DE4231020C2 - Verfahren zur Bestimmung des optimalen Eintrages von Rührenergie in koagulierende Systeme und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des optimalen Eintrages von Rührenergie in koagulierende Systeme in Abhängigkeit von physikalischen und chemischen Prozeßparametern, wie Flockungsmittelkonzentration, Temperatur oder pH-Wert, mittels Trübungsmessung, insbesondere bei Fällungs-, Flockungs- und Sedimentationsprozessen bei der Trinkwasseraufbereitung, der Reinigung kommunaler oder industrieller Abwässer oder bei vergleichbaren Prozessen in der chemischen Industrie, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens unter Laborbedingungen.

Aufgrund wachsender Ansprüche an den Umweltschutz werden in steigendem Maße Verfahren der Fällungsneutralisation, Verfahren der Flockung und damit verbundenen Verfahren der Sedimentation sowohl zur Reinigung des Trinkwassers als auch zur Reinigung von Abwässern, so zum Beispiel zur Eliminierung von Phosphaten aus Abwässern des kommunalen Sektors oder zur Beseitigung von Schwermetallen aus industriellen Abwässern angewandt.

Zur Konzipierung neu zu errichtender bzw. zur verfahrenstechnischen Optimierung vorhandener Anlagen ist es wegen des komplexen Ablaufes der Prozesse unerläßlich - beginnend im Labormaßstab - Versuche durchzuführen, mit denen die verfahrenstechnischen Parameter zum Betreiben der Anlagen ermittelt werden können.

Neben der analytischen Bewertung der Wasserinhaltsstoffe vor und nach der Behandlung werden dazu seit Jahrzehnten sogenannte "Reihenrührwerke" angewandt, in denen simultan mehrere Versuche unter Variierung bestimmter Parameter gleichzeitig ablaufen (Haberer, K.: Möglichkeiten und Grenzen der Steuerung von Flockungsanlagen. Veröffentlichung der Abteilung des Lehrstuhls für Wasserchemie. Heft 3, Teil II, Institut für Gastechnik, Feuerungstechnik und Wasserchemie der Universität Karlsruhe, Karlsruhe 1967).

Die Variation der Versuchsparameter beschränkt sich dabei ausschließlich auf die Einsatzmenge der Flockungsmittel. Alle übrigen Versuchsbedingungen werden ausdrücklich konstant gehalten. Insbesondere wird die Rührgeschwindigkeit oder Rührenergie als Einflußparameter nicht in Betracht gezogen. Die beschriebene Variation der Drehzahl in zwei Stufen ist eine für den Flockungsversuch übliche Methode, um zunächst eine schnelle und gleichmäßige Verteilung des Flockungsmittels im Medium zu erreichen und nachfolgend die erreichte Gleichverteilung aufrechtzuerhalten. In jedem Fall wird die Rührerdrehzahl beider Phasen konstant gehalten.

Die Bewertung des Fällungs-, Flockungs- und Sedimentations­ verlaufes erfolgt dabei zumeist nur subjektiv durch visuelle Beurteilung mittels willkürlich gewählter Benotungsskalen, was dazu führt, daß an unterschiedlichen Orten und von verschiedenen Personen durchgeführte Versuche nicht mit­ einander vergleichbar sind. Eine tatsächliche Protokol­ lierung des gesamten Prozeßablaufes erfolgt dabei nicht.

Insgesamt dient der Einsatz der Reihenrührwerke dazu, einen Vergleich der Endergebnisse parallel durchgeführter Versuche vorzunehmen. Eine Änderung des Prozeßparameters Rührenergie erfolgt dabei nicht. Vielmehr werden lediglich Variationen der Menge bzw. Konzentration von Flockungsmitteln bzw. -hilfsmitteln vorgenommen.

Bekannt sind weiterhin Teilchenzählgeräte, mit denen Anzahl und Größe von Kolloidteilchen beim Durchfließen einer Testöffnung bestimmt werden können. Diese Geräte versagen aber bei stochastisch verteilten Flocken unterschiedlichster Struktur und Zusammensetzung, wie sie in realen Flockungs­ prozessen auftreten.

Daneben wird von TANAKA und MATSUBARA (Optical Absorption Studies of the Growth of Microcrystals in Nascent Suspensions, (I) Silver Chloride Hydrols in Photographic Science and Engineering, 20, No. 5, 1976, Seiten 213-219) eine Vorrichtung beschrieben, mit der durch einen optischen Sender und Empfänger die Lichtdurchlässigkeit eines Flüssigkeitsgemisches bestimmt wird. Mit dieser Vor­ richtung wird eine Trübungsmessung vorgenommen, bei der die Höhe der Trübungsgrenze als Maß für die Konzentration des Silberchlorids in der Lösung bestimmt wird. Um das aus­ fallende Silberchlorid in der Suspension gleichmäßig zu verteilen, wird ein schnellaufender Magnetrührer verwandt, der zwangsläufig die sich bildenden Flocken zerschlägt, um eine gleichmäßige Verteilung zu erzeugen. Daneben wird von den Autoren selbst betont, daß eine derartige Vorrichtung nur für naszente Flüssigkeitsgemische geeignet ist. Durch den Einsatz der Vorrichtung wird die Beurteilung des Anfangsstadiums der Keimbildung (Beginn der perikinetischen Phase) möglich. Eine Beschreibung des gesamten Fäl­ lungs-, Flockungs- und Sedimentationsverlaufes in einem realen Flüssigkeitsgemisch (z. B. Abwasser) ist mit dieser Einrichtung nicht möglich.

Eine Beurteilung des Flockungsverhaltens an unterschied­ lichen Punkten des Reaktionsgefäßes (z. B. in unterschied­ lichen Höhen) ist mit dieser Anordnung gleichfalls nicht möglich.

In der DE 40 36 048 A1 wird des weiteren ein Verfahren beschrieben, mit dem die Bestimmung der Schaumhöhe oder der Sedimentationshöhe in Flüssigkeiten erfolgen kann. Als Kenngröße für die Ermittlung der Schaum- bzw. Sedimenta­ tionshöhe dient dabei der Trübungssprung der optischen Dichte der Schaum- und Sedimentationsgrenze. Die Flockung und Sedimentation erfolgt ohne zusätzlichen Eintrag von kinetischer Energie durch die bloße Schwerkraft. Mit diesem Verfahren und der gleichfalls beschriebenen Vorrichtung ist somit nur die Bestimmung des Endzustandes eines Fällungs- und Sedimentationsprozesses möglich. Daneben setzt das beschriebene Verfahren mindestens zwei aufeinanderfolgende Versuchsabläufe voraus, da zunächst eine Kalibrierung der Versuchsanordnung und erst nachfolgend eine optische Bestimmung der vertikalen Schichtgrenze (Trübungssprung) zwischen Schaum und Sedimentationsschicht vorgenommen werden kann. Eine kontinuierliche Analyse und Dokumentation des gesamten Fällungs- und Flockungsverlaufes ist auch mit dieser Lösung nicht möglich. Allerdings erlaubt das Verfahren eine Bestimmung der Sedimentationsgeschwindigkeit und der Sedimentationshöhe im Reaktorgefäß.

1969 erfolgte durch HELMBOLDT und VOGEL (Helmboldt, O.U. Vogel, W.: Beurteilung von Flockungsvorgängen, in Wasser, Luft und Betrieb, 13, 1969, S. 164-168) eine wesentliche Objektivierung der Beobachtung und Registrierung der Fällungs-, Flockungs- und Sedimentationsprozesse, indem sie in einem 600-ml-Becherglas die optischen Erscheinungen dieser Prozesse durch Trübungsmessung über den gesamten Versuchsablauf hinweg aufzeichneten. Aus den erhaltenen Trübungskurven konnten wertvolle Rückschlüsse auf die Versuchsparameter gezogen werden.

So läßt sich der dynamische Verlauf eines Fällungs-, Flockungs- und Sedimentationsversuches wie folgt beschrei­ ben:

Nach dem Einmischen eines Flockungsmittels mittels konven­ tionellem Rührer in die zu untersuchende Flüssigkeit (sog. Mischphase) kommt es in der Flockungsphase zu einem innigen Kontakt zwischen Flockungsmittel und den schwebenden Verunreinigungen. Das deutliche Flockenwachstum führt zu einer tendenziellen Zunahme der Trübung in der Flüssigkeit. Dabei ist die Zunahme der Trübung gegenüber der Anfangstrübung ein Maß für die Intensität des Fäl­ lungsprozesses. Ebenso ist die Differenz zwischen Anfangs- und Endtrübung ein Maß für den Reinigungseffekt.

Der schematisierte Trübungsverlauf eines realen Flockungs­ prozesses ist in Fig. 1 dargestellt.

Diese Analysenmethode ist mit einer Reihe von Nachteilen be­ haftet:

Als Optimum einer Flockung werden Bedingungen angesehen, bei denen eine maximal große Flocke entsteht, welche bei entsprechendem Eintrag von Rührenergie gerade noch in Schwebe gehalten wird, ohne jedoch durch die am Rührer auftretenden Scherkräfte wieder zerstört zu werden. Dieser Zustand muß über eine solche Zeitdauer stabil gehalten werden, die es der Flocke gestattet, aus der umgebenden Flüssigkeit zum Teil gelöste Moleküle aber auch dispergierte Kolloidteilchen an ihrer Oberfläche mit dem Ziel einer maximalen Reinigungswirkung noch zusätzlich zu adsorbieren. Da dieses Optimum aber selbst von vielen Parametern wie Konzentration der Inhaltsstoffe, Elektrolytgehalt, Konzen­ tration und Eintragszeitpunkt der Fällungs- bzw. Flockungs­ mittel und der Dichte und Größe der Flocken abhängt und sich sogar während des Flockungsprozesses verschieben kann, sind oftmals mit der oben beschriebenen Apparatur eine größere Reihe von Vorversuchen notwendig, um sich dem Optimum des Energieeintrages zu nähern. Es sind bislang keine Laborverfahren und -vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, Flockungsprozesse bezüglich des Energie­ eintrages praktikabel und technisch beherrschbar zu opti­ mieren und auf Änderungen von Prozeßparametern kurzfristig zu reagieren.

Theoretische Berechnungen des Energieeintragsoptimums sind aufgrund der unterschiedlichen Beschaffenheit der Wasser­ inhaltsstoffe bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung, ihrer unterschiedlichen Größe, Dichte und Farbe, ihrer unterschiedlichen geometrischen Formen, ihrer unterschied­ lichen Grundflächenbeschaffenheit und ihrer Unterschiede in anderen physikalisch-chemischen Parametern aus Trübungs­ messungen nicht möglich.

Eine Thermostatisierung des Versuchsreaktors und damit die Möglichkeit, vergleichende Versuche bei unterschiedlicher Temperatur durchzuführen, war bei HELMBOLDT und VOGEL ohne störende Rückwirkungen auf das Meßergebnis nicht realisierbar, da durch die Durchstrahlung der Umhüllung des Reaktors und der Thermostatflüssigkeit die Intensität des Lichtstrahls verfälscht wird, insbesondere durch solche Einflüsse wie Trübungen und Verunreinigungen der Thermo­ statflüssigkeit und allmählich auftretende Ablagerungen auf den Mantelinnenflächen des Thermostatgefäßes, die zu nicht reproduzierbaren Meßergebnissen führen.

Bei sehr voluminösen Ausflockungen bleibt die obere Sedimen­ tationsgrenze über der fest installierten Lichtschranke stehen und verhindert den Durchtritt des Lichts. Eine Auswertung der Versuche bei "totaler Extinktion" ist nicht mehr möglich.

Neben dem Fällungs-, Flockungs- und Sedimentationsverhalten interessiert den Verfahrensingenieur aber auch die Beschaffenheit der Flocken, die zum Beispiel im "spezi­ fischen Filterkuchenwiderstand" als wichtiges Charakte­ ristikum für die Entwässerbarkeit des Schlammes ihren Ausdruck findet. Für solche Untersuchungen ist die Entnahme des Sediments notwendig. Das Absaugen des Flockenschlammes mittels Heber oder Pipette vom Boden des Becherglases führt jedoch durch die auftretenden Scherkräfte zu einer intermediären Zerstörung der Flocken, die sich zwar im Ruhezustand zurückbilden, dann aber in der Regel eine andere Geometrie und geänderte Eigenschaften aufweisen.

Übliche Laborrührer in Blatt- oder Propellerform führen dazu, daß im Bereich der Rührkanten wesentlich höhere Energie- bzw. Schergradienten auftreten als in größerer Entfernung vom Rührelement, z. B. in der Nähe der Gefäßwandung oder im Bodenraum des Reaktors. Das kann schon während des Flockungsprozesses zu einem partiellen und teilweise irreversiblen Zerschlagen der Flocken führen. Dadurch werden die Eigenschaften des Flockenschlammes im Hinblick auf die Entwässerbarkeit und das Adsorptions­ vermögen für andere gelöste oder kolloidal verteilte Wasserinhaltsstoffe negativ beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zu seiner Durchführung zu entwickeln, die es ermöglichen, komplexe, dynamische Fällungs-, Flockungs- und Sedimentationsprozesse nachzubilden, zu analysieren und die relevanten Prozeßparameter zu optimieren. Zugleich soll eine Übertragbarkeit der ermittelten optimalen Verfahrensparameter sowohl auf klein- als auch auf großtechnische Prozesse möglich sein.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, mit dem die Trübung des Systems in einem Reaktor in mindestens zwei, in verschiedenen Höhen liegenden Meßpunkten gemessen und gleichzeitig am untersten Meßpunkt die Schwankungsbreite der Trübung bestimmt wird, nachfolgend ein permanenter Vergleich der sich zeitlich ändernden Trübung an den in den verschiedenen Höhen liegenden Meßpunkten und ein Vergleich der Schwankungsbreite der Trübung zu einem Zeitpunkt mit der Schwankungsbreite der Trübung zu einem vorherigen Zeitpunkt vorgenommen wird und anschließend der Eintrag der Rührenergie in die koagulierende Flockensuspension zum Erhalten des Schwebezustandes der entstehenden Flocken gemessen, gespeichert und solange verändert wird, bis zu jedem Zeitpunkt die Trübung an allen Meßpunkten gleich groß ist und die Schwankungsbreite der Trübung gleichzeitig ein Maximum wird. Die zur Lösung der Aufgabe dienende Vorrichtung ist in Patentanspruch 4 beschrieben.

Das Verfahren und ein Ausführungsbeispiel werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Trübungsverlauf eines realen Fällungs-, Flockungs- und Sedimentationsprozesses;

Fig. 2 die Seitenansicht der Vorrichtung;

Fig. 3 die Draufsicht auf das Reaktorgefäß.

Der Versuchsverlauf (vgl. Fig. 1) gliedert sich in drei Phasen:

In der ersten Phase (I), dem Mischen, wird das Flockungs­ mittel intensiv eingerührt.

In der Phase (II), der Flockenwachstumsphase, kommt es auf einen definierten Eintrag von Rührenergie an, um eine möglichst große Flocke zu erzeugen. Hier läßt sich die Intensität der Flockung (ΔT) und die Größe der Flocken anhand der Schwankungsbreite der Trübung (T_r) ablesen. Dazu wird die Intensität der Flockung (ΔT) an mindestens zwei übereinander angeordneten Lichtschranken gemessen und über einen Regelkreise durch Veränderung der Rührenergie auf gleiche Größe einge­ stellt. Der Energieeintrag wird aber außerdem durch die Schwankungsbreite der Trübung T_r beeinflußt. Die Flockengröße soll ein Maximum erreichen, das heißt, die Schwankungsbreite der Trübung muß ein Maximum werden.

In der dritten Phase (III), beim Sedimentieren, findet kein Eintrag von Rührenergie mehr statt. Jetzt läßt sich eine Aussage zum Reinigungseffekt (ΔI) und zur Sedimentier­ barkeit (Verhältnis h/l) treffen.

Eine Realisierung des Verfahrens im Labormaß­ stab erfolgt mittels einer temperierten Fällungsapparatur (Fig. 2), mit der die Trübung im unteren und oberen Bereich der Kernzone der Flockungsbildung gemessen und über einen Soll-Ist-Vergleich die Drehzahl eines Rührers (1) so ange­ glichen wird, daß die Trübung im unteren und oberen Bereich der Trübungsmessung gleich ist und gleichzeitig die Schwankungsbreite der Trübung ein Maximum aufweist.

Neben den Daten der Trübung (Fig. 1) wird die Rührenergie über den gesamten Verlauf der Flockungsphase mit aufge­ zeichnet. Dabei erfolgt ihre Berechnung aus der Drehzahl des Rührers unter Berücksichtigung der Viskosität der Flüssigkeit bei der jeweiligen Versuchstemperatur. Die Bestimmung der Trübung und der Schwankungsbreite der Trübung erfolgt mittels zweier Lichtschranken (2) und (3), bestehend aus je einer Beleuchtungsoptik (4) auf der einen Seite und einem gegenüberliegenden Fotosensor (6). Die Meßwerte werden einem Mikroprozessor zugeführt, der ein Stellglied (8) ansteuert, und so die Drehzahl des Rührmotors (9) solange ändert, bis beide Bedingungen erfüllt sind.

Des weiteren ist je ein Thermostatmantel (11) und (12) schalenförmig so am Reaktor (10) angebracht ist, daß diametral gegenüberliegend zwei vertikale Spalten (13), (14) gebildet werden, durch welche der Strahlengang der Lichtschranken (2), (3) durch das Thermostatmantelmaterial oder durch Ablagerungen und Trübungen der Thermostatflüssigkeit durch den Reaktor (10) nicht beeinflußt werden.

Beide Lichtschranken (2), (3) sind so angeordnet, daß die Lichtstrahlen nicht durch die Bewegung des Rührers (1) unterbrochen werden und beide Lichtstrahlen horizontal einen gleich großen Weg durch das zu analysierende Medium zurückzulegen haben.

Die obere Lichtschranke (2) weist einen Mindestabstand zur Oberfläche der zu untersuchenden Flockensuspension auf, der so groß ist, daß durch Totalreflexion an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiertes Streulicht der Teilchen nicht in den oberen Fotosensor gelangt.

Die untere Lichtschranke (3) ist oberhalb der Sedimen­ tationsgrenze angeordnet und weist einen vertikalen Mindest­ abstand zu dieser auf, der so gewählt ist, daß von dort reflektiertes Streulicht der Teilchen nicht in den unteren Fotosensor gelangt.

Dabei ist die untere Lichtschranke (3) entlang des ver­ tikalen Spaltes (13), (14) verstellbar angeordnet, damit deren Höhe der zu erwartenden Sedimentationsgrenze angepaßt werden kann.

Der Boden (15) des Reaktors (10) ist trichterförmig mit einem Öffnungs­ winkel zwischen 95° und 115° ausgebildet und mit einem verschließbaren Bodenablaß (16) versehen, damit der ausfal­ lende Sedimentationsschlamm schonend abgezogen und weiteren Untersuchungen zugeführt werden kann. Der Deckel (17) des Reaktors (10) weist Öffnungen (18) auf, die es ermöglichen, mittels zusätzlicher Sensoren, beispielsweise Temperatur-, pH-Wert- und Ionenkonzentrationsverläufe mit aufzuzeichnen.

Der Rührer (1) ist so gestaltet und angeordnet, daß der Eintrag der Rührenergie gleichmäßig über den gesamten Reaktorraum erfolgt, ohne daß der Strahlengang der optischen Systeme gestört wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt der Rührer die Form einer vierzinkigen Gabel, deren Außenab­ messung 50%-70% des Reaktordurchmessers und 40%-60% der Reaktorhöhe entspricht, wobei der Durchmesser der Gabelzinken 4 mm-6 mm beträgt.

Durch den geteilten Thermostatmantel der Vorrichtung wird eine optische Beinträchtigung der Analysenergebnisse durch eventuelle Ablagerungen auf dessen Innenwandungen bzw. durch Trübungen der Thermostatflüssigkeit vermieden. Dabei weist der Thermostatmantel die Form einer zweiteiligen Schale auf, die an ihren Befestigungslinien zu beiden Seiten des Reaktors einen, bezüglich der Wärmeabstrahlung vernachlässigbar kleinen Spalt frei läßt, durch welchen Lichtstrahlen ungestört durch äußere Einflüsse gesendet werden können. Dabei ist die Möglichkeit vorgesehen, die untere Lichtschranke (3), bestehend aus je einer Lichtquelle und einem Fotosensor, entlang dieses Spaltes zu bewegen und in unterschiedlicher Höhe zu fixieren, wodurch die Höhe der unteren Meßeinrichtung bei unterschiedlichen Versuchsbedingungen der jeweils zu erwartenden, unterschied­ lich hohen Sedimentationsgrenze angepaßt werden kann.

Eine verfahrenstechnische Gesamtbeurteilung der Meßergeb­ nisse bzw. die Optimierung einer Großanlage kann nur durchgeführt werdend wenn es gelingt, den entstandenen Flockenschlamm der Apparatur so zu entnehmen, daß die Flockengeometrie möglichst nicht geschädigt wird, was z. B. die Feststellung des spezifischen Filterkuchenwiderstandes unmöglich machen würde.

Die Ausgestaltung des Bodenablaufes erfolgt deshalb in Form eines stumpfen Kegels, dessen Winkel an der Spitze 95°-115° beträgt. Bei zu flachem Winkel werden die reibungsbedingten Scherkräfte an der Kegelwand zu groß. Ist der Winkel zu spitz, wird die Rührenergie während der Flockungsphase nicht genügend gleichmäßig verteilt über den gesamten Reaktor­ inhalt eingetragen.

Wird die notwendige Rührenergie mittels üblicher Laborrührer in Blatt- oder Propellerform eingebracht, ergeben sich in Abhängigkeit von der Entfernung des jeweiligen Reaktorortes von den Kanten des Rührelements große Energie- bzw. Schergradienten, die ebenfalls zu einem teilweise irre­ versiblen Zerschlagen der entstehenden Flocken führen können. Zur Vermeidung dieses Effektes wurde ein Rührer in Gabelform entwickelt, der das Reaktorvolumen soweit aus­ füllt, daß einerseits nur örtlich geringe Energiedifferenzen auftreten, anderseits aber auch die durch den Reaktor laufenden Lichtkegel nicht gestört werden.

Anhand nachfolgender Anwendungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden.

• 1. Ein städtisches Wasserwerk, das Trinkwasser aus Uferfiltrat mittels Aluminiumsulfatflockung herstellt, will feststellen, wie die jahreszeitlich bedingte Abkühlung des Rohwassers im Winter, die zu einer Verlangsamung der Reaktion und damit zu höheren Chemikalieneinsätzen führt, durch Einsatz anorga­ nischer Flockungshilfsmittel ausgeglichen werden kann.
  Es verwendet hierzu einen 2,5 l fassenden Laborreaktor der beschriebenen Bauart und setzt als Lichtquellen zwei Glühlampen 6 V/10 W ein. Für jeden Einzelversuch wird eine bestimmte Temperatur des Uferfiltrats mittels Thermostat eingestellt. Variiert wird bei vorgegebener Temperatur die Konzentration des zugegebenen anorganischen Flockungshilfs­ mittels. Die Rührgeschwindigkeit pendelt sich je nach Flockungshilfsmittelmenge auf 12 bis 19 Umdrehungen pro Mi­ nute ein. Beim Vergleich der einzelnen Versuchskurven wird die Konzentration des anorganischen Flockungshilfsmittels solange erhöht, bis sich keine Verstärkung der Trübung als Ausdruck der Flockungsintensität und Vergrößerung der Steilheit des Abfalls der Kurve als Ausdruck der Sedi­ mentationsgeschwindigkeit mehr ergeben. Durch diese Opti­ mierung wird in der Großanlage ein Überschuß an anorga­ nischen Flockungshilfsmittel vermieden, wodurch wesentliche Kosten eingespart werden können. Gleichzeitig wird ein erneutes Dispersieren bereits ausgeflockter Inhaltsstoffe, hervorgerufen durch überhöhte Flockungshilfsmittelkonzen­ tration, vermieden.
• 2. In einer industriellen Abwasserreinigungsanlage sollen mittels Kalkhydrat Schwermetalle aus einem Mischabwasser ausgefällt werden. Als reaktionsverbessernd hat sich die Rückführung frisch ausgefällten Klärschlammes erwiesen. Die Laborversuche erfolgen mit der im Beispiel 1 beschriebenen genannten Apparatur.
  Da jedoch im Reaktor eine wesentlich höhere Flockenkonzen­ tration als bei der Trinkwasseraufbereitung zu erwarten ist, werden anstelle zweier Lichtquellen 6 V/10 W zwei Glühlampen 6 V/25 W angewandt. Variiert werden einmal Menge und zum anderen Alter des zugesetzten Kontaktschlammes. Die Rührgeschwindigkeit stellt sich je nach Menge des zugesetzten Kontaktschlamms aufgrund der Schwere der entstehenden Flocken zwischen 37 und 45 Umdrehungen pro Minute ein. Das Optimum ist erreicht, wenn die Größe der entstehenden Flocken, charakterisiert durch die Schwan­ kungsbreite der Trübungskurve (Zacken) und die Steilheit des Abfalls der Trübungskurve als Ausdruck guter Sedimentation nicht mehr ansteigen. Durch Fahren der Anlage bei diesem Optimum können erhebliche Mengen an Pumpenergie eingespart werden.
• 3. Ein Flockungshilfsmittelhersteller will den Wirkungsgrad neu entwickelter Flockungshilfsmittel objektiv beurteilen, die für die Abwasserbehandlung in einer industriellen Abwasser­ kläranlage konzipiert sind.
  Die Prüfvorrichtung ist im wesentlichen identisch mit der in Beispiel 2 beschriebenen Einrichtung.
  Der Verlauf der Fällungs-, Flockungs- und Sedimentations­ kurven bei Verwendung unterschiedlicher organischer Flockungshilfsmittel erlaubt eine Einschätzung darüber, welche Flockungshilfsmittel den jeweiligen Fällungs- und Flockungsprozeß signifikant beeinflussen. Mit den als wirk­ sam ermittelten Substanzen werden nachfolgend weitere Versuche zur Optimierung der anzuwendenden Konzentration durchgeführt. Nur mit dem endgültig mittels Laborversuchen der beschriebenen Art optimierten Flockungshilfsmittel ist ein Großversuch in der Industrieanlage notwendig, wodurch sich Aufwand und Entwicklungszeit wesentlich reduzieren.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung des optimalen Eintrages von Rührenergie in koagulierende Systeme in Abhängigkeit von physikalischen und chemischen Prozeßparametern, wie Flockungsmittelkonzentration, Flockungshilfsmittelkonzentration, Temperatur- oder pH-Wert mittels Trübungsmessung, insbesondere bei Fällungs-, Flockungs- und Sedimentationsprozessen bei der Trinkwasseraufbereitung, der Reinigung kommunaler oder industrieller Abwässer und bei vergleichbaren Prozessen in der chemischen Industrie, wobei die Trübung T(t) des Systems in einem Reaktor in mindestens zwei, in verschiedenen Höhen h₀, h₁, . . . , h_n liegenden Meßpunkten gemessen und gleichzeitig am untersten, in der Höhe h₀ liegenden Meßpunkt die Schwankungsbreite der Trübung T_r(t) bestimmt wird, nachfolgend ein permanenter Vergleich der sich zeitlich ändernden Trübung T₀(t), T₁(t), . . . T_n(t) an den einzelnen, in den verschiedenen Höhen h₀, h₁, . . . h_n liegenden Meßpunkten und ein Vergleich der Schwankungsbreite der Trübung T_r(t) zu einem Zeitpunkt t mit der Schwankungsbreite der Trübung zu einem vorherigen Zeitpunkt (t-dt) vorgenommen wird, und anschließend der Eintrag der Rührenergie W(t) in die koagulierende Flockensuspension zum Erhalten des Schwebezustandes der entstehenden Flocken gemessen, gespeichert und solange verändert wird, bis zu jedem Zeitpunkt t die Trübung T(t) an allen Meßpunkten gleich groß ist und die Schwankungsbreite der Trübung T_r(t) gleichzeitig ein Maximum wird, so daß gilt: T₀(t) = T₁(t) = . . . . = T_n(t) und
T_r(t) = Max.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Trübung und deren Schwankungs­ breite mittels Durchstrahlung des Flüssigkeitssystems mit weißem oder monochromatischem Licht erfolgt, wobei die Lichtstrahlen parallel oder kegelförmig ausgerichtet sind und die Lichtschwächung, hervorgerufen durch die Inhaltsstoffe der sich in Bewegung befindlichen Flockensuspension, mit Fotosensoren bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Trübung bei Mischverunreinigun­ gen, insbesondere bei Verunreinigungen mit Teilchen unter­ schiedlichen Farbspektrums, vorzugsweise weißes Licht ver­ wendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 unter Laborbedingungen, mit einem lichtdurchlässigen Reaktor (10), der schalenförmig von einem Thermostatmantel (11, 12) umgeben ist, der zwei diametral gegenüberliegende vertikale Spalten (13, 14) aufweist, an denen mindestens zwei Lichtschranken (2, 3), bestehend aus je einer Beleuchtungsoptik (4) auf der einen und einem Fotosensor (6) auf der anderen Seite des Reaktors, horizontal fluchtend angeordnet sind, wobei zumindest die unterste Lichtquelle und der dazugehörige Fotosensor höhenverschiebbar sind, einem Rührer (1) mit einem Rührmotor (9) und einer Antriebswelle, einem von einem Mikroprozessor gesteuerten Stellglied (8), wobei der Mikroprozessor zur kontinuierlichen oder zyklischen Erfassung der Trübung an den Fotosensoren (6) infolge der an ihnen vorbei bewegten, sich im Schwebezustand befindlichen Flocken der zu untersuchenden Flockensuspension mit den Fotosensoren (6) in Verbindung steht und zum Vergleich der jeweiligen Größe der Trübung an allen Fotosensoren (6) und gleichzeitig der Schwankungsbreite der Trübung Tr(t) zum Zeitpunkt t mit der zum Zeitpunkt (t-dt) und über das Stellglied zur Veränderung der Drehzahl des Rührmotors (9) in Abhängigkeit der Meßgrößen derart ausgebildet ist, daß die Größe der Trübung T(t) zu jedem Zeitpunkt an allen Fotosensoren (6) gleich groß ist und gleichzeitig die Schwankungsbreite der Trübung T_r(t) ein Maximum wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranken so angeordnet sind, daß alle Licht­ strahlen horizontal einen gleich großen Weg durch die zu untersuchende Flockensuspension zurücklegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranken so angeordnet sind, daß die Licht­ strahlen nicht durch die Bewegung des Rührers unterbrochen werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vertikale Abstand Δh zwischen unterster und oberster Lichtschranke möglichst groß ist, wobei die oberste Lichtschranke einen Mindestabstand zur Oberfläche der zu untersuchenden Flockensuspension aufweist, der so groß ist, daß durch Totalreflexion an der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiertes Streulicht der Teilchen nicht in den oberen Fotosensor gelangt und die unterste Lichtschranke oberhalb der Sedimentationsgrenze angeordnet ist und einen vertikalen Mindestabstand zu dieser aufweist, der so groß ist, daß von dort reflektiertes Streulicht der Teilchen nicht in den untersten Fotosensor gelangt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Trübung und deren Schwankungsbreite die Lichtquellen zur Abgabe von weißem oder monochromatischem Licht ausgebildet sind, und daß das von den Lichtquellen abgegebene Lichtbündel parallel oder kegelförmig ausgerichtet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Trübung und deren Schwankungs­ breite bei Mischverunreinigungen, insbesondere bei Verun­ reinigungen mit Teilchen von unterschiedlichem Farbspektrum, vorzugsweise weißes Licht abgebende Lichtquellen vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur schonenden Entnahme von Sedimentationsschlamm der Boden des Reaktorgefäßes als kegelförmiger Trichter mit einem Öffnungswinkel von vorzugsweise 95° bis 115° ausge­ bildet ist und einen verschließbaren Bodenablaß aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines gleichmäßigen Eintrages der Rührenergie im gesamten Reaktorraum der Rührer die Form einer mehrzinkigen, vorzugsweise vierzinkigen Gabel auf­ weist, wobei der Abstand der außenliegenden Enden der Gabeln von der Rührerachse vorzugsweise 50% bis 70% des Radius des Reaktors und die Gabelhöhe vorzugsweise 40% bis 60% der Höhe des Reaktors betragen.