DE60002691T2 - Vorrichtung und verfahren zum mischen, zum belüften und zur sauerstoffanreicherung - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regulierung der Verteilung gasförmiger Fluide und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwälzen, Belüften oder zur Sauerstoffanreicherung, um Teiche, Flüsse, trichter-förmige Flußmündungen, Reservoirs oder Seen, Abwasserklärteiche, -becken oder -tanks zu belüften oder mit Sauerstoff anzureichern oder flüchtige Verbindungen aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten mittels Luft zu entfernen.
- Es gibt viele Situationen in denen eingetauchte Diffusoren dazu verwendet werden, Gas in eine Flüssigkeit einzuführen. Um zum Beispiel zum Zweck der Belüftung oder Umwälzen Sauerstoff in eine Flüssigkeit (typischerweise Wasser) zu übertragen und insbesondere das Wasser mit Sauerstoff anzureichern. Derartige Techniken werden bei aeroben biologischen Behandlungssystemen verwendet, die unter anderem zur Behandlung von Abwasser, Schmutzwasser verschiedener Art und Regenwasser und Wasser in Aquarien oder Seen und Flüssen verwendet werden. Sie werden auch. zum Entfernen von flüchtigen organischen Verbindungen aus verunreinigtem Wassser mittels Luft verwendet.
- Es ist üblich, Abwasser in "Aufbereitungsanlagen mit aktiviertem Schlamm" zu aufzubereiten, indem genaue Volumina von Luft einer Vielzahl von Diffusoren zugeführt werden, die in dem Wasser die Luft in genauen kleinen Blasen freisetzten, um natürliche Prozesse zu stimulieren. Die Anzahl von Diffusoren und damit die Beabstandung wird relativ zu dem zu behandelnden Wasservolumen und dem erforderlichen Behandlungsumfang berechnet. Die Diffusoren werden üblicherweise an dem niedrigsten Punkt in der Wassersäule platziert, wodurch der Luft am meisten Zeit verbleibt, um das Wasser zu durchqueren, bevor sie die Atmosphäre erreicht.
- Bei den bekannten Systemen wird eine Vielzahl von Diffusoren von einer Versorgungsleitung üblicherweise aus einer geeigneten Luftquelle wie beispielsweise einer Luftpumpe gespeist, die für eine konstante und gleichmäßige Versorgung mit Luft sorgt. Die Diffusoren sind in Reihen entlang der Versorgungsleitung angeordnet und die aus jedem Diffusor austretenden Luftmenge soll im Wesentlichen die gleiche sein. Bei den bekannten Abwasseraufbereitungssystemen kann ein potentieller Druckabfall entlang der Leitung von einem Diffusor zum nächsten dadurch vernachlässigbar werden, daß eine Versorgungsleitung mit einer großen Querschnittsfläche und eine Versorgung mit vergleichsweise niedrigem Druck eingesetzt wird. Der Querschnitt der Röhre muß unter Berücksichtigung der Anzahl von Diffusoren und der Abgaberate berechnet werden, um sicherzustellen, daß entlang der Rohrlänge ein vernachlässigbarer Druckabfall auftritt, und dadurch sicherzustellen, daß der Fluß aus dem Diffusor ausgeglichen ist. Bei anderen spezifischen Belüftungssystemen kann ein manuell einstellbares Ventil oder eine Öffnungssteuerung für jeden Diffusor vorgesehen sein, um ihre Abgabe abzugleichen. Das bekannte System individuell abgeglