DE3724692A1 - Verfahren zum einbringen von sauerstoff in wasser und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein besonders effektives Verfahren zum Einbringen von Sauerstoff in Wasser, insbesondere in stehende flachere eutrophierte Oberflächengewässer und Kanäle zur Unter­ stützung des aeroben Mineralisierungsprozesses und des Phosphat­ abbaus, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Verbesserung der Wasserqualität und zur Vermeidung von Anae­ robie werden Gewässer künstlich belüftet. Das ist insbesondere bei polytrophen Gewässern sinnvoll, weil der Faulschlamm aerob mineralisiert werden kann, incl. der darin enthaltenen Phosphate. So läßt sich die Überdüngung wieder rückgängig machen.

Bekannt sind Oberflächenbelüfter, meist schwimmend angeordnet, die aber nur räumlich begrenzt wirken, relativ viel Energie be­ nötigen und die Schiffahrt behindern.

Man kann auch über dem Gewässerboden verlegte perforierte Schläuche Druckluft einblasen. Die aufsteigenden Luftblasen führen nach dem Mammutpumpenprinzip zu einer vertikalen Wasserver­ frachtung und bringen immer wieder neues, sauerstoffarmes Wasser an die Gewässeroberfläche. Bei von der Schiffahrt genutzten flachen Gewässern und Kanälen ist es aber schwierig, die perforierten Schläuche so am Boden zu verankern, daß sie nicht von einem Schiffspropeller erfaßt werden können.

Für tiefe, temperaturbedingt ausgeprägt geschichtete Gewässer sind besondere Tiefenwasser-Belüftungsgeräte entwickelt worden, die die Gewässerschichtung nicht zerstören. Diese Geräte sind aber sehr aufwendig, benötigen relativ viel Energie und sind auch vom Prozeßablauf her auf tiefes Wasser angewiesen.

Es gibt auch Geräte für den Eintrag reinen Sauerstoffs. Das ist aber wegen der hohen Kosten für den Sauerstoff für größere Ge­ wässer viel zu teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben aufgezeigten Mängel zu beheben, insbesondere mit geringen Betriebskosten auszu­ kommen und besonders schonend und in naturnaher Weise zu wirken.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Prinzip ein stehendes Gewässer, insbesondere ein Kanal, in ein sehr langsam strömendes Fließgewässer verwandelt. Dazu wird an einer Stelle Wasser ange­ saugt und über eine Rohr- bzw. Schlauchleitung oder über eine gegenüber dem übrigen Wasserkörper abgeschlossene Rinne mit relativ hoher Geschwindigkeit zu einer entfernt liegenden zweiten Stelle des Wasserkörpers geführt und dort wieder entlassen, wodurch sich in dem Wasserkörper eine großvolumige, sehr langsame, aber noch turbulente Rückströmung ausbildet. Eine Rückströmgeschwin­ digkeit von weniger als 1 cm/sec reicht bereits aus, um den Wasserkörper turbulent zu durchmischen. Dabei wird immer wieder neues sauerstoffarmes Wasser an die Oberfläche gebracht, nimmt dort Sauerstoff auf, wird wieder in die Tiefe gewirbelt und gibt dort den Sauerstoff an tierische Lebewesen und insbesondere an die aerob arbeitenden Bakterien ab. Die Bakterien mineralisieren die abgestorbene Biomasse, incl. der darin enthaltenen Phosphate.

So werden die Phosphate dem Naturkreislauf entzogen, die Eutrophierung wird rückgängig gemacht.

Die Strömungsgeschwindigkeit läßt sich so niedrig halten, daß das Sediment kaum und nach dessen Mineralisierung gar nicht mehr aufgewirbelt wird. In völlig abgestorbenen und sauerstofflosen Gewässern kann man auch anfangs gezielt die Strömungsgeschwin­ digkeit so hoch einregeln, daß das Sediment bewußt aufgewirbelt wird, um die Einleitung der Mineralisierung zu beschleunigen. Anschließend wird man dann die Strömungsgeschwindigkeit nach und nach reduzieren.

Erfindungsgemäß kann zusätzlich das umgepumpte Wasser mit Sauerstoff angereichert werden. In einem offenen Gerinne geschieht das bereits von selbst; einer Rohr- bzw. Schlauchleitung muß künst­ lich Luft bzw. Sauerstoff zugeführt werden. Dabei läßt sich der Sauerstoffeintrag noch verbessern, wenn die Turbulenz durch zu­ sätzliche Einbauten erhöht wird, in einer Rinne z. B. durch künst­ liche Strömungshindernisse, in einem geschlossenen Leitungsstrang durch statische Mischelemente.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus mindestens einer Pumpe und mindestens einer daran angeschlossenen, gegenüber dem übrigen Wasserkörper abgeschlos­ senen Wasserleitungsvorrichtung, die als Rohr- oder Schlauchleitung oder als offene Rinne ausgebildet sein kann.

In schiffbaren Kanälen wird man die Wasserleitungsvorrichtung in Form einer Rohr- bzw. Schlauchleitung auf der Kanalsohle verlegen, ggfs. sogar einspülen. Um die für die Schiffahrt nutzbare Wassertiefe so wenig wie möglich einzuschränken, kann man an­ stelle eines dicken Leitungsstranges viele dünnere Leitungsstränge nebeneinander auf der Kanalsohle verlegen. Das bietet dann gleich­ zeitig die elegante Möglichkeit, die freien Enden der Leitungs­ stränge über die Kanalbreite aufzufächern, so daß die Rückströmung hier bereits ohne Totwasser in der gesamten Kanalbreite beginnt.

Zur weiteren Erhöhung des Sauerstoffeintrags läßt sich zusätz­ lich an der Pumpstation Luft oder reiner Sauerstoff in die Lei­ tungsstränge einbringen. Die schnelle, hochturbulente Rohrleitungs­ strömung führt zu einem guten Sauerstoffübergang aus den Gas­ blasen ins Wasser. Die Anordnung statischer Mischer verbessert den Sauerstoffeintrag noch weiter, kostet aber auch zusätzliche Energie.

Auch bei einem am Gewässergrund verlegten Leitungssystem kann es sinnvoll sein, die Pumpe schwimmbar anzuordnen, beispielsweise auf, in der oder unter einem Ponton oder einem sonstigen Schwimm­ körper, oder aber die Pumpe jedenfalls so zu installieren, daß sie von einem schwimmenden Fahrzeug aus anhebbar ist. Wenn weiterhin das Leitungssystem mit Luft ausblasbar und dann beider­ seitig verschließbar und dadurch aufschwimmbar ausgebildet ist, läßt sich das Gerät komplett montiert schwimmend zu einer an­ deren Einsatzstelle verlegen.

Bei Kanälen und sonstigen Gewässern, die von der Schiffahrt nicht genutzt werden, ist es vorteilhaft, die Wasserleitungsvorrichtung als offene Rinne auszubilden, weil das schnell strömende Wasser in der Rinne über seine Oberfläche viel Sauerstoff aufnehmen kann, und zwar selbsttätig und ohne jeglichen zusätzlichen Auf­ wand. Die Sauerstoffaufnahme in der Rinne kann sogar diejenige des rückströmenden Gewässers übertreffen. Man installiert praktisch mitten in dem stehenden Gewässer einen Bach. Besonders vorteil­ haft ist es, die Rinne schwimmbar auszubilden. Sie paßt sich dann selbsttätig Wasserspiegelschwankungen an, ist sehr einfach installier­ bar und bleibt ständig transportabel, insbesondere wenn auch die zugehörige Pumpenstation ebenfalls schwimmend angeordne ist.

