DE4216096C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung des Phosphatgehaltes von Gewässern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verrin­ gerung des Phosphatgehaltes von Gewässern.

In vielen Gewässern ist der Stoffhaushalt gestört. Ursache ist zumeist die Überdüngung (Eutrophierung). Es ist be­ kannt, durch eine Sauerstoffanreicherung im Wasser und in der Wasser-Schlamm-Kontaktzone mit Hilfe künstlicher Be­ lüftung und/oder durch Beeinflussung des Phosphat- und Nitratgehaltes dieser Erscheinung entgegenzuwirken.

Aus D. Jaeger; "Tiefenwasser", WLB Wasser, Luft und Boden 7-8/1990, S. 26-28 oder DE 32 09 200 C1 ist bekanntgeworden, eine Sauerstoffanreicherung vorzunehmen, um die Rücklösung von Phosphat aus dem Sediment zu unterbinden. Mit Hilfe einer sogenannten Mammutpumpe wird Tiefenwasser angesaugt und mit Luft gemischt und zu einer oberen Transferkammer gefördert. Aus dieser kann die eingetragene vom Wasser nicht aufgenommene Luft entweichen, bevor das Wasser über ein Fallrohr in das Hypolimnion zurückgeführt wird. Es findet mithin eine Belüftung des Tiefenwassers und keine nachhaltige Entfernung des Phosphates statt.

Es sind andere Verfahren bekanntgeworden, das Phosphat in Gewässern zu immobilisieren. So ist beispielsweise bekannt, Phosphat durch chemische Zusätze zu fällen und sedimen­ tieren zu lassen. Die seeinterne Fällung erfordert in der Regel zusätzliche Begleitmaßnahmen bzw. die regelmäßige Wiederholung der Behandlung.

Es ist ferner bekanntgeworden, das Sediment zu entfernen oder mit Mineralien oder einem Vlies abzudecken. Diese Verfahren sind außerordentlich aufwendig und auch nicht immer durchführbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren anzugeben, mit dem ein Gewässer wirksam restau­ riert werden kann, indem der Überschuß aus der Phosphat­ bilanz dauerhaft entnommen wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patent­ anspruchs 1.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Tiefenwasser nahe dem Gewässerboden angesaugt. In diesem Bereich findet un­ mittelbar über dem Sediment die wesentliche Freisetzung des Phosphates aus der Biomasse statt. Außerdem wird durch Rücklösung aus dem Sediment Phosphor freigesetzt. Mit einer nachhaltigen Entnahme und Reinigung des Tiefenwas­ sers kann eine phosphatarme Sperrschicht etabliert werden.

Dem angesaugten Tiefenwasser wird ein Fällmittel zugege­ ben. Hierbei wird die Erkenntnis angewandt, daß gelöstes Phosphat auch in geringer Konzentration durch Chemikalien ausgefällt, gebunden und agglomeriert an Schwebstoffe als Flocken abgeschieden werden kann. Erfindungsgemäß erfolgt die Abscheidung der Metall-Phosphat/Hydroxid-Flocken im Flotationsverfahren. Das Flotationsverfahren ist weitaus vorteilhafter gegenüber einem Filterverfahren oder einer schwerkraftbedingten Separation. Die Sedimentation ist wegen des geringen Dichteunterschiedes sehr volumen- und zeitaufwendig.

Bei der Phosphateliminierung aus Abwässern, bei denen ein bis zwei Zehnerpotenzen höhere Phosphatkonzentrationen als bei belasteten Gewässern vorliegen, ist ebenfalls bekannt, Fällmittel zuzugeben und eine Sedimentation im Becken vor­ nehmen zu lassen. Statt der Sedimentation kann auch eine Flotation eingesetzt werden. Das Flotat wird abgeräumt, entwässert und deponiert. Schließlich ist auch bei der Trinkwasseraufbereitung die Zugabe von Fällmittel und die Flotatbildung bekannt, wobei das Flotat zur Entwässerung entweder direkt auf ein Filter oder nach der Sedimentation über ein Filter geschickt wird. Bei der Erfindung wurde erkannt, daß durch die spezielle Anwendung der für sich bekannten Verfahrensschritte eine wirksame Restaurierung von Gewässern vorgenommen werden kann.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbare Reini­ gungsleistung (Abscheidungsgrad für Phosphat) muß nicht der Reinigungsanforderung von Trinkwasser entsprechen, da das Wasser den Reinigungsprozeß mehrfach durchlaufen kann. Das im Flotat konzentrierte Phosphat kann mit bekannten Verfahren behandelt bzw. weiterverwendet werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Fällmittel in Strömungsrichtung vor der Saugpumpe zugegeben. Die Ein­ mischung von Fällmittel unmittelbar vor der Förderpumpe sichert eine ausgezeichnete Durchmischung und Verteilung des Fällmittels in dem gesamten Wasserstrom. Zusätzliche Einbauten, wie statische Mischer oder dergleichen werden nicht benötigt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird das mit Fäll­ mittel versehene Tiefenwasser zunächst nach unten gelenkt und anschließend in das Flotationsbecken geleitet und das luftgesättigte Druckwasser dem ab- und aufsteigenden Strom zugeführt. Es ist ohne weiteres möglich, Druckwasser in die absteigende Strömung zu geben, weil die sich bildenden Mikrobläschen kaum Auftriebtendenz haben. Dadurch verlän­ gert sich ihre Verweilzeit und verbessert sich die Anlage­ rungsmöglichkeit an die Flocken. Der Eintragort für das luftübersättigte Wasser wird durch die Flockenbildungsge­ schwindigkeit bestimmt. Die schlagartige Druckentspannung erzeugt die gewünschten Mikroblasen. Durch geeignete Ein­ bringung und Verteilung erfassen sie das gesamte Volumen und verbinden sich mit den sich entwickelnden Flocken. Das Druckwasser kann auch aus dem Klarwasserablauf oder vor­ zugsweise in der kalten Jahreszeit aus dem Oberflächenwas­ ser zugeführt werden. In beiden Fällen ist es unter Nor­ maldruck bereits gesättigt. Bei Verwendung von Oberflächen­ wasser kann ein zusätzlicher, positiver Effekt genutzt werden. Beim möglichen Aufschluß von Biomasse werden Zell­ substanzen frei, die als Schaumbildner zur Stabilisierung der Flocken genutzt werden können (natürliche Flotatkondi­ tionierung).

Bei zu geringem Schwebstoffanteil kann entsprechend viel Oberflächenwasser zugemischt werden. Dabei können sich zu­ sätzliche positive Effekte ergeben. Die Wassertemperatur wird leicht -angehoben. Der pH-Wert kann optimal auf das Fällmittel eingestellt werden, sofern der pH-Wert des Tie­ fenwassers dies erfordert. Zusätzlich wird Biomasse mit inkorporiertem Phosphat entnommen. Unter Umständen kann auch aufgewühltes Sediment zusätzliche Schwebstofffracht liefern.

Das gereinigte Wasser läuft zum Beispiel über Ablaufrohre ins Oberflächenwasser bzw. ins Metalimnion ab. Die Wasser­ temperatur sollte mit der am Auslaß übereinstimmen, damit kein thermischer Abtrieb eine vermeidbare Zirkulation im Hypolimnion, besonders über Grund, anregt. Das Klarwasser ist infolge der Druckentspannungsflotation mit Sauerstoff angereichert. Dieses Wasser würde über dem Sediment das Redoxpotential im ungewünschten Sinn beeinflussen und die Rücklösefähigkeit für Phosphat beeinträchtigen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht einen Schwimmkörper vor, an dem ein in der Länge verstellbares Ansaugrohr für eine Saugpumpe an­ geschlossen ist. Der Schwimmkörper kann an beliebigen Stellen im Gewässer angeordnet werden, und die variable Förderrohrlänge ermöglicht ein tiefes Ansaugen am jewei­ ligen Standort. Das Ansaugrohr weist einen Anschluß für das Fällmittel auf, der über eine Zuführleitung mit einer Dosiervorrichtung verbindbar ist. Diese ist über eine Schlauchleitung mit einem Vorratsbehälter an Land verbun­ den. Eine Dosierung läßt sich einfacher und genauer vor­ nehmen, wenn die Dosierpumpe am Schwimmkörper angebracht ist. Im Schwimmkörper ist außerdem ein Strömungsweg zwi­ schen Pumpe und Flotationsbecken vorgesehen, dem ein Druckwasseranschluß zugeordnet ist für die Zufuhr luftge­ sättigten Druckwassers. Dem Flotationsbecken ist ein Flo­ tatspeicher zugeordnet, der über eine Leitung mit einem Schlammsammler an Land verbindbar ist. Das Flotat kann aus dem Flotationsbecken entsprechend seiner Konsistenz und Menge kontinuierlich oder im Intervallbetrieb über einen Flotatüberlauf in den Flotatspeicher gefördert werden. Zur weiteren Behandlung wird es abgepumpt und in den Sammler an Land eingefüllt. Hier kann es sedimentieren, und das klare Überstandswasser kann in das Gewässer zurückgegeben werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung für den Strö­ mungsweg besteht erfindungsgemäß darin, daß mittels einer Trennwand ein U-förmiger vertikaler Strömungsweg für das mit Fällmittel versehene Tiefenwasser gebildet ist. Der zweite Schenkel des Strömungsweges dient vorzugsweise als Steigraum für die Flockenbildung. Die hierfür notwendige Energie wird vorzugsweise hydraulisch eingetragen.

