wasserquellen, wie z.B. gebohrten Schächten, der pH-Wert in die saure Richtung verschoben wird. Die Verwendung von saurem wasser als Trinkwasser oder beim Kochen ist nicht nur unangenehm wegen des schlechten Geschmacks des Wassers, sondern kann in zahlreichen Fällen mit unmittelbaren medizinischen Gefahren verbunden sein. So wurde gefunden, daß, wenn saures wasser durch Kupferrohre hindurchströmt, kleine Kupfermengen im wasser gelöst und dadurch transportiert werden. Wenn solches Wasser konsumiert wird, dann dringt das Kupfer in das Blut ein und kann im Körpergewebe abgelagert werden. Dies kann Schaden verursachen, die von nicht unmittelbar zu beobachtenden unbedeutenden Beschwerden bis zu beachtlichen Vergiftungserscheinungen reichen.

Demzufolge besteht seit langem ein Bedarf an einer Vorrichtung, mit der es möglich ist, saures wasser in Systemen zu neutralisieren, die lediglich ein oder

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wenige Haushalte mit Wasser versorgen. In diesem Fall ist es offensichtlich nicht möglich, die vorstehend erwähnten herkömmlichen Verfahren zu verwenden. Stattdessen muß das ankommende Wasser in einer solchen Weise behandelt werden, daß sein pH-Wert über einen langen Zeitraum hinweg im wesentlichen konstant gehalten wird. Mit der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem gelöst durch Verwendung einer Vorrichtung, die in solchen kleinen Wasserversorgungssystemen angewendet werden kann, wo sie als Filter oder pH-Korrektor wirkend in eine Leitung zwischen der Wasserquelle und den Zapfhähnen, vorzugsweise zwischen einer Pumpe und einem Hochbehälter eingebaut wird. Da in derartigen Wasserversorgungssystemen Pumpen verwendet werden, deren Förderleistung in einem großen Bereich schwankt, ist es eine besondere Aufgabe der Erfindung, eine solche Vorrichtung zu schaffen, deren Arbeitsbereich nicht auf einen schmalen Bereich der Förderleistung der Pumpe beschränkt ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Erfordernis eines ständigen Betriebs der anderen Komponenten des Systems zu überwinden, was bedeutet, daß die Vorrichtung keine durch die Pumpe bewirkte ständige Wasserströmung benötigen soll, sondern auch zur Anwendung in Systemen geeignet sein soll, wo die Pumpen nur zeitweilig arbeiten.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung der vorstehend genannten Bauart, die im Betrieb sehr zuverlässig ist und die grundsätzlich keine Pflege oder Wartung erfordert, selbstverständlich mit Ausnahme des offensichtlich erforderlichen periodischen Nachfüllens des basischen Materials.

Bei einer Vorrichtung zum Anheben des pH-Wertes von saurem Wasser wurde bereits vorgeschlagen, eine Wirbelkammer zu verwenden, in der Teilchen des verwendeten basischen Materials durch eine nach oben gerichtete Wasserströmung in schwimmendem Zustand gehalten werden. Die Querschnittsfläche der Wirbelkammer einer solchen Vorrichtung war aber in vertikaler Richtung konstant oder anders ausgedrückt die Strömungsgeschwindigkeit war in allen Höhenbereichen der Kammer die gleiche. Ein bestimmtes Teilchen kann aber nur im schwimmenden Zustand gehalten werden, wenn die darauf einwirkenden beiden Kräfte ausgeglichen sind, nämlich die nach unten gerichtete Schwerkraft und die vom Wasser erzeugte nach oben gerichtete Auftriebskraft. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in der Vorrichtung konstant ist, dann bedeutet dies, daß nur Teilchen einer einzigen Größe oder einer in einem sehr kleinen Bereich liegenden Größe im schwimmenden Zustand gehalten werden können. Schwerere Teilchen ruhen auf dem Boden und können an der Behandlung nicht aktiv teilnehmen. Wenn das Gewicht der schwimmenden Teilchen durch Abnutzung abnimmt, dann bewirkt die relative Zunahme des Auftriebs, daß sie aus der Behandlungszone abtransportiert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit dem oberen Bereich der Wirbelkammer eine Vorratskammer für ein basi sches Material verbunden. Außerdem ist die wirksame Querschnittsfläche der Wirbelkammer in Strömungsrichtung des Wassers zunehmend vergrößert, was bedeutet, daß die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend abnimmt, wodurch die Teilchen geschichtet werden, so daß die größten Teilchen in den untersten Schichten und die kleinsten Teilchen an der Oberseite vorliegen. Wenn die Teilchen durch gegenseitige Reibung verbraucht werden, dann

werden sie zunehmend auf ein höheres Niveau verlagert. Das auf diese Weise verbrauchte Material wird durch neues Material ersetzt, das sich von der Vorratskammer nach unten bewegt.

Im Vergleich zu der früher vorgeschlagenen Vorrichtung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung verschiedene Vorteile.

Es ist nicht nur unnötig, dafür zu sorgen, daß die Größe der verwendeten Teilchen im wesentlichen konstant sein sollte, sondern die Verwendung von Teilchen unterschiedlicher Größe ist geradezu vorteilhaft. Der Grund hierfür wird später erläutert, aber das Ergebnis dieser Tatsache besteht darin, daß das gesamte basische Material verwendet werden kann. Aus dem gleichen Grund werden auch die vorstehend erwähnten Anforderungen hinsichtlich des Betriebs und der Wartung der Vorrichtung erfüllt.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, welche die Vorrichtung in der Ansicht im Querschnitt zeigt.

Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Behälter 1, der in die Druckleitung zwischen einer Pumpe und einem Hochbehälter eines Wasserversorgungssystems eingebaut wird, das eine Anzahl Zapfstellen versorgt. Die von der Pumpe kommende Druckleitung 2 mündet ungefähr in der Mitte zwischen dem Boden und der Oberseite in den Behälter ein. Sie ist über ein Rohrknie 3 mit einem vertikalen Rohr 4 verbunden, das an seinem unteren Ende offen ist, das in geringem Abstand über dem Boden der Wirbelkammer 6 angeordnet ist. Über dieser Kammer befindet sich eine Vorratskammer 7

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für Kalkstein 5 in der Form von Teilchen von abgestufter Teilchengröße. Der Auslaß 8 für das behandelte Wasser ist bei der beschriebenen Ausfuhrungsform am höchsten Punkt des Behälters angeordnet. Der Raum innerhalb des Behälters zwischen der Oberseite der Kalksteinteilchen und dem Wasserauslaß bildet einen Wasserspeichertank.

Die Wirbelkammer 6, die in diesem Fall einen kreisförmigen Qmerschnitt hat, divergiert etwas nach oben, d.h. sie hat die Form eines Kegelstumpfes. Lediglich als Beispiel für geeignete Verhältnisse kann gesagt werden, daß der Innendurchmesser der Kammer am Boden ungefähr 25 % ihrer Höhe betragen kann. Der Durchmesser im oberen Bereich der Wirbelkammer kann ungefähr 40 % dieses Wertes betragen bei einer Konizität von 5-10°. Ebenfalls nur zur Erläuterung werden nachfolgend einige geeignete Abmessungen für eine Vorrichtung angegeben, die zur Verwendung in einem Wasserversorgungssystem für einen oder einige wenige Haushalte gedacht ist. Der Durchmesser des Bodens kann 6-10 cm und die Höhe 20-50 cm betragen. Diese Werte haben sich als geeignet erwiesen, wenn der Wasserdurchsatz ungefähr 40 l/min beträgt entsprechend einer optimalen Teilchengröße im Bereich von 1-5 mm, einer Strömungsgeschwindigkeit des wassers von ungefähr 17 cm/sec im unteren Bereich der Wirbelkammer und ungefähr 7 cm/sec. im oberen Bereich derselben.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung arbeitet folgendermaßen. Das einströmende Wasser wird vom Boden der Kammer 6 umgelenkt und fließt von dort nach oben durch die Kalksteinteilchen in der Wirbelkammer 6 hindurch. Da die wirksame Querschnittsfläche derselben wegen der divergierenden Form nach oben zunimmt, nimmt

die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend ab. Bevorzugte Bereiche der Strömungegeschwindigkeiten sind 10-30 cm/sec im unteren Bereich und 5-10 cm/sec im oberen Bereich. Da die auf die Teilchen ausgeübte Auftriebskraft zur Strömungsgeschwindigkeit proportional ist, hat die Auftriebskraft ihr Maximum am Boden der Kammer und nimmt nach oben ab. Daraus folgt, daß bei einer vorgegebenen Vorrichtung, die mit bestimmten vorgegebenen Parametern arbeitet, innerhalb des Bereichs der Teilchengröße, wo eine Verwirbelung möglich ist, die größten Teilchen nahe dem Boden der wirbelkammer schwimmen. Die kleinsten Teilchen dieses Bereichs werden in der Kammer weiter nach oben verwirbelt und die noch kleineren Teilchen werden von dem
strömenden Wasser in die Vorratskammer 7 transportiert. Während ihres Durchtritts durch diese Kammer werden sie einer weiteren Reibung ausgesetzt, so daß sie als vollständig aufgelöst angesehen werden können, wenn sie
schließlich den Auslaß 8 erreichen. Zusammenfassend
läßt sich feststellen, daß die Teilchen in unterschiedlichen Höhenlagen schwimmen und "geschichtet" werden,
so daß der gesamte Größenbereich der schwimmenden Teilchen beträchtlich zunimmt.

Beim Betrieb der Vorrichtung reiben sich die Teilchen infolge der Turbulenz der Wasserströmung aneinander, wodurch ihre Größe zunehmend verringert wird. Wie
dies bereits erläutert wurde, hat diese Größenabnahme
zur Folge, daß die Teilchen zunehmend nach oben verlagert werden. Das wichtige und vorteilhafte Ergebnis ist aber nicht diese Verlagerungsbewegung, sondern vielmehr die Tatsache, daß jedes einzelne Teilchen wirksam benutzt werden kann, solange seine Größe in dem Bereich
bleibt, wo ein Schwimmen möglich ist. Wenn man ein

Teilchen während seiner zunehmenden Größenabnahme und der dadurch bedingten Aufwärtsbewegung durch die Wirbelkammer betrachtet, dann kann man diese Größenverringerung als ein zunehmendes "Abschälen" von Oberflächenschichten des Teilchens bezeichnen, was bedeutet, daß stets neue Bereiche des Teilchens freigelegt und für die Reaktion mit dem Wasser zugänglich gemacht werden. Zur Beschreibung dieser Arbeitsweise könnte man auch sagen, daß der Bereich des Teilchens, der bei dem Behandlungsprozeß wirksam verwendet werden kann, dem Unterschied zwischen dem ursprünglichen volumen des Teilchens und dem unbedeutenden Volumen entspricht, das verbleibt, wenn das Teilchen die Vorrichtung möglicherweise zusammen mit dem Wasser verläßt. Es sollte auf jeden Fall klar geworden sein, daß. die Erfindung eine maximale Verwertung des Materials erbringt. In diesem Zusammenhang sind zwei weitere Faktoren von großer Bedeutung.

Der eine Faktor besteht darin, daß die verbrauchten Teilchen ständig durch andere Teilchen aus der Vorratskammer ersetzt werden, die infolge der Schwerkraft zunächst durch die Wirbelkammer nach unten sinken und sodann in der vorstehend beschriebenen Weise ihre Aufwärtsbewegung durch diese Kammer hindurch beginnen. Das Endergebnis besteht darin, daß die Vorrichtung vollautomatisch arbeitet und daß die einzige erforderliche Wartung darin besteht, den aufgebrauchten Kalkstein oder ein anderes verwendetes basisches Material von Zeit zu Zeit nachzufüllen.

Der andere wichtige Faktor betrii t die Trichterform der Vorratskammer 7. Wenn die Pumpe nicht arbeitet,

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so daß die Wasserströmung durch die Vorrichtung unterbrochen wird, dann rutschen Teilchen aus der Vorratskammer nach unten die Wirbelkammer 6. Wenn die Pumpe wieder eingeschaltet wird, dann werden die Vorratsteilchen durch die Wasserströmung nach oben gedrückt, wodurch die vorstehend beschriebene Betriebsweise wieder hergestellt wird.

Die Querschnittsfläche der Kammer 7 ist soviel grosser als diejenige der Kammer 6, daß die Strömungsgeschwindigkeit darin so gering ist, daß keine Verwirbelung stattfinden kann* Stattdessen bleiben die Kalksteinteilchen in der Kammer 7 gepackt und unbeweglich. Dies macht es möglich, den Vorgang derart zu steuern und zu begrenzen, daß das Material nur in der Kammer 6 aufgebraucht wird. Der Wirkungsgrad der Vorrichtung hinsichtlich der optimalen Verwertung des Kalksteinmaterials ist sehr gut, was einen extrem geringen Materialverbrauch zur Folge hat, der bei einem Binfamilienheim in der Größenordnung von 15 kg jährlich liegt.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Neutralisieren von saurem Wasser, bestehend aus einer Kammer, die in ihrem unteren Bereich Wasser empfängt, das in Berührung mit festen Teilchen aus einem basischen Material, vorzugsweise Kalkstein nach oben strömt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des wassers derart gewählt ist, daß die Teilchen in der Kammer verwirbelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil der Kammer mit einer das basische Material zuführenden Speicherkananer (7) verbunden ist, wobei die wirksame Querschnittsfläche der Wirbelkammer (6) in Strömungsrichtung des Wassers zunimmt, was eine entsprechende Abnahme der Geschwindigkeit der wasserströmung bewirkt, wodurch die Teilchen mit den größeren Teilchen unter den kleineren Teilchen geschichtet werden, so daß die Teilchen, wenn sie durch die gegenseitige Reibung verbraucht werden, zunehmend auf ein höheres Niveau verlagert werden und das verbrauchte Material durch neues Material, das sich von der Vorratskammer nach unten bewegt, ersetzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirbelkammer (6) die Form eines umgedrehten Kegelstumpfes hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein einziges, zentral angeordnetes Eintrittsrohr (4) für die Zufuhr von Wasser in die Wirbelkammer (6).

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4. Vorrichtung na«h einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratskammer (7) die Form eines Trichters hat, dessen untere Öffnung mit der Wirbelkammer (6) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Abschnitt derselben ein Wasserreservoir bildet, dessen Auslaß (8) vorzugsweise an der Oberseite des Reservoirs angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Kalkstein bestehen, wobei die Teilchengröße höchstens 10 mm und vorzugsweise 1-5 mm beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie so bemessen und ausgebildet ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im oberen Teil der Wirbelkammer 5-10 cm/sec und im unteren Teil 10-30 cm/sec beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer eine Höhe von 200-500 mm, einen Bodendurchmesser von 60-100 mm und eine Konizität von 5-10° aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Wassers.