DE4337091A1

DE4337091A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wasserbelüftungssystems sowie Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4337091A1
Application number: DE19934337091
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Doege; Ulrich Bierstedt
Original assignee: KERAMISCHE FABRIK BIDTELIA MEI
Current assignee: KERAMISCHE FABRIK BIDTELIA MEI
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1993-10-29
Publication date: 1995-05-04

Description

Die Vorrichtung betrifft eine Verfahren zum Betreiben eines Wasserbelüftungssystems sowie Vorrichtungen, insbesondere Belüfter zur Durchführung eines Verfahrens.

Zur Wasser- und Abwasserbelüftung in großen und kleinen Einheiten sind mehrere verschiedenartige Belüftungssysteme bekannt. Am weitesten verbreitet ist die Druckbelüftung, deren Belüfter einschließlich der Luftzuführungsleitungen in das Becken verlegt sind und deren Oberfläche porös ist. Das poröse Material kann aus Keramik, porierten Tuchen, Gummi, Rohren mit Bohrungen oder Schlitzen usw. bestehen. Die den Sauerstoff enthaltende Luft wird von einem Verdichter angesaugt, durch die Luftzuführungsleitungen zu einer meist großen Zahl von Belüftern gefördert und dort durch die Poren ins Wasser gedrückt. Es bilden sich viele kleine Luftblasen, die durch die Wirkung der Auftriebskraft nach oben steigen und am Wasserspiegel zerplatzen. Dabei schleppen sie das sie umgebende Wasser ebenfalls mit nach oben. Sowohl während des Aufsteigens der Luftbläschen als auch bei ihrem Zerplatzen wird ein Teil des Luftsauerstoffs gelöst, allerdings nur etwa 5% des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs. Der pro Kilo eingetragene Sauerstoffmassestrom, der Sauerstoffertrag ist mit etwa 3 kg O₂/kWh relativ klein, weil der über den Belüftern liegende Schweredruck der Flüssigkeit vom Verdichter überwunden werden muß. Durch die Wahl der porösen Materialien, die Gestaltung der Belüfter und die Anordnung des Systems im Becken wurde versucht, den Sauerstoffertrag zu verbessern. Dabei wird angestrebt, durch feinblasige Belüfter die für den Sauerstoffübergang erforderliche Fläche zu vergrößern. Diesem Anliegen ist jedoch eine natürliche Grenze dadurch gesetzt, daß die von den Luftblasen angetriebene Umwälzströmung und Turbulenzen geringer werden und sich der Schlamm absetzt. Die gleiche Tendenz ergibt sich infolge der Wasserinhaltsstoffe, die die Oberflächenspannung vergrößern und damit die Blasengröße vermindern.

Für die Belüftung kleiner Einheiten werden sogenannte Ejektorbelüfter eingesetzt. Eine Pumpe fördert Wasser zum Belüfter, dessen Innenkontur eine starke Querschnittsverengung aufweist, so daß über ein Rohrsystem Umgebungsluft zur Querschnittsverengung angesaugt werden kann. Bekannt sind auch Ejektorbelüfter, bei denen die Luft über einen Verdichter zugeführt wird. Bei zweckmäßiger Gestaltung des Belüfters vermischt sich die Luft gut mit dem Wasser und bildet kleine Bläschen. Der Sauerstoffertrag bei den Systemen mit Ejektorbelüftern ist etwa gleich groß, wie bei den Systemen mit Druckbelüftern. Bei großen Anlagen werden Systeme mit Druckbelüftung und bei kleinen Anlagen Systeme mit Ejektorbelüftung bevorzugt.

Zur Mischung und Belüftung von Abwässern werden weiterhin mechanische Oberflächenbelüfter verwendet. Bei ihnen wird die Luft durch von Motoren angetriebene Bürsten, Scheiben oder Rotoren (Kreiselbelüfter) eingetragen. Die auf dem Rotor sitzenden Schaufeln oder Kanäle saugen das Abwasser an und stoßen es im Bereich der Wasseroberfläche mit vergrößertem Impuls wieder auf. Dabei wird die Umgebungsluft zugemischt, der Luftsauerstoff gelöst, eine Zirkulationsströmung in Gang gesetzt und der Schlamm aufgewirbelt. Der Sauerstoffertrag ist bei diesem System deutlich schlechter als bei den beiden anderen Systemen.

Bekannt sind weiterhin kombinierte Anlagen, bei denen Druckbelüfter mit mechanischen Vorrichtungen (z. B. Paddeln, Rührern, Antriebspropellern, Fahrwerken, Räumerträgern mit eingehängten Belüftungsgittern) zu einem System vereint sind, d. h. feinblasiger Lufteintrag, mechanisch angetriebene Zirkulationsströmung und Schlammaufwirbelung gesichert werden. Der Anwendungsbereich dieses Systems entspricht dem der reinen feinblasigen Druckbelüftung, wobei höhere Baukosten zu erwarten sind. Der Gesamtenergieaufwand setzt sich aus dem für den Antrieb des Gebläses und dem der mechanischen Vorrichtungen zusammen.

Zu Wasser- bzw. Wasserbelüftungsanlagen gehört ein Verdichter, der Luft über eine in einem Becken nahe dem Rohr verlegte Rohrleitung mit vielen Abzweigen und Belüftern in das Abwasser bzw. Wasser drückt. Die Belüfter weisen viele Poren auf, durch die die Luft in Form kleiner Bläschen auftritt. Die Bläschen bewegen sich aufgrund des Auftriebs im Wasser nach oben und treiben so eine Zirkulationsströmung im Becken an. Gelangen die Luftblasen an die Wasseroberfläche, zerplatzen sie. Kleine Bläschen, deren Geschwindigkeit relativ zum Wasser klein ist, bleiben im Wasser. An der von Luft und Wasser gebildeten Phasengrenze kommt es über den Mechanismus des konvektiven Stofftransports zur Lösung des Luftsauerstoffs im Wasser, der nun für biologische oder chemische Reaktionen Zehrung zur Verfügung steht. Diese Reaktionen werden ihrerseits durch die Wasserbewegung intensiviert.

Der Sauerstoffmassestrom im Wasser ist umso größer, je größer die Kontaktfläche und je größer die Verweilzeit im Wasser ist, d. h. je kleiner der mittlere Blasendurchmesser ist. Dabei sind gleiche Ansaugluftverhältnisse, Wassertemperatur und Sauerstoffkonzentration vorausgesetzt. Da die Verdichterleistung proportional zur Wassertiefe ist, liegt die größte Reserve für die Erhöhung des Sauerstoffmassestromes in der Erzeugung kleiner Luftbläschen am Belüfter. Kleine Luftblasen entstehen, wenn der auf die Belüfteroberfläche bezogene Luftvolumenstrom nicht allzu groß und gleichmäßig verteilt ist. Bewährt haben sich rotationssymmetrische Zylinder-, (Kerzen-), Schlauch-, Pilz- und Plattenbelüfter mit einer gleichmäßigen Verteilung der Poren auf der Belüfteraustrittsfläche.

Messungen an ausgeführten Belüftungsanlagen haben ergeben, daß hinsichtlich Sauerstoffeintrag und des auf die Verdichterantriebsleistung bezogenen Sauerstoffmassestromes Zylinder- und Schlauchbelüfter schlechter sind als Platten- und Pilzbelüfter. Als Ursache wird die Wechselwirkung mnit der Wasserströmung angegeben. Der Vorteil der Platten- und Pilzbelüfter wird zum Teil durch die wesentlich größeren Investitionskosten kompensiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Belüftungsverfahren und ein Belüftungssystem bzw. Belüfter für wäßrige Systeme, d. h. Wasser, Abwasser bzw. für die Wasserbelüftung ganz allgemein beispielsweise eines Belebungsbeckens mit verbessertem Wirkungsgrad und/oder vermindertem Energieaufwand bei der Einbringung von Sauerstoff bzw. Luft, d. h. Erhöhung des pro kw eingebrachten Sauerstoff- bzw. Luftstroms oder von Gasen in Flüssigkeiten generell zu schaffen, und zwar auf wirtschaftlich einfachste Weise, wobei auch Verstopfungen und ein Absetzen von Schlamm ohne zusätzlichen Aufwand vermindert werden.

Überraschenderweise wird dies bei zum Beispiel konischen oder zylindrischen Belüfterelementen durch ein Verfahren erreicht, bei dem vorwiegend oder nur der obere Teil der z. B. konischen oder zylindrischen Belüfterelemente zur Einbringung von Luft- oder Sauerstoffbläschen, d. h. Gasbläschen verwendet werden.

Die grundlegende Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht darin, daß zylindrische oder konische bzw. ähnlich langgestreckt ausgebildete und liegend bzw. horizontal angeordnete Belüfterelemente derart ausgebildet sind, daß insbesondere an der Oberseite der Belüfter ein viel größerer Gas-Volumenstrom austritt als auf deren Unterseite.

Die Erfindung ist nachstehend in mehreren Ausführungsvarianten beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Wasserbelüftungseinrichtung, und zwar Fig. 2 im Längsschnitt mit einem in Fig. 2 vergrößert und perspektivisch dargestellten Teilelement davon mit vergrößerten, teilweise weggeschnittenen Befestigungsbereichen A und B;

Fig. 3 und 4 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Belüfter sowie

Fig. 5 bis 9 verschiedenartig ausgebildete andere Belüfter.

Ein vom Verdichter zugeführter Gasvolumenstrom 3 gelangt unterhalb eines Wasserspiegels 9 über ein Luftzuführungsrohr 2 zu einem Druckbelüfter 1.

Zusätzlich ist ein Ejektorbelüfter 4 an einem Wasserrohr 5 dargestellt, der über eine Wasserströmung 6 in einer Wasserpumpe gespeist wird und Luft durch ein Luftrohr 7 in das Becken 8 einbringt.

Vom Luftzuführungsrohr 2 (Fig. 1), welches bevorzugt etwas schräg nach aufwärts verlaufend angeordnet ist, stehen beidseitig mit Poren 14 versehene Belüfterelemente 10 aus Keramik ab, die zum Beispiel je über einer Spannstange 11 und Schrauben 12 an das Luftzuführungsrohr 2 angeklemmt sind.

Der nicht dargestellte Verdichter fördert die Luft 3 durch das Luftzuführungsrohr 2 zu den Belüftern 1, wo sie in Form kleiner Blasen austritt. Die Wasserströmung 6 fließt von der nicht dargestellten Pumpe über das Wasserrohr 5 zum Ejektorbelüfter 4 und von da etwa horizontal und quer zur Längsachse auf die Druckbelüfter. Der engste Querschnitt der Düse des Ejektorbelüfters ist so bemessen, daß über das Luftrohr Umgebungsluft angesaugt wird und sich intensiv mit dem Wasserstrom mischt. Der Achsabstand zwischen dem Boden des Beckens 8 und den Keramikbelüftern nimmt mit dem Abstand des Belüfters vom Austrittsquerschnitt des Ejektorbelüfters ab, so daß die am gesamten Umfang des Keramikbelüfters entstehenden Luftblasen, ehe sie ihre volle Größe erreicht haben, abgerissen werden und über die gesamte Beckengrundfläche verteilt aufsteigen. Damit werden die mittlere Verweilzeit der Luftblasen und die Blasenoberfläche wesentlich vergrößert, was zu einer wesentlichen Erhöhung des Sauerstoffertrages führt. Der aus dem Ejektorbelüfter austretende Wasser/Luftstrahl wirbelt den Schlamm auf und intensiviert den Sauerstofftransport. In der Regel werden die dargestellten Systeme mehrmals parallelgeschaltet und über Verteilungsleitungen miteinander verbunden. Die einzelnen parallelgeschalteten Systeme liegen in Fig. 2 hintereinander. Dadurch, daß sich der auf der Unterseite der konischen oder zylindrischen Belüfter anstehende Volumenstrom erfindungsgemäß stark vermindert, wird der Sauerstoffertrag pro kWh Verdichterantriebsleistung beträchtlich steigen. Das läßt sich zu einer starken Senkung der Energiekosten nutzen und ist darauf zurückzuführen, daß im Mittel wesentlich kleinere Bläschen gebildet werden. Im einzelnen ist das so zu begründen:

Auf der Belüfteroberseite wirken an den Bläschen, solange sie am Behälter haften, Auftriebskraft und Oberflächenspannung gegeneinander. Die Blasen lösen sich bereits bei kleinem Durchmesser ab. Auf der Unterseite wirken Auftriebskraft und Oberflächenspannungen in einer Richtung, es treten ein Stau und eine Verunreinigung von Blasen auf, bis die Luftbläschen nach der Seite ausweichen. Dadurch sind Blasendurchmesser und Blasendichte senkrecht über den achsparallelen Außenbegrenzungen der Belüfter größer als unmittelbar über diesem. Berühren sich zwei Bläschen, so vereinigen sie sich, was insgesamt zu einer Verringerung des Sauerstoffübergangs führt. Wird also die Unterseite der Belüfter ganz oder teilweise verschlossen, verringert sich der negative Einfluß dieser Effekte, die Ausblasluft strömt vorzugsweise oder gleichmäßig auf der Oberseite aus.

Eine andere Ausführung von Belüfterelementen 10 ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt, bei denen ein poröser Keramikkörper 15 zwischen Dichtplatten 13 eingespannt ist in Verbindung mit einer Luftzuführung 16. Mit dazwischengeklemmten Folien 17 können wahlweise die porösen Flächen gezielt abgedeckt sein.

Bei den Belüfterelementen 10 der Fig. 5 bis 9 sind deren porenfreie Oberseiten 21 und die Porendichte, bzw. getauchte, d. h. porenverminderte oder mit einer Abdichtung belegte bzw. beschichtete Unterseite 22 dargestellt. Dabei können (Fig. 6) sowohl die Innenseite, d. h. die Bohrung 25 zur Luftzufuhr, als auch die Außenseite 22 abgedeckt sein.

Gemäß Fig. 7 kann der an der Oberseite 21 von der Unterseite 22 unterschiedlich gestaltete Luft-Durchschnittswiderstand auch durch eine exzentrische Anordnung der Bohrung 23 bewirkt werden.

Die Belüfterelemente können nach Fig. 8 auch konisch mit konischer Bohrung 24 oder (Fig. 8) mit teilweise freigehaltener Oberfläche 21 ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Behandlung durch Tränken, Auftragen, Aufspritzen usw. kann gleichzeitig zur Erhöhung der Festigkeit der Keramikbelüfter benutzt werden, was bei der relativ kleinen Festigkeit von Keramik von besonderer Bedeutung ist.

Die nichtlineare Abhängigkeit des Druckverlustes poröser und mit Wasser benetzter Keramikstrukturen führt bei exzentrischer Bohrung dazu, daß die Luft bevorzugt dort austritt, wo die Wanddicke klein ist, d. h. auf der Oberseite. Bei der Montage solcher Belüfter entstehen keine Schwierigkeiten mit der Justierung, weil die Masseverteilung zur gewünschten Orientierung (dünne Wand oben, dicke Wand unten) führt.

Bei Tuchbelüftern (Schlauchbelüftern) können durch das Verkleben, Schweißen, Vulkanisieren usw. der Bahnen die Forderungen nach einer ausreichenden Breite der Stoßfläche und dem Fortfall eines Teils der Porierung am Rande der Bahnen erfüllt werden.

Eine weitere Verbesserung des Sauerstoffertrages ergibt sich, wenn der auf die Belüfteraustrittsfläche bezogene Volumenstrom gesenkt wird. Das kann bei vorgegebenem Sauerstoffmassestrom dazu führen, daß eine größere Anzahl von Belüftern und damit steigende Investitionskosten in Kauf genommen werden müssen.

Bezugszeichenliste

1 Druckbelüfter
2 Luftzuführungsrohr
3 Gas-Volumenstrom
4 Ejektorbelüfter
5 Wasserrohr
6 Wasserströmung
7 Luftrohr
8 Becken
9 Wasser(Flüssigkeits-)Spiegel
10 Belüfter bzw. Belüfterelemente
11 Spannstange
12 Schranken
13 Dichtplatten
14 Poren
15 Keramikkörper
16 Luftzuführung
17 Folien
18
19
20
21 Oberseite
22 Unterseite
23 achsversetzte Bohrung
24 konische Bohrung
25 Bohrung
26 Längsachse
27 Stirnflächenbereich
28 Abdeckung

Claims

1. Verfahren zum Belüften bzw. Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, Abwasser sowie Belebungswasser und dgl. durch konische oder zylindrische Belüftungselemente, dadurch gekennzeichnet, daß vorwiegend oder nur der obere Teil der zum Beispiel konischen oder zylindrischen Belüfterelemente zur Einbringung von Luft- oder Sauerstoffbläschen, d. h.Gasbläschen verwendet wird.

2. Zylindrische oder konische Belüfterelemente zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zylindrische oder konische bzw. ähnlich langgestreckt ausgebildete und liegend bzw. horizontal angeordnete Belüfterelemente (10) derart ausgebildet sind, daß insbesondere an der Oberseite (21) der Belüfter (10) ein viel größerer Gas-Volumenstrom austritt als auf der Unterseite (22).

3. Belüfterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren (14) der Innen- und/oder Außenoberfläche von keramischen Belüfterelementen (10) durch Tränken, Auftragen, Aufspritzen oder ähnliche Verfahren jeweils auf der Unter seite (. . .) ganz oder teilweise verschlossen werden.

4. Belüfterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirnflächenbereich (27) der keramischen Belüfterelemente (10) durch Tränken, Auftragen, Aufspritzen oder ähnliche Verfahren behandelt ist, auch um die mechanische Fähigkeit zu erhöhen.

5. Belüfterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (25) des keramischen Belüfterelements exzentrisch nach oben versetzt angeordnet ist.

6. Belüfterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus organischem Material hergestellte zylindrische oder keramische Belüfterelemente (10) nur auf der Oberseite (21) mit Poren (14) versehen sind und der mit Poren (14) versehene Bereich der Oberfläche (21) geeignet gekennzeichnet ist.

7. Belüfterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlauchbelüfter aus einer Bahn poriertem Material so zusammengeklebt ist, daß sich die beiden Seiten auf der Unterseite über einen beträchtlichen Teil des Umfangs überlappen; sowie Oberseite (21) und Unterseite (22) sind für eine Montage gut unterscheidbar ausgeführt.

8. Wasserbelüftungssystem insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere mit verdichteter Luft beaufschlagte Druckbelüfter (1) aus porösem Material und ein oder mehrere von ein oder mehreren Pumpen beaufschlagte Ejektorbelüfter (4) kombiniert werden, so daß die am Strahlbelüfter austretende Wasser-Luftströmung etwa horizontal und quer zur Längsachse auf die Druckbelüfter trifft.

9. Wasserbelüftungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Achsabstand zwischen Beckenboden (8) und dem Druckbelüfter (1) mit dem Abstand vom Austrittsquerschnitt des Ejektorbelüfters abnimmt.

10. Wasserbelüftungssystem nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Förderung des Abwassers ohnehin notwendigen Wasserpumpen dazu genutzt werden, das Abwasser oder Wasser über eine Verteilungsleitung zu den Ejektorbelüftern (4) zu fördern und auf die Belüfter (10) aus porösem Material zu leiten.

11. Wasserbelüftungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke des Erreichens optimaler Austrittsgeschwindigkeit der Ejektor belüfter (4) mit verstellbarem engstem Querschnitt ausgeführt ist.

12. Wasserbelüftungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- und/oder Ejektorbelüfter (4) von mit Sauerstoff angereicherter Luft beaufschlagt werden.