Im Flotationsbecken findet die Entgasung und Flockensepa­ ration des Wasserstroms statt. Mit dem Flockenaustrag fin­ det gleichzeitig, wie erwähnt, die Phosphatabscheidung statt. Der Fließprozeß unterstützt eine stetige Verdich­ tung des Flotats in Richtung auf den Flotatüberlauf.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Reihe von Vorteilen auf. Es ist ein geringer Energieauf­ wand für die Wasserförderung erforderlich, da keine Ent­ fernungen zu überbrücken sind und auch kein Höhenunter­ schied. Der Leitungsaufwand für Fällmittel und Flotat ist nur für geringe Volumina auszulegen, daher sind nur dünne Rohrleitungen erforderlich. Der Schwimmkörper kann von einfachster Bauweise sein, da nur druckausgeglichene Flä­ chen vorhanden sind. Der Bauaufwand für Anlagen und Behäl­ ter an Land ist ebenfalls außerordentlich gering. Der Schwimmkörper kann auf einfache Weise an verschiedenen Stellen im Gewässer verankert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Verringerung des Phosphatgehaltes eines Gewässers nach der Er­ findung.

Fig. 2 zeigt schematisch im Detail die Vorrichtung nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 2.

In einem Gewässer 10 ist ein Schwimmkörper 12 an einer ge­ eigneten Stelle verankert (nicht gezeigt). Der Schwimm­ körper 12 weist ein Ansaugrohr 14 auf, das bis nahe an das Sediment des Gewässers 10 geführt ist. Ein Ablaufrohr 16 für Klarwasser ist in das Metalimnion des Gewässers 10 geführt.

Mehrere Leitungen, die bei 18 als Einheit dargestellt sind, führen zu einer Versorgungsstation 20 an Land, worauf wei­ ter unten noch näher eingegangen wird.

Wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, hat der Schwimmkörper 12 in Draufsicht rechteckförmige Gestalt, während er im verti­ kalen Schnitt annähernd L-förmig ist. Er wird von Schwimm­ körpern 22 (Fig. 1) einen geringen Betrag über dem Wasser­ pegel gehalten. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist das in der Länge verstellbare Ansaugrohr 14 mittig in den vertikalen Schenkel eingeführt und mit einem Überlaufbecken 24 im oberen Bereich verbunden, dessen Überlauf etwas oberhalb des Wasserpegels liegt. In die Leitung 14 ist eine Förder­ pumpe 26 geschaltet, die von einem Motor 28 angetrieben ist. Die elektrische Versorgung des Motors 28 erfolgt über die Leitung 18 von Land. In Strömungsrichtung vor der Pumpe 26 ist ein Anschluß 30 für ein Fällmittel vorgesehen. Das Fällmittel wird ebenfalls von der Versorgungsstation 20 mit Hilfe einer geeigneten nicht gezeigten,vorzugsweise am Schwimmkörper angeordneten Dosiervorrichtung zugeführt. Der vertikale Schenkel des Schwimmkörpers 12 bildet das Flockungsbecken und ist durch eine vertikale Trennwand 32 vertikal unterteilt, so daß ein U-förmiger Strömungsweg 34 gebildet ist. Aus dem Überlaufbecken gelangt das mit Fäll­ mittel versetzte Tiefenwasser in den absteigenden Schenkel des Strömungspfades 34, wonach es anschließend unterhalb der Trennwand 32 in den aufsteigenden Schenkel gelangt. Im unteren Bereich des aufsteigenden Schenkels ist ein An­ schluß 36 für Druckwasser vorgesehen. Mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Pumpe wird luftgesättigtes Druck­ wasser eingeführt, das schlagartig entspannt und Mikro­ bläschen bildet, welche sich an die Flocken anlagern zwecks Flotatbildung. Der waagerechte Schenkel des Schwimm­ körpers 12 weist ein Flotationsbecken 38 auf, das durch eine Umlenkwand 40 im unteren Bereich vom aufsteigenden Strömungspfad getrennt ist. Das auf schwimmende Flotat ge­ langt gemäß den gezeichneten Pfeilen über einen Überlauf 42 in einen Flotatspeicher 44 am anderen Ende des Flota­ tionsbeckens 38. Es kann mit Hilfe einer Pumpe über eine Ablaufleitung 46 zur Station 20 gepumpt werden. Wie er­ kennbar in Fig. 2, trennt der Flotatspeicher 44 das Flota­ tionsbecken 38 von einem Klarwasserabschnitt 48, in den hinein das Klarwasserablaufrohr 16 mündet.

