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WIRBELKEGELROHRER & BEGASER
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VORRICHTUNG ZUM BEGASEN UND UMFALZEN VON FLÜSSIGKEITEN IN BECKEN
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begasen von Becken, insbesondere zum
Belüften von Belebtschlamm in Kläranlagen. Gleichzeitig ist die Vorrichtung geeignet,
die Beckenflüssigkeit umzuwälzen, um so Begasungs- und Umrührphasen in Sequenz ablaufen
zu lassen. Die hier vorliegenden Erläuterungen beschreiben die Vorrichtung und geben
ihre wichtigsten Merkmale an.
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Belüfter, Rührer und Mischer finden in vielen Bereichen der Ingenieurpraxis,
insbesondere der Abwassertechnik und der chemischen Verfahrenstechnik, weitreichende
Beachtung und stellen oftmals wichtige Bestandteile von Prozeßanlagen dar. Der kontinuierlichen
Weiterentwicklung bestehender Verfahren, sowohl für die Belüftung, Mischung und
Rührung, sowie deren Optimierung, wird aus diesem Grunde von der Industrie große
Beachtung geschenkt. Besondere Aufmerksamkeit finden Vorrichtungen, die als kombinierte
Systeme bekannt sind.
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Diese zeichnen sich durch getrennte Vorrichtungen aus, einerseits
um die erforderliche Umwälzung der Flüssigkeit und andererseits die Begasung zu
erreichen
und die so unabhängige Regelungen der benötigten Begasung
und Umwalzung von Flüssigkeiten zulassen. Die hier vorgestellte Vorrichtung ist
in diese gemischten Systeme einzuordnen.
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Eine besondere Anwendung von Verfahren und Einrichtungen zum Belüften
und Mischen (Umwälzen) von Flüssigkeiten liegt bei der Abwasserreinigung vor.
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Dort muß Belebtschlamm von der Beckensohle her umgewälzt werden, um
die Sedimentation von Feststoffen im Becken zu verhindern. Gleichzeitig müssen in
bestimmten Phasen Sauerstoffeintragsprozesse ablaufen, um den von Mikroorganismen
im Belebtschlamm benötigten Sauerstoff einzubringen. Ist diese Eintragung erfolgt,
schließt sich bei der modernen Abwasserreinigung eine Phase der Denitrifizierung
an, in der wiederum nur ein Umrühren des Beckeninhaltes erforderlich ist. Sauerstoffzugabe
mit Rührung und alleinige Rührung sollten somit im Wechselbetrieb möglich sein,
um eine gesteigerte Klärleistung durch eine gezielte Steuerung der Anlage zu erhalten.
Hierbei muß Berücksichtigung finden, daß in der Abwassertechnik besondere betriebstechnische
und finanzielle Randbedingungen und auch besondere Anforderungen an die Funktionsweise
vorliegen.
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+ Betriebstechnische und finanzielle Randbedingungen - Geringe Investitionskosten
und geringe Betriebskosten.
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- Einfacher Betrieb der Anlage durch Personal mit geringen Spezialkenntnissen.
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- Geringe Reparaturanfälligkeit und leichte Reparaturdurchführung.
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- Variationen des Betriebspunktes über weite Bereiche der gestellten
Randbedingungen.
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- Geringe Umweitbelästigung durch Aerosolbildung, Geruchsbelästigung
und Geräuscherzeugung.
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+ Randbedingungen für die Funktionsweise - Optimaler Sauerstoffeintrag
und damit Auswahl des Eintragungsmechanismus, z.B. durch Aufrauhen der Wasseroberfläche,
Tropfenauswurf, Blaseneintragung, etc.
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- Gute Durchmischung des zu belüftenden Wassers zum Abbau von Konzentrationsunterschieden
im Belüftungsbecken.
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- Verhinderung der Absetzung von Abwasserinhaltsstoffen durch ausreichend
hohe Sohlgeschwindigkeiten.
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- Möglichkeit zur Aufwirbelung bereits abgelagerter Stoffe am Boden
von Belüftungsbecken.
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- Automatisierung der Endanlage unter Kontrolle der oben angegebenen
Randbedingungen sollte gewährleistet sein.
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A) - Mechanische Oberflächenbelüftung Ein Studium der Literatur zeigt,
daß die in der Abwassertechnologie eingesetzten mechanischen Oberflächenbelüfter
fast ausnahmslos die an Belüftungssysteme gestellten betriebstechnischen und finanziellen
Randbedingungen erfüllen. Sie sind jedoch nur bedingt in der Lage, die oben aufgeführten
Randbedinungen für die Funktionsweise von Begasungssystemen der Abwassertechnologie
zu erfüllen. So weisen mechanische Oberflächenbelüfter hohe Geräuschpegel, nicht
akzeptable Aerosolbildungen, hohe Geruchsbelästigungen und hohen Getriebeverschleiß
auf. Aufgrund der in der Praxis bei Oberflächenbelüftern auftretenden starken Aufwirbelungen
der Wasseroberfläche kann man sich leicht die Ursache hoher Geräuschbelästigung
der Umgebung vorstellen.
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Die Aufwirbelung ist gleichfalls die Ursache für die Aerosol- und
Geruchsbelästigung.
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Die angedeuteten starken Wasserbewegungen an der Oberfläche und die
damit verursachte Aerosolbildung führen im Allgemeinen dazu, daß Kläranlagen, die
mit herkömmlichen mechanischen Oberflächenbelüftern betrieben werden, Abdeckungen
erfordern, um so die negativen Einflüsse auf die Umwelt zu reduzieren. Nur so kann
die Gesamtanlage in einer für die Umwelt akzeptablen Art und Weise gefahren werden.
Durch diese Abdeckung werden jedoch nicht alle Nachteile beseitigt. Die Aerosolbildung
und deren Niederschlag auf Metallteile führt zu großen Verschleißproblemen und zu
hohen damit verbundenen Kosten.
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Mechanische Oberflächenbelüfter erlauben im allgemeinen eine Regelung
des Sauerstoffeintrages durch Erhöhung bzw. Erniedrigung der Umlaufgeschwindigkeit.
Aus Kostengründen erfolgt die Regelung meistens über polumschaltbare Motoren und
ist somit nicht stufenlos regulierbar. Aus diesem Grunde wird eine zusätzliche Regelung
des Sauerstoffeintrags durch Veränderungen der Eintauchtiefe erreicht. Letztere
wirkt sich jedoch nachteilig auf die durch die Flüssigkeitsansaugung hervorgerufenen
Strömunasgeschwindigkeiten des Abwassers an der Beckensohle aus.
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Die Vielzahl der in der Praxis eingesetzten Oberflächenbelüfter lassen
sich in zwei Kategorien einteilen. Belüfter, die um eine vertikale Achse rotieren,
siehe Abb. 1, werden als Kreiselbelüfter bezeichnet. Die verschiedenen Ausführungen
bewirken
alle eine zentralsymmetrische Umwälzung des Wasser.
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Alle herkömmlichen Kreiselbelüfter erzeugen den Sauerstoffeintrag
in der Wasser-Luft-Gemischzone an der Oberfläche. Durch ständige Erneuerung der
Grenzfläche zwischen Wasser und Luft sind günstige Voraussetzungen für einen intensiven
Sauerstoffeintrag gegeben.
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Belüfter, die um eine horizontale Achse rotieren, werden als Walzenbelüfter
bezeichnet, siehe Abb. 2. Die auf der Achse befestigten Bürsten oder Stahl stäbe
schlagen auf der Wasseroberfläche in das Wasser ein, wodurch ein Wasser-Luft-Gemisch
entsteht. Gleichzeitig wird je nach Anordnung des Belüfters und der Beckenform eine
Umwälzströmung des Abwassers erzeugt, welche die Absetzung von Abwasserinhaltsstoffen
verhindert. Der Sauerstoffeintrag nimmt mit der Umfangsgeschwindigkeit der Walze
zu.
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Vergleicht man die mechanischen Oberflächenbelüfter, so stellt man
fest, daß diese aus verfahrenstechnischer Sicht kombinierte Belüftungs-, Misch-und
Rührsysteme darstellen. Auf diese kombinierte Funktionsweise ist zurückzuführen,
daß bei Walzenbelüftern der Sauerstoffeintrag(kg 02/kWh) mit zunehmender Leistungsdichte
(wie3) abnimmt, da die Rühr- und Mischwirkung des Belüftungssystems zunimmt und
nur ein Leistungsvergleich mit einer Funktionsweise, nämlich der Belüftung, zur
Eigenschaftsbeschreibung herangezogen werden kann. Bei Kreiselbelüftern stellt man
eine Zunahme des Sauerstoffeintrages fest, wobei die günstigsten Sauerstofferträge
ab etwa 50 (W/m3) erreicht werden. Nicht der gesamte Leistungseintrag wird für den
Sauerstoffeintragsvorgang aufgewendet. Man stellt mit zunehmender Leistungsdichte
auch ein Anwachsen der Sohlgeschwindigkeiten fest.