Die Pumpe hat nur die Reibungsverluste in der Wasserleitungsvor­ richtung zu überwinden, und die sind bei genügendem Leitungsquer­ schnitt sehr klein. Es gilt also, große Wassermengen gegen eine sehr kleine Druckhöhe zu fördern. Dazu eignen sich besonders Ejektorpumpen, bei ganz kleinen Druckhöhen vorzugsweise Ring­ strahlejektoren, denen eine Kreisel- oder Propellerpumpe vorgeschal­ tet ist. Dabei kann der Ejektor selbsttätig Luft zusaugen und dem Wasser beimischen, entweder unmittelbar über den Saugstrom oder aber über zusätzliche Bohrungen in der Mischstrecke.

Vorteilhaft läßt sich eine elektrisch angetriebene Tauchpumpe verwenden, die bei genügender Tauchung vor Eis und sonstigen Fremdeinwirkungen geschützt ist. Auch ein nachgeschalteter Ejektor sollte getaucht angeordnet werden. Er kann dann direkt aus der Umgebung das Sekundärwasser beziehen, und in der Rohrleitungs­ führung werden Krümmerverluste vermieden.

Mit voll getauchter Pumpstation und auf dem Gewässergrund verlegtem Leitungssystem ist die Anlage an der Oberfläche nicht mehr sichtbar. Das Landschaftsbild wird also überhaupt nicht beeinflußt.

Zusammenfassend seien noch einmal die wichtigsten Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens herausgestellt:

• - Der Energiebedarf wird durch die Reibungsverluste in der Wasserleitungsvorrichtung bestimmt, ist also quadratisch ab­ hängig von Leitungsquerschnitt. Große Leitungsquerschnitte führen deshalb zu extrem geringem Energiebedarf.
• - Ein Kanal wird in einen langsam fließenden Fluß verwandelt. Die Maßnahme ist also sehr naturnah.
• - Bei Verwendung einer Rinne als Wasserleitungsvorrichtung erhält man ohne jeglichen Mehraufwand an Energie einen hohen zu­ sätzlichen Sauerstoffeintrag über die freie Oberfläche im Gerinne. Man installiert mitten in dem stehenden Gewässer einen künstlichen Bach.

Weitere Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen An­ sprüchen beschrieben und am Beispiel der in den Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungsmöglichkeiten für ein Gerät zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Belüftungsverfahrens näher er­ läutert. Bei den Geräteausführungen vorhandene gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

Fig. 1 eine einfache Vorrichtung mit am Gewässerboden verleg­ ten Leitungssträngen,

Fig. 2 eine aufwendigere Vorrichtung mit am Gewässerboden verlegten Leitungssträngen und mit einem Ringstrahlejek­ tor in der Draufsicht,

Fig. 3 eine Vorrichtung mit einer schwimmenden Rinne und Antrieb durch eine Propellerpumpe im seitlichen Schnitt,

Fig. 4 ein Beispiel für den Querschnitt einer schwimmenden Rinne entsprechend Fig. 3.

Fig. 1 zeigt räumlich einen Kanalabschnitt 1, in dem eine er­ findungsgemäße Vorrichtung in einfacher Bauart vollständig ge­ taucht installiert ist. Die Tauchmotorpumpe 2 saugt Wasser an und drückt es durch die Verteilervorrichtung 3 in die Leitungs­ stränge 4, die über die Kanalbreite aufgefächert verlegt sind. Das aus den Mündungen 5 der Leitungsstränge austretende Wasser verteilt sich über den gesamten Kanalquerschnitt und erzeugt zusammen mit der Saugwirkung der Pumpe 2 eine ganz langsame Rückströmung zum Ort der Pumpe (Quellen-Senken-Strömung). Die Rückströmung ist durch Pfeile angedeutet. Nicht dargestellt ist die Turbulenz in der Rückströmung, die eigentlich den Sauer­ stoffaustausch bewirkt.

Fig. 2 zeigt einen Kanalabschnitt in der Draufsicht. Mit 10 sind die Ufer angedeutet. In dem Kanal ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Antrieb über einen Ringstrahlejektor 12 im Schnitt dargestellt. Der Ringstrahlejektor bezieht sein Treibwasser aus der Tauchmotorpumpe 11. Wie es die Pfeile verdeutlichen, saugt der Ringstrahlejektor große Wassermengen an und fördert sie in einen Verteilerkasten 13. Von dort fließt das Wasser durch die Leitungsstränge 4 zu deren Mündungen 5 und erzeugt, wie durch Pfeile angedeutet, den Rückstrom im Kanal zur Ausgangs­ stelle.

Die Luftzuleitung 14 ermöglicht das selbsttätige Zumischen von Luft in der Mischstrecke des Ejektors. Über die Luftzuleitungen 15 kann aktiv, z. B. über ein Gebläse, Luft in die Leitungsstränge 4 eingeblasen werden. Eine Leitungsverengung in diesem Bereich würde nach dem Venturi-Prinzip auch das selbsttätige Ansaugen von Luft über die Luftzuleitung 15 ermöglichen. Statische Mischer 16 zerkleinern die Luftblasen auf ihrem Weg zur Leitungsmündung 5 und sorgen dafür, daß sich Luft und Wasser nicht entmischen. Der Klarheit der Darstellung wegen ist nur jeweils ein Mischerpaar pro Leitungsstrang eingezeichnet.

In Fig. 3 ist eine beispielhafte Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung mit einer schwimmenden Rinne 24 dargestellt. Die hier vertikal montierte Propellerpumpe 22 wird durch den über der Wasseroberfläche angeordneten Elektromotor 21 angetrie­ ben und fördert Wasser (durch waagerechte Strichelung angedeutet) in das obere Ende der Rinne 24. Die Rinne schwimmt in Längs­ richtung vertrimmt, was durch Unterteilung des Schwimmkörpers durch Querschotte 27 in einzelnen Zellen und zur Mündungsseite 25 hin zunehmende Beballastung der Zellen mit Wasser erreicht wird. Aufgrund des Gefälles fließt das Wasser die Rinne hinab zu deren Mündung 25. Auf die Einzeichnung von Strömungshinder­ nissen zur zusätzlichen Sauerstoffanreicherung ist der Deutlichkeit der Darstellung halber verzichtet worden. Mit 100 ist die natür­ liche Gewässeroberfläche, mit 200 der Gewässerboden bezeichnet.

Fig. 4 zeigt eine beispielsweise Ausgestaltungsmöglichkeit des Rinnenquerschnitts entsprechend Fig. 3. Der Auftriebskörper ist aus Gründen der Schwimmstabilität durch ein Mittellängsschott in zwei Tanks aufgeteilt, in die zwecks Beballastung über die Einfüllstutzen 39 Wasser eingefüllt wird. Der eigentliche Rinnen­ trog ist mit einer Folie 40 ausgekleidet. So kann die Rinne in Längsrichtung aus mehreren separaten Einzelköpern bestehen, die nicht wasserdicht aneinander anschließen. Die durchlaufende Folie 40 überbrückt elastisch den Spalt zwischen den Einzelkörpern. In der Zeichnung sind die seitlichen Ränder Folie 40 durch auf das Deck 41 aufgeschraubte Flacheisen 42 eingeklemmt dar­ gestellt.

Bei der in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Rinne läßt sich durch unterschiedliche Beballastung mit sehr wenig Aufwand die Neigung und damit die Strömungsgeschwindigkeit im Rinnentrog variieren und optimieren.

