DE3904834A1 - Process and apparatuses for inducing a complete circulation of stratified waters by pumping surface water into the depths - Google Patents

Process and apparatuses for inducing a complete circulation of stratified waters by pumping surface water into the depths

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DE3904834A1 DE19893904834 DE3904834A DE3904834A1 DE 3904834 A1 DE3904834 A1 DE 3904834A1 DE 19893904834 DE19893904834 DE 19893904834 DE 3904834 A DE3904834 A DE 3904834A DE 3904834 A1 DE3904834 A1 DE 3904834A1
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Abstract

For the rehabilitation of polluted waters stratified in summer, warm surface water is pumped into the depths in order in this mixing to increase the temperatures of the relatively cold water of the thermocline and of the cold water from the deep water region lying beneath and thus to diminish the differences in specific gravity and thus to enable wind and waves again to perform complete circulation of the water (before autumn is reached with cooling and storms), by which the anaerobic state of the deep water, with its ecologically negative symptoms, is ended.

Description

In der kalten Jahreszeit ist auch für stehende Gewässer typisch, daß die Wasseroberfläche und die Tiefe nahezu gleiche Temperaturen auf­ weisen, wobei eine Vollumwälzung des Wassers diesen Zustand erhält. Frühsommerliche Erwärmung beendet die Vollumwälzung und es kommt zu einer Schichtbildung. In beispielsweise 5 bis 10 Meter Wassertiefe bildet sich eine Temperatursprungschicht aus, die warmes Oberflächen­ wasser von kaltem Tiefenwasser trennt.In the cold season it is also typical for standing water that the water surface and the depth almost the same temperature show, a full circulation of the water maintains this state. Early summer warming ends the full circulation and it comes to a stratification. At a depth of 5 to 10 meters, for example a temperature jump layer forms, the warm surface separates water from cold deep water.

Bei belastetem Gewässer - übermäßig mit Nährstoffen erfüllt - entsteht sehr bald im Bereich des Tiefenwassers Sauerstoffmangel (O2-Zehrung durch bakterielle Aktionen) und es kommt zu den bekannten unliebsamen Erscheinungen. Man bemüht sich, den "anaoeroben Zustand" durch Re­ duzierung des Eintrags von Schad- und Nährstoffen zu vermeiden - mit Teilerfolg - und wendet Verfahren zur Regenerierung der Tiefe mittels Sauerstoffauffüllung an.When the water is polluted - excessively filled with nutrients - oxygen deficiency (O 2 consumption through bacterial actions) very quickly arises in the area of the deep water and the well-known unpleasant phenomena occur. Efforts are being made to avoid the "anaerobic state" by reducing the entry of harmful substances and nutrients - with partial success - and methods are used to regenerate the depth by means of oxygen replenishment.

Eine unmittelbare Zuleitung von gasförmigem Sauerstoff war sehr teuer und so hat man Belüftungsverfahren eingeführt, bei denen Druckluft mit dem Wasser in engen Kontakt gebracht wird, wobei die Luft ihren Sauerstoffanteil an das Wasser abgibt. Ein wirtschaftlich überlegenes Verfahren ist ebenfalls bekanntgeworden; es nutzt das Potential an biogen im Oberflächenwasser sich bildenden Sauerstoffs, pumpt O2- reiches Oberflächenwasser in die Tiefe und läßt dort in der Ver­ mischung mit dem Tiefenwasser wieder einen Sauerstoffpegel entstehen.A direct supply of gaseous oxygen was very expensive and so ventilation methods have been introduced in which compressed air is brought into close contact with the water, the air giving off its oxygen content to the water. An economically superior process has also become known; it uses the potential of biogenic oxygen that forms in surface water, pumps O 2 -rich surface water into the depths and, when mixed with the deep water, creates an oxygen level there again.

Auch dieses Verfahren erfordert einen zu großen Aufwand an Einrich­ tungen und Betriebskosten, wenn es sich um große Gewässer handelt, welche beispielsweise die Größe von einigen tausend Hektar über­ schreiten. Der Mensch freut sich, wenn auch im Sommer Wind und Wel­ len gelengtlich eine Vollumwälzung zustande bringen, hat es jedoch noch nicht unternommen, eine Vollumwälzung künstlich einzuleiten.This method also requires too much effort in setting up services and operating costs when dealing with large bodies of water, which, for example, is the size of a few thousand hectares stride. People are happy, even if the wind and weather are great in summer len occasionally bring about a complete revolution, but it has not yet undertaken to artificially initiate a complete revolution.

Die Erfindung geht davon aus, daß es nicht nur möglich ist, den Sauerstoffreichtum des Oberflächenwassers zur O2-Anhebung einer anaeroben Tiefe zu nutzen, sondern daß ebenso die höhere Temperatur dieses Wasser nutzbar gemacht werden kann, um durch Vermischung mit der Temperatursprungschicht und darunter liegenden Schichten des Tiefenwasserbereichs ein Effekt zu erzielen, der eine wiedereinset­ zende Vollumwälzung hervorruft. The invention is based on the fact that it is not only possible to use the oxygen abundance of the surface water to increase O 2 an anaerobic depth, but that the higher temperature of this water can also be used to mix with the temperature jump layer and below Layers of the deep water area to achieve an effect that causes a full recirculation.

Es handelt sich ganz einfach darum, durch Temperaturausgleich den Unterschied des spezifischen Gewichts verschiedener Schichten zu reduzieren und die Übergänge zu strecken, so daß die Kraft der Or­ bitalbewegung ausreicht, leichteres Wasser tiefer in schwereres Was­ ser hinein zu drücken. Das Pumpwasser selbst ist nur der "Vorreiter" und "Wegbereiter" für Wasserpartikel, die nur gehindert sind, eine natürliche Bewegung, die Vollumwälzung, auszuführen.It is simply a matter of temperature compensation Difference in the specific weight of different layers too reduce and stretch the transitions so that the power of Or bital movement is sufficient, lighter water deeper into heavier water to push it in. The pump water itself is only the "pioneer" and "trailblazers" for water particles that are only hindered one natural movement, to carry out the complete revolution.

Nach einem Verfahren der Erfindung wird aus dem Bereich des Ober­ flächenwassers ein warmer Wasserstrahl in schräger Richtung in die Tiefe gepumpt, der noch im Nahbereich auf die Temperatursprungschicht trifft, sich mit ihr vermischt und die dortige Temperatur anhebt, und im weiteren Strömungsverlauf sich mit darunter liegenden Schichten von kaltem Tiefenwasser mischt und dort ebenfalls eine Temperatur­ erhöhung zustand bringt.According to a method of the invention, the upper a warm water jet in an oblique direction in the Pumped depth, which is still in the close range on the temperature jump layer hits, mixes with it and raises the temperature there, and in the further course of the flow there are layers underneath of cold deep water and there is also a temperature brings increase.

Bei einem weiteren Verfahren nach der Erfindung steht im Vordergrund, daß der Pumpvorgang einen größeren Wasserabschnitt für die Vollum­ wälzung vorbereiten soll. Das Ziel wird erreicht, indem der oder die Pumpstrahlen horizontal geschwenkt werden und/oder Ortsverlegungen vorgenommen werden, so daß die Strahlen nach und nach das Umgebungs­ wasser kreis- oder rechtecksflächig beaufschlagen.Another method according to the invention focuses on that the pumping process a larger water section for the Vollum to prepare the roll. The goal is achieved by the Pump jets are swung horizontally and / or relocated be made so that the rays gradually the ambient Apply water to a circular or rectangular surface.

Die Erfindung ist im weiteren durch Vorrichtungen gekennzeichnet. Eine verwendet Unterwasser-Drehstrom-Motoren mit Propeller, die unter ei­ nem Floß oder Boot gehaltert sind. Der Neigungswinkel sollte verstell­ bar sein, um ihn gegenüber unterschiedlichen Tiefen der Temperatursprungschicht ausrichten zu können.The invention is further characterized by devices. A uses underwater three-phase motors with propellers that are under egg are carried on a raft or boat. The angle of inclination should be adjusted be bar to it against different depths of the temperature jump layer to be able to align.

Bei einer weiteren Vorrichtung nach der Erfindung sind zwei oder meh­ rere Pumpen so angeordnet, daß sich ihre horizontalen Komponenten ihrer Reaktionskraft aufheben oder die Summe der Komponenten gewünschte Dreh- und/oder Vortriebskräfte liefert.In a further device according to the invention, two or more rere pumps arranged so that their horizontal components of their Cancel the reaction force or the sum of the components required and / or propulsive forces.

Eine weitere Vorrichtung nach der Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß man auch mit einem normalen Bootsantrieb einen Wasserstrahl mit warmem Oberflächenwasser in die gewünschte Tiefenrichtung senden kann, indem am Heck des Bootes ein Schild angebracht ist, der mit sei­ ner Wölbung den Schraubenstrahl in eine schräg in die Tiefe weisende Richtung umbiegt.Another device according to the invention is based on the knowledge from that you can even use a normal boat propulsion to spray a water Send with warm surface water in the desired depth direction can by attaching a sign to the stern of the boat that is with the curvature of the screw beam in an oblique depth Turns direction.

Eine Ergänzung liefert eine weitere Vorrichtung nach der Erfindung, in­ dem an dem Schild oberhalb der Wasserlinie ein Behälter angebracht ist, der mit mehr oder weniger Wasser gefüllt werden kann und mit dem Ge­ wicht von dem Behälter und dem Wasserinhalt den Schild ins Wasser drückt, wenn die Reaktionskraft beim Umbiegen des Wasserstrahls in die Tiefe den Schild aus dem Wasser zu heben sucht.A supplement provides a further device according to the invention, in which has a container attached to the sign above the water line, which can be filled with more or less water and with the Ge  weight of the container and the water content pushes the sign into the water, when the reaction force when bending the water jet downwards Seeking to lift shield out of the water.

Um hinreichende Wassermengen aus dem Oberflächenwasserbereich zur Ver­ mischung und Temperaturanhebung kälterer Wasserschichten zur Verfügung zu stellen, sind relativ langsame Dreh-oder Translationsbewegungen der Pumpen vorzusehen, es werden deshalb in einer weiteren Vorrichtung nach der Erfindung zwei oder mehrere Boote in Gegenrichtung oder im Dreieck aneinander gekuppelt, deren Vortriebskräfte sich mehr oder weniger ge­ genseitig aufheben oder teilweise kompensieren, so daß die resultierenden Antriebskräfte dem praktischen Bedarf entsprechen.To ensure sufficient amounts of water from the surface water area for ver mixing and raising the temperature of colder water layers are relatively slow rotational or translational movements of the To provide pumps, it will therefore be in another device the invention two or more boats in the opposite direction or in a triangle coupled together, the driving forces more or less ge cancel or partially compensate so that the resulting Driving forces correspond to practical needs.

Ausführungsbeispiele nach der Erfindung sind im folgenden mittels Zeich­ nungen erläutert. Embodiments according to the invention are in the following by means of signs explained.  

In Bild I schwimmt auf dem Oberflächenwasser (1) ein Boot (2), das eine Halterung (3) trägt, an welcher zwei Unterwasser- Propeller-Pumpen (4) angebracht sind, die je einen Wasser­ strahl (5) in Schrägrichtung auf den Grund senden. Die warmes Oberflächenwasser führenden Strahlen (5) treffen zunächst auf die Temperatursprungschicht (6), vermischen sich mit ihr, wodurch sich dessen Wassertemperatur erhöht und gelangen weiter in den Tiefenwasserbereich (7), wo eben­ falls in der Vermischung eine Temperaturerhöhung stattfindet. Eine Vorwärtsbewegung des Bootes (2) läßt beiderseitig Wasser­ bereiche mit ausgeglichener Temperatur und damit geringeren Unterschieden im spezifischen Gewicht entstehen. Eine nicht gezeichnete dritte Pumpe mit Strahlrichtung nach vorn schließt den Kielwasserbereich und in seinem Gesamtbereich sind jetzt die Voraussetzungen geschaffen, daß Wind und Wellen wieder Vollumwälzung in Gang setzen.In Figure I, a boat ( 2 ) floats on the surface water ( 1 ), which carries a holder ( 3 ), on which two underwater propeller pumps ( 4 ) are attached, each with a water jet ( 5 ) in the oblique direction on the Send reason. The warm surface water-carrying jets ( 5 ) first strike the temperature jump layer ( 6 ), mix with it, which increases its water temperature and reach the deep water area ( 7 ), where a temperature increase occurs in the mixture. A forward movement of the boat ( 2 ) creates water areas on both sides with a balanced temperature and thus smaller differences in specific weight. A third pump, not shown, with a jet direction to the front closes the wake area and in its entire area the conditions have now been created that wind and waves start full circulation again.

In Bild II schwimmt wiederum ein Boot (2) auf dem Oberflächenwasser (1). An seinem Heck ist ein Schild (8) befestigt, der aus einem gewölbten Blech besteht, welches den Schraubenstrahl (5) um etwa 20 Grad von der Horizontalen in Richtung Tiefe umlenkt. Zwei Seitenbleche verhindern das seitliche Ausbrechen des Schraubenstrahls (5). Oberhalb des Schildes (8) befindet sich ein Wasserkasten, der regelbar mit mehr oder weniger Wasser gefüllt werden kann, welches als Gegengewicht gegen den (fahrtabhängigen) Reaktionsdruck des Schraubenstrahls (5) während seiner Umlenkung dient. Das Boot (2) kann mit sei­ nem Wasserstrahl (5) im Spiral- oder Kurvenlauf zusammen­ hängende Gebiete im Sinne der Vorbereitung der Vollumwälzung mit warmen Oberflächenwasser (1) versorgen, wobei allerdings Gleichmäßigkeit wohl kaum zu erreichen ist. Diese dürfte den Einsatz mehrerer Boote erfordern.In picture II a boat ( 2 ) in turn floats on the surface water ( 1 ). At its rear, a shield ( 8 ) is attached, which consists of a curved sheet metal, which deflects the screw beam ( 5 ) by about 20 degrees from the horizontal towards the depth. Two side plates prevent the screw beam ( 5 ) from breaking out laterally. Above the plate ( 8 ) there is a water box that can be filled with more or less water, which serves as a counterweight to the (travel-dependent) reaction pressure of the screw jet ( 5 ) during its deflection. The boat ( 2 ) can be connected with its water jet ( 5 ) in the spiral or curve connected areas in the sense of preparing the full circulation with warm surface water ( 1 ), although uniformity can hardly be achieved. This may require the use of several boats.

In Bild III sind zwei Boote (2) entgegengerichtet aneinander gekuppelt. Bei gleich eingestellter Motorleistung dreht sich der Konvoi auf der Stelle, so daß die Wasserstrahlen (5) in einem Kreis­ bereich ihre Temperaturausgleichsfunktion vollführen. Bei erhöhter Leistung einer Antriebsmaschine sind mittels Ruder­ betätigung jegliche Kurse befahrbar. In Figure III, two boats ( 2 ) are coupled to each other in opposite directions. With the engine power set the same, the convoy turns on the spot, so that the water jets ( 5 ) perform their temperature compensation function in a circle. If the power of a prime mover is increased, all courses can be driven using rudder actuation.

In Bild IV sind drei Boote aneinander gekuppelt. Der Konvoi macht nur langsam Fahrt, da sich die Schraubenantriebe des rechten und des linken Bootes (2) weitgehend gegenseitig kompensieren und das achtere Boot (2) einen erheblichen Fahrwiderstand zu überwinden hat. Bei Geradeausfahrt wird eine Vorbereitung des Wassers für eine Voll­ umwälzung in Rechteckform erreicht, wobei sich Seitenstreifen und Mittelstreifen ergänzen.In picture IV three boats are coupled to each other. The convoy drives slowly because the screw drives of the right and left boat ( 2 ) largely compensate each other and the aft boat ( 2 ) has to overcome considerable driving resistance. When driving straight ahead, the water is prepared for full circulation in a rectangular shape, with side strips and median strips complementing each other.

Claims (7)

1. Verfahren zur Einleitung der Vollumwälzung eines sommerlich geschichteten Gewässers, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere durch einen Pumpvorgang im Bereich des Oberflächen­ wassers erzeugte Wasserstrahlen, die also warmes Oberflächen­ wasser führen, so gerichtet sind, daß sie in Schrägrichtung nach unten im Nahbereich die Temperatursprungschicht durch­ kreuzen und in der Vermischung mit dem Wasser dieser Schicht dieses erwärmen und im weiteren Strömungsverlauf auch die Was­ sertemperatur im Bereich des Tiefenwassers anheben und somit durch Temperaturausgleich und damit verbundener Nivellierung der spezifischen Gewichte die Voraussetzungen schaffen, daß die künstliche Strömung in eine natürliche Vollumwälzung übergeht.1. The method for initiating the full circulation of a summer stratified water, characterized in that one or more water jets generated by a pumping process in the area of the surface water, which thus lead to warm surface water, are directed so that they are inclined downwards in the near area Temperature jump layer by crossing and in the mixture with the water of this layer heat this and in the further course of the flow also raise the water temperature in the area of the deep water and thus create the conditions through temperature compensation and the associated leveling of the specific weights that the artificial flow into a natural full circulation transforms. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Pumpstrahlen durch horizontale Schwenkung und/oder Ortsverlegung der Pumpe(n) so gerichtet werden, daß sie nach und nach voll­ ständig eine Kreis- oder Rechtecksfläche beaufschlagen.2. The method according to claim 1, characterized in that the or Pump jets by horizontal swiveling and / or relocation the pump (s) are directed so that they are gradually full constantly apply to a circular or rectangular surface. 3. Vorrichtung zur Ausübung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Unterwasser­ pumpen - vorzugsweise Drehstrommotoren mit Propeller - unter einem Floß oder Boot mit einstellbarer Strahlrichtung gehal­ tert werden.3. Device for performing the method according to claims 1 and 2, characterized in that one or more underwater pumps - preferably three-phase motors with propellers - under a raft or boat with an adjustable beam direction be tert. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Pumpen so angeordnet sind, daß sich die horizontalen Re­ aktionskräfte aufheben oder eine resultierende Kraft gewünschte Vortriebs- oder Drehimpulse liefern.4. The device according to claim 3, characterized in that two or several pumps are arranged so that the horizontal Re action forces or a resulting force desired Deliver propulsive or angular momentum. 5. Vorrichtung zur Ausübung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem warmen Oberflächen­ wasser in die Tiefe zu fördernde Wasserstrahl von der oder den Antriebsschraube(n) eines Bootes erzeugt wird, indem am Heck des Bootes ein Schild angebracht ist, der mit seiner Wölbung den Schraubenstrahl in eine schräg in die Tiefe weisende Rich­ tung umlenkt. 5. Apparatus for performing the method according to claims 1 and 2, characterized in that the from the warm surfaces water to be pumped in depth from the or the Drive screw (s) of a boat is generated by the stern a sign is attached to the boat with its curvature the screw beam in a diagonally pointing depth tion redirects.   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Schild oberhalb der Wasserlinie ein Behälter angebracht ist, der mit mehr oder weniger Wasser gefüllt werden kann und damit den Schild ins Wasser drückt und die Reaktionskraft des umge­ lenkten Wasserstrahls, deren Größe von der Fördermenge pro Zeit­ einheit abhängig ist, auffängt.6. The device according to claim 5, characterized in that on the A container is attached above the water line, which can be filled with more or less water and so pushes the shield into the water and the reaction force of the other diverted water jet, the size of the flow rate per time unity is dependent. 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Boote in Gegenrichtung oder im Dreieck so aneinander gekuppelt sind, daß sich die Antriebsschübe der Boote aufheben oder eine resultierende Kraft liefern, die den Konvoi in gewünschter Geschwindigkeit und Bahnkurve antreibt.7. Device according to claims 5 and 6, characterized in that that two or more boats in the opposite direction or in a triangle like that are coupled to each other so that the drive pushers of the boats pick up or deliver a resulting force to the convoy drives at the desired speed and trajectory.
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