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Beim Einsatz von mechanischen Oberflächenbelüftern stellt man desweiteren
fest, daß eine für die Verhinderung der Ablagerung von Abwasserinhaltsstoffen nachteilige
Zirkulationsbewegung im Becken erzeugt wird. Die in den Beckenrandungen entstehende
Fluidbewegung ist nach unten gerichtet. Dies fördert die Ablagerung von Wasserinhaltsstoffen
im Randbereich des Beckens, insbesondere in den nicht abgeschrägten Ecken der Becken
infolge der dort entstehenden Rückströmgebiete.
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B) - Druckluftbelüftung Ein detailliertes Literaturstudium zeigte,
daß die in der Abwassertechnologie eingesetzte Druckluftbelüftung viele betriebstechnischen
und finanziellen geforderten Randbedingungen für Belüftungssysteme in der Abwassertechnologie
nicht
erfüllt. Erfüllt werden nur die Randbedingungen der geringen Betriebskosten und
der geringen Umweltbelästigung. Diese Randbedingungen haben jedoch in den letzten
Jahren verstärkt an Bedeutung gewonnen, so daß die Druckluftbelüftung neuerdings
verstärkt angewandt wird. Sie erfüllt fast alle zu Beginn dieses Abschnitts genannten
Randbedingungen für die Funktionsweise einer Sauerstoffeintragungsanlage der Abwassertechnologie
und hat somit gegenüber herkömmlichen Oberflächenbelüftern Vorteile.
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Die einfache Regelbarkeit und Bedienungsmöglichkeit rechtfertigen
die Investitionskosten für Druckleitungssysteme und Kompressoranlagen, und die hohe
Wartungsanfälligkeit bzw. nur schwer durchzuführende Reparaturarbeiten.
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Ein wesentlicher Nachteil dieses Begasungssystems ist die unzureichende
Durchmischung des Abwassers und die Tatsache, daß diese bei Abschaltung der Begasung
überhaupt nicht mehr vorliegt. Zudem sind zur Erzeugung von Sohlgeschwindigkeiten
von 15,0 - 30,0 (cm/s) spezielle Beckenformen erforderlich.
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Druckluftbecken haben meistens einen rechteckigen Querschnitt und
sind in der Regel 2 bis 5 (m) tief. Das Verhältnis von Beckentiefe zu Beckenbreite
sollte möglichst groß sein (>1). Aus betriebstechnischen Gründen baut man heute
meistens Umwälzbecken, bei denen die Luft aus tiefliegenden Belüftern an einer oder
beiden Wänden in Längsrichtung oder entlang der Beckenmittelachse bodennah eingeblasen
wird. Auf diese Weise werden eine oder mehrere Wasserwalzen in einem Beckenquerschnitt
erzeugt. Eine Ausrundung der Ecken und der Einbau von Leitwänden begünstigen die
Umwälzbewegung.
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Bei der Druckluftbelüftung ist die Sauerstoffeintragsleistung im wesentlichen
eine Funktion der Lufteinblastiefe der je Zeiteinheit zugeführten Luftmenge, und
der Luftblasengröße.
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Der Einfluß der Lufteinblastiefe ergibt sich aus der physikalischen
Tatsache, daß der Sättigungswert des Sauerstoffs im Wasser linear mit dem absoluten
Druck ansteigt. Bei konstanter Luftzuführung erzeugen kleinere Luftblasen eine größere
spezifische Oberfläche, womit der Sauerstoffeintrag ebenfalls zunimmt.
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Die Aufenthaltszeit der Blase im Wasser nimmt mit abnehmender Blasengröße
und größer werdender Einblastiefe zu. Eine längere Aufenthaltszeit begünstigt den
Sauerstoffeintrag.
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Der mittlere Durchmesser der Luftblasen wird bei der Druckbelüftung
im wesentlichen durch die Austrittsöffnungen am Belüfter bestimmt. Je feiner
die
oeffnungen des feinblasigen Belüfters sind, desto kleiner sind die austretenden
Blasen. Der Austrittswiderstand der Luft wächst mit kleiner werdendem Porendurchmesser.
Solange Verstopfungen vermieden werden, kann der Austrittswiderstand gegenüber anderen
Druckverlusten in der Luftzuführung vernachlässigt werden.
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Die feinblasige Belüftung (Blasendurchmesser dB = 0,2 - 0,5 mm) wird
wegen des höheren Sauerstoffeintrages gegenüber anderen Belüftern bevorzugt eingesetzt.
Der Sauerstoffeintrag beträgt hierbei im Reinwasser ca. 1,7 (kg 02/kWh).
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Hohe Filterwiderstände und intensive Wartungskosten, die u.U. größer
als die Betriebskosten sein können, sind der Wirtschaftlichkeit dieses Systems abträgliche.
Der größte Teil der Wartungskosten fällt an, wenn die feinporigen Begaser nach einiger
Betriebszeit (oder Abschaltzeit) unvermeidlich verstopfen oder wenn durch Ausfall
der Kompression Abwasser in die Verteiler eindringt.
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Bei der mittelblasigen Belüftung (Blasendurchmesser dB = 1- 5mm )
treten Verstopfungen nur bei anorganisch hochbelasteten Abwässern in Form von Verkrustung
auf. Der Sauerstoffeintrag und Ertrag sind geringer als bei der feinblasigen Belüftung.
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Die grobblasige Belüftung (Blasendurchmesser dB > 5 mm) ist praktisch
verstopfungssicher. Gegenüber den beiden anderen Methoden sind Sauerstoffeintrag
und Ertrag am geringsten, und dieses Belüftungsverfahren ist aus Gründen des Energieaufwandes
nicht empfehlenswert.
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C) Kombinierte Begasungssystem Unter kombinierten Systemen werden
all diejenigen Vorrichtungen zusammengefaßt, bei welchen ein Begasungsaggregat (Gaszufuhr
unter Druck durch Rohrleitungen und Düsen, Platten, Filtern etc.) durch Einsatz
mechanischer Elemente zur Erzeugung von Rühr- und Mischvorgängen Anwendung finden,
vgl. Abb. 3.
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Hierbei sind die meisten Aggregate so ausgestattet, daß die Gaszufuhr
und die Strömungserzeugung unabhängig voneinander geregelt werden können. Zusätzlich
übernimmt das Rührorgan oftmals die Aufgabe, das eingetragene Gas in der Flüssigkeit
in Einzelblasen zu verteilen und somit ein Flüssigkeits-/ Gasgemisch zu erzeugen.
Es gibt bereits mehrere erprobte Vorrichtungen kombinierter Systeme, die sich wie
folgt klassifizieren lassen:
- Gegenstrom-, Tiefstrombelüftung
- Karrousel mit Rührern und Lüftern - rotierende Gaszerteilerplatten - gas-flüssigkeitsbetriebene
Zweistoffdüsen - rotierende Brücken in Rundbecken und mitbewegten Belüftungsplatten
- etc.
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In all den oben aufgeführten Fällen ist charakteristisch, daß zwei
mechanische Aggregate erforderlich sind, nämlich: 1. Ein Aggregat zur Begasung (Kompressor
bzw. Gebläse und Zufuhrleitungen) 2. Ein Aggregat zur Strömungserzeugung (Pumpe,
Rührer, Motorantrieb, etc.) Kombinierte Systeme zeichnen sich durch eine sehr gute
Regelbarkeit, d.h. Anpassung an die jeweiligen Betriebszustände aus. Bei der Erzeugung
von Stoffübergangsprozessen werden hohe Gasaustauschraten erzielt /Lit.-:Judat (1)/.
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Bei allen kombinierten Systemen, bei denen ein rotierendes mechanisches
Element mit Gas beaufschlagt wird, erweisen sich die dabei entstehenden unsymmetrischen,
instationären Druckverteilungen als nachteilig. Hierdurch entstehen pulsierende
Belastungen der mitdrehenden Lagerungen, wodurch Betriebsstörungen herbeigeführt
werden.
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Die größten Belastungen dieser Art treten in Erscheinung, wenn die
Gasbelastung das rotierenden Begasers so groß ist, daß ein Oberflutungspunkt erreicht
wird /Lit.: Kipke (2)/. In diesem Begasungszustand dreht der Begaser in einem den
Begaser umschließenden, mit einzelnen Flüssigkeitsteilchen durchsetzten Gasraum.
Starke Druckschwankungen (stark instationärer Betrieb) und schlechte Gaszerteilung
in Einzelblasen sind die Folge.
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Kombinierte Systeme mit rotierenden mechanischen Elementen sollten
dahingehend verbessert werden, daß die Druckverteilung am rotierenden mechanischen
Element symmetrisch ist und die Druckschwankungen gering sind. Dies kann erreicht
werden, wenn geometrisch unregelmäßige Lufteinschlüsse vermieden werden und die
Zerteilung des Gases in Einzelblasen gleichmäßig in alle Richtungen erfolgt.
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D) Wirbelkegel-Rührer und -Begaser Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung
aus, die Nachteile der eingangs beschriebenen Belüfter sowie die mit deren Betrieb
verbundene Aerosolbildung und Lärmbelästigung weitestgehend zu vermeiden und einen
Sauerstoffeintrag und Ertrag zu erreichen, der oberhalb der bisher verwendeten mechanischen
Belüfter liegt und darüber hinaus stufenlos im gesamten Bereich regelbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt durch die Verwendung einer
Vorrichtung, die aus einem nach unten offenen, einwandigen bzw. doppelwandigen Kegel
besteht, der über eine vertikal angeordnete Achse in Rotationen versetzt wird, vgl.
die Abbildungen 4,5 und 6. Dies führt zu einer Umwälzung der Beckenflüssigkeit,
die noch durch aufgesetzte Elemente auf der Außen-und Innenfläche des Kegels unterstützt
werden kann. Die umgewälzte Flüssigkeit wird so an der Rotorachse oberhalb des Rotors
nach unten gesaugt und dann entlang der Mantelflächen gegen die Beckenwandungen
getrieben, wo sie nach oben steigen. Damit sind Umwälzungen des gesamten Wasserkörpers
möglich.
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Die Intensität der Rührwirkung ist durch die Kontrolle der Umlaufgeschwindigkeit
einstellbar.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Gegensatz zu der vorbenannten
mechanischen Oberflächenbelüftung die Luft nicht durch turbulente Strömung an der
Flüssigkeitsoberfläche in die Flüssigkeit eingetragen, sondern durch eine Druckluftzuführung,
die zusätzlich zu dem kegelförmigen Rotor angebracht ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist daher eine den kombinierten Begasungssystemen zuzuordnende Vorrichtung.
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Im Gegensatz zu den vorbenannten kombinierten Begasungssystemen wird
die zur Belüftung benötigte Luft bzw. das Gas zunächst dem unter dem Kegel liegenden
Volumen zugeführt und in der Art einer Taucherglocke vom Kegel eingeschlossen. Erst
wenn das eingeschlossene Luftvolumen den unteren Mantel kranz des Kegels erreicht
hat, kann die Luft vom Mantel kranz in die umgebende Flüssigkeit entweichen.
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Die sich infolge der Rotation und infolge der auf dem Mantel aufgebrachten
Aufsätze ausbildenden Scherschichten führen zu einer effizienten,entlang dem unteren
Mantel kranz gleichmäßig erfolgenden Aufteilung des Gasvolumens in Einzelblasen
und sorgt zudem dafür, daß eine effiziente Eintragung des Gases in die Flüssigkeit
erfolgt.
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Die effiziente Eintragung des Gases in die Flüssigkeit wird von der
erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch unterstützt, daß entlang der oberen Kegelmantelfläche
bei einwandigem Kegel und entlang der oberen und unteren Kegelmantelflächen bei
doppelwandigem Kegel sich spiralförmig ausbreitende Wirbelzöpfe entstehen, welche
die gleichmäßige Ausbreitung der in der Scherschicht erzeugten Einzelblasen in die
Flüssigkeit unterstützen.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden Druckschwankungen infolge
der zugeführten Luft (Gas) an der Vorrichtung minimiert, weil die Luft gleichmäßig
am gesamten Mantel kranz in Blasen zerteilt wird. Das Gewicht der Vorrichtung in
der Flüssigkeit, kann durch den Auftrieb des von der Vorrichtung eingeschlossenen
Gases vollständig aufgehoben werden.