Claims (21)

1. Verfahren zum Einbringen von Sauerstoff in Wasser, insbesondere in stehende flachere eutrophierte Oberflächengewässer und Kanäle, gekennzeichnet dadurch, daß an einer Stelle Wasser angesaugt und über mindestens eine Leitung oder eine gegenüber dem übrigen Wasserkörper abgeschlossene Rinne mit höherer Geschwindigkeit zu einer entfernt liegenden zweiten Stelle des Wasserkörpers ge­ führt und dort wieder entlassen wird, wobei sich in dem Wasser­ körper eine großvolumige, sehr langsame aber noch turbulente Rückströmung ausbildet, in der immer wieder neues, sauerstoff­ ärmeres Wasser an die Oberfläche gelangt, dort aus der Atmosphäre Sauerstoff aufnimmt, mit dem gelösten Sauerstoff abtaucht und ihn in der Tiefe an tierische Lebewesen und insbesondere an aerobe Bakterien abgibt, die damit abgestorbene organische Substanz aerob mineralisieren, incl. der darin enthaltenen Phosphate.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser zusätzlich in der Leitung bzw. dem Gerinne mit Sauerstoff und/oder Phosphatfällungsmitteln angereichert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 mit einer offenen Rinne, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Rinne fließende Wasser unmittelbar über seine Oberfläche Luftsauerstof aufnimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenz in der Rinne bzw. in der Leitung durch zusätzliche Einbauten gesteigert und dadurch der Sauerstoffeintrag verbessert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine Pumpe (2, 11 + 12, 22) und mindestens eine daran angeschlossene, gegenüber dem übrigen Wasserkörper abgeschlossene Wasserleitungsvorrichtung (4, 24), die als Rohr- oder Schlauchleitung (4) oder als offene Rinne (24) ausgebildet sein kann.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer geschlossenen Rohr- bzw. Schlauchleitung (4), dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsstrang am Gewässerboden verlegt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mehrere Lei­ tungsstränge (4), die nebeneinander verlegt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Leitungsstränge (4) zu den freien Mündungen (5) hin aufgefächert verlegt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Pumpenstation bzw. an jedem Leitungsstrang (4) eine oder mehrere Vorrichtungen (14, 15) angeordnet sind, über die Luft oder Sauerstoff und/oder Phosphatfällungsmittel in das geförderte Wasser einspeisbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Leitungsstrang (4) statische Mischer (16) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (2, 11 + 12, 22) schwimmbar angeordnet ist, beispielsweise auf, in oder unter einem Ponton oder einem sonstigen Schwimm­ körper, oder daß sie zumindest von einem schwimmenden Fahrzeug aus anhebbar ist, und weiterhin dadurch, daß die Leitungsstränge (4) mit Luft ausblasbar und dann beiderseitig verschließbar und so aufschwimmbar ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, mit einer offenen Rinne (24), dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne schwimmbar ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Pumpstation schwimmbar ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe als Ejektorpumpe, vorzugsweise als Ringstrahlejektor­ pumpe (12), mit treibwasserseitig vorgeschalteter Kreiselpumpe (11) oder Propellerpumpe ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ejektorpumpe (12) selbsttätig Luft und/oder Phosphat­ fällungsmittel zumischend ausgebildet ist, entweder über den Saugstrom oder über zusätzliche Bohrungen in der Mischstrecke.

16. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe als elektrisch angetriebene Tauchmotorpumpe (2, 11) aus­ gebildet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Ejektorpumpe (12) als auch die Treibwasser­ pumpe (11) getaucht angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (24) auf einzeln mit Wasser beballastbaren Tanks schwimm­ bar und durch gezielte Beballastung in Längsrichtung vertrimmbar ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beballastbaren Schwimmtanks mit einem Mittellängsschott (37) in Querrichtung wasserdicht unterteilt sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmende Rinne (24) aus einzelnen, nur mechanisch miteinan­ der verbundenen Teilstücken besteht und daß der Rinnentrog durch­ gehend mit einer Folie (40) ausgekleidet ist, die die Spalte zwischen den einzelnen Teilstücken wasserdicht und elastisch über­ brückt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Teilstück der Rinne durch ein Querschott in zwei gleiche Hälften wasserdicht unterteilt und durch unterschiedliche Beballastung der beiden Enden in Längsrichtung vertrimmbar ausgebildet ist.