Der Schwimmkörper 12 hat in seinen montierbaren Teilen vorzugsweise Containerabmessungen und weist montierbare Schwimmtanks 22 auf. Er ist ferner zweckmäßigerweise rund­ um begehbar und von oben zugänglich. Im Flotationsbereich ist er wetterfest abdeckbar. Der Motor 28 sowie der Motor für die Druckwasserzufuhr ist vorzugsweise ein Unterwas­ sermotor. Die Förderpumpe 26 ist vorzugsweise regelbar. Ferner kann eine Mischeinrichtung für Oberflächenwasser vorgesehen werden sowie eine umschaltbare Druckwasserzu­ gabe mit Luftmengenregulierung. Der Flotatüberlauf 42 kann ebenfalls verstellbar bzw. regelbar sein.

Claims (11)

1. Verfahren zur Verringerung des Phosphatgehaltes von Ge­ wässern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­ schritte:
Tiefenwasser wird nahe dem Gewässerboden angesaugt;
dem angesaugten Tiefenwasser wird Fällmittel zuge­ geben;
nach dem Ausflocken erfolgt eine Druckentspannungs­ flotation;
in einem Flotationsbecken erfolgt eine Phosphatab­ scheidung und
Klarwasser wird aus dem Flotationsbecken in das Epi- oder Metalimnion zurückgefördert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fällmittel in Strömungsrichtung vor der Saugpumpe zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das mit Fällmittel versehene Tiefenwasser zu­ erst nach unten gelenkt wird und anschließend in das Flotationsbecken strömt und das luftgesättigte Druck­ wasser dem ab- und aufsteigenden Strom zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem mit Fällmittel versetzten Medium Oberflächenwasser zugemischt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Sediment des Gewässers im Ansaug­ bereich aufgewühlt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwimmkörper (12) vorgesehen ist, an dem ein in der Länge verstellbares Ansaugrohr (14) für eine Saugpumpe (26) angeschlossen ist, daß das Ansaugrohr (14) einen Anschluß (30) für das Fällmittel aufweist, der über eine Zuführleitung mit einer Dosiervorrichtung und einem Speicher an Land verbindbar ist, der Schwimmkör­ per (12) ein Flotationsbecken (38) aufweist und einem Strömungsweg (34) zwischen Pumpe (26) und Flotations­ becken (38) ein Druckwasseranschluß (36) zugeordnet ist für die Zufuhr luftgesättigten Druckwassers, ein Flo­ tatspeicher (44) vorgesehen ist, der über eine Leitung (46) mit einem Schlammsammler an Land verbindbar ist und an das Flotationsbecken (38) ein Klarwasserablauf (48) angeschlossen ist, aus dem ein oder mehrere Ab­ laufrohre (16) bis ins Epi- oder Metalimnion reichen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpe (26) ein Überlaufbecken (24) nachgeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß mittels einer Trennwand (32) ein U-förmiger vertikaler Strömungsweg (34) für das mit Fällmittel versehene Tiefenwasser gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schenkel des Strömungsweges (34) als Steigraum für die Flotatbildung dient.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Flotat über den Überlauf (42) den Flotatspeicher (44) strömt oder durch eine ge­ eignete Vorrichtung gefördert wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Flotatspeicher (44) den oberen Bereich des Flotatbeckens (38) von dem Klarwasserab­ lauf (48) sperrt.