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Die Gasblasen werden durch die Flüssigkeitsbewegung und durch die
am Mantelkranz des Kegels in die Flüssigkeit abrollenden spiralförmigen Wirbelzöpfe
bodennah gegen den Rand des Beckens getrieben, wo sie dann aufsteigen. Dadurch wird
eine Nachbegasung der Flüssigkeit erreicht, die zu den hohen Ertragswerten führt,
die diese kombinierte Begasungs- und Umwälzsystem kennzeichnet.
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Der Begriff"spiralförmiger Wirbelzopf'soll im Zusammenhang der vorliegenden
Beschreibung einen Wirbel schlauch bezeichnen, der von zufälligen Ansatzstellen
an der Kegeloberfläche ausgeht und einen spiralförmigen Verlauf um den Kegel herum
in die Flüssigkeit hat.
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Bei diesem Verfahren entfallen alle mit der Aufwirbelung der Oberfläche
zusammenhängenden Nachteile, wie Aerosolbildung und Lärmbelästigung. Die Luftblasen
werden in der Tiefe der Flüssigkeit erzeugt, und ihre Erzeugung bleibt nicht dem
Zufall überlassen, wie dies bei der mechanischen Belüftung der Fall ist. Hieraus
resultiert zunächst der Effekt, daß die Luftblasen aufgrund der Umwälzbewegung auch
tatsächlich das Becken vom Wirbelkegel-Rührer und Begaser her zur Beckensohle und
von dort nach außen hin durchwandern.
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Dies ist bei der mechanischen Belüftung nicht gewährleistet, denn
dort werden die Luftblasen über die Oberfläche im wesentlichen im Bereich des Beckenrandes
eingetragen und verharren dort meist im Schwebezustand. Eine Aerosolbildung tritt
praktisch überhaupt nicht ein, ebenso ist die Geräuschbildung auf ein Minimum reduziert,
da Plätschergeräusche an der Oberfläche entfallen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zweckmäßig in der Weise ausgeführt,
daß die Strömungserzeugung durch den Belüfter in Becken mit quadratischem Grundriß
in Beckenmitte unter der Flüssigkeitsoberfläche erfolgt. Mit dieser Verfahrensanordnung
wird die Erzeugung der Scherschicht und der spiralförmigen Wirbelzöpfe und die gleichmäßige
Verteilung der erzeugten Einzelblasen in der Flüssigkeit begünstigt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung arbeitet demgemäß mit einer gegenüber den herkömmlichen Oberflächenbelüftern
umgekehrten Strömungsrichtung, welche die Verteilung der Gasblasen im gesamten Becken
begünstigt. An der Beckensohle wirken darüber hinaus durch die von der Beckenmitte
zur Beckenwand gerichteten großen Strömungsgeschwindigkeiten Strömungskräfte, welche
die Ablagerungen von in der Flüssigkeit enthaltenen Feststoffe verhindern.
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Am Beckenrand wirken Strömungskraft und Auftriebskraft der Blase in
einer Richtung, so daß die dort noch vorhandenen Blasen nicht im Schwebezustand
verharren.
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Die Begünstigung des Sauerstoffeintrages und des Sauerstoffertrages
durch das beschriebene Verfahren kann mit folgenden Ursachen erklärt werden: Bei
jeder Art der Belüftung findet an der Oberfläche ein Stoffaustausch zwischen Luftsauerstoff
und Flüssigkeit statt. Dieser Anteil des Stoffaustausches liegt bei einer turbulenten
Oberfläche, wie sie bei der vorbekannten mechanischen Belüftung erzeugt wird, etwas
höher als bei einer beruhigten Oberfläche, die beim erfindungsgemäßen Verfahren
auftritt. Der hierdurch erreichte anteilige Sauerstoffertrag ist jedoch sehr gering,
so daß diese Unterschiede außer Betracht bleiben können. Ein weiterer Anteil des
Sauerstoffertrages ergibt sich bei der mechanischen Belüftung durch Austauschvorgänge
an der Oberfläche der durch die Luft bewegten Tropfen einerseits und an der Grenzfläche
zwischen Blasen und Flüssigkeit andererseits. Die Kenntnisse über Diffusionsvorgänge
an einem Tropfen zeigen, daß
ein Stoffaustausch praktisch nur in
monomolekularer Schicht an der Oberfläche erfolgt. Ist diese Schicht gesättigt,
so findet eine weitere Diffusion kaum mehr statt. Der anteilige Sauerstoffertrag
im Bereich der Flüssigkeitstropfen kann also auch nur relativ gering sein. Der weitaus
größte Anteil ergibt sich innerhalb der Flüssigkeit beim Stoffaustausch an der Grenzfläche
der einzelnen Blasen Dies ist auch die Ursache für die gute Wirksamkeit der Druckluftbegasung.
Bei der bekannten mechanischen Belüftung halten sich, wie bereits angedeutet, die
Blasen im wesentlichen im Bereich des Beckenrandes im Schwebezustand und steigen
nur zögernd auf.
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Die Blasenform ändert sich dabei kaum. Hier dürfte der wesentliche
Fortschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens darin liegen, daß die frisch gebildete
Blase am Mantel kranz des Wirbelkegel-Rührer und -Begaser einem größeren Umgebungsdruck
als an der Wasseroberfläche unterliegt, wodurch sich der Gas-Partialdruck in der
Blase ebenfalls vergrößert. Aufgrund dieser Druckerhöhung werden die Diffusionsvorgänge
durch die Blasenoberfläche ganz erheblich vergrößert.
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Hinzu kommt eine ständige Formänderung der gebildeten Blasen durch
die Wirkung der Scherschicht, der spiralförmigen Wirbelzöpfe und der erzwungenen
Umwälzbewegung im Becken, so daß davon ausgegangen werden kann, daß der in der Blase
enthaltene Luftsauerstoff tatsächlich in vollem Umfang an dem Stoffaustausch teilnimmt.
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Der hier vorliegenden Patentanmeldung sind Zeichnungen beigelegt,
die untenstehend kurz aufgeführt und beschrieben sind: Abb. 1: Schematische Darstellung
von Oberflächenbelüftern Abb. 2: Schematische Darstellung von Walzenbelüftern Abb.
3: Schematische Darstellung kombinierter Verfahren Abb. 4: Schematische Darstellung
des Wirbelkegel-Rührers und -Begasers; Einsatz, Anordnung und Beckenströmung Abb.
5: Darstellung des einfachen Wirbelkegel-Rührers und -Begasers Abb. 6: Darstellung
des doppelwandigen Wirbelkegel-Rührers und -Begasers.
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In Abb. 1 sind die üblichen Oberflächenbelüfter schematisch angegeben
und auch ihre Funktionsweise ist angedeutet. Der in Nähe der Wasseroberfläche vorgenommene
Sauerstoffeintrag ist angedeutet, ebenso die am Beckenrand abwärts gerichtete Fluidbewegung.
Abb. 1 zeigt an, daß die Oberflächenbelüfter typischerweise in der Mitte von Belebtschlammbecken
angeordnet und durch Elektromotoren angetrieben werden.
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Abb. 2 zeigt Walzenbelüfter, die sich durch Umwälz- und Belüftungsaggregate
auszeichnen, die mit horizontaler Achse betrieben werden. Eine günstige Beckenströmung
wird oftmals nur durch Einbauten von Leitblechen erreicht, die gleichfalls in der
Abb. 2 angezeigt sind.
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Abb. 3 deutet schematisch die Funktionsweise kombinierter Systeme
an, die für die Umwälzung und Belüftung von Flüssigkeiten Einsatz finden. Abb. 3
zeigt in der Mitte angeordnete Begasungsvorrichtung, über der ein Rührer angebracht
ist, um die erforderliche Flüssigkeitsumwälzung zu erreichen.
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Dadurch wird auch eine Verteilung des eingebrachten Gases in Luftblasen
und deren Transport erreicht.
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Abb. 4 zeigt den als Erfindung angemeldeten Wirbelkegel-Rührer und
-Begaser und dessen Anordnung in einem Flüssigkeitsbecken. Die vertikale Antriebsachse
ist zu ersehen und gleichfalls der in der Nähe des Beckenbodens angebrachte Wirbelkegel-Rührer
und -Begaser. Durch seine Rotation wird im Becken eine Umlaufströmung induziert,
die der Flüssigkeitsbewegung von Oberflächenbelüftern gegenläufig ist. Abb. 4 deutet
gleichfalls die über Rohrleitungen @ auf dem Beckenboden oder durch eine Hohlwelle
W mögliche Luftzuführung in den Hohlraum unter den Kegel an. Ober diesen Hohlraum
erfolgt die Luftaustragung am unteren Rande 0 des Kegelrührers und -belüfters.
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Ober die in diesem Gebiet vorliegenden Scherströmungen 04 erfolgt
eine Aufteilung in kleine Blasen o , die dann von der Flüssigkeitsbewegung im Becken
mitgeführt werden und so alle Bereiche des Beckens erreichen. Erfolgt eine Abschaltung
der Luftzuführung, so wirkt der rotierende Wirbel kegel als effizienter Rührer,
der die Flüssigkeitsbewegung aufrecht erhält und somit ein Absetzen von Belebtschlamm
verhindert. In den Eckenströmungen ~ entsteht eine günstige Aufwärtsbewegung (durch
den Stromlinienverlauf angedeutet), die den Belebtschlamm nach oben trägt und ihn
nicht, wie bei Oberflächenbelüftern üblich, mit einer Geschwindigkeitskomponente
nach unten transportiert.
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Details des einfachen Wirbelkegelbegasers sind in Abb. 5 angegeben.
Diese zeigt die am Boden erfolgte Lagerung der Achse ~ , die allein zur Aufnahme
von Seitenkräften dient. Die Luftzufuhrleitungen 0 sind angegeben bzw. die Hohlwelle
0 aufgezeigt, über welche die Luft- bzw. Gaszuführung gleichfalls erfolgen kann.
Durch die an den Rändern des Wirbelkegels ablaufenden Strömungsvorgänge werden hohe
Schergebiete # erzeugt, die in der
Abb. 6 gleichfalls mit aufgeführt
sind. Die auf dem Wirbelkegelmantel angebrachten Aufsätze Oo zu Erhöhung der Rührwirkung
und der Gasaufteilung in Blasen sind dargestellt. Die erforderliche Rotation 8 ist
angedeutet und die in der Nähe der Antriebsachse g von oben nach unten erfolgende
Flüssigkeitsströmung skizziert.
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Beim Einsatz großer Wirbelkegel-Rührer und -Begaser ist es vorteilhaft,
den unter dem Rührer vorhandenen Gasraum zu reduzieren, um so die auftretenden Auftriebskräfte
zu minimieren. Dies soll durch die Verwendung einer doppelwandigen Vorrichtung geschehen,
vgl. Abb. 6. Die Luftzufuhr erfolgt wieder durch die Hohlwelle oder durch Rohrleitungen
von unten in den Zwischenraum des doppelwandigen Wirbel kegels. Das vom inneren
Kegel eingeschlossene Volumen 9 wird durch die Ausgleichsöffnungen Q6 mit Wasser
gefüllt.
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Gleichzeitig wird damit erreicht, daß die über dem Gasraum auftretenden
Wellenbewegungen 0 und die damit zusammenhängenden Druckschwankungen der Flüssigkeitsoberfläche
unter dem Wirbelkegel-Begaser eliminiert werden. Mit dieser Vorrichtung erfolgt
die Gaszuführung durch Uffnungen ff , die im Wirbelkegel-Rührer und -Begaser angebracht
sind. Diese sind in Abb. 6 angegeben, sowohl für den Fall, daß die Luftzuführung
von unten erfolgt, als auch für den Fall der Zuführung über die Hohlwelle.
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Die Zahlenangaben in den Abbildungen 4 bis 6 bedeuten: O Luftzuführung
(bzw. Gas-) durch Rohrleitungen von unten 0 alternative Luftzuführung (bzw. Gas-)
durch die Hohlwelle @ unterer Rand des Wirbelkegel-Rührer und -Begaser 0 Scherströmungsgebiet
am Wirbelkegel-Rand erzeugt durch Aufsätze 10 O Zerteilung der Luft in Einzelblasen
~ Eckenströmung o Stromlinienverlauf ~ Bodenlagerung der Achse ~ Strömungsvorgänge
entlang der Wirbelkegelaußenseite (Hauptströmung und instabile spiralförmige Wirbelzöpfe)
@ auf dem Wirbelkegelmantel und entlang des Wirbelkegelrandes angebrachte Aufsätze
Ol Angabe zur Rotationsrichtung g Antriebsachse 0 wellige Trennfläche zwischen Gas
und Flüssigkeit 8 Zwischenraum beim doppelwandigen Wirbel kegel
Volumen
unter dem inneren Kegel 16 Ausgleichsöffnungen für Wasserzuführung 17 Uffnungen
für die Luftzuführung Flüssigkeitsoberfläche im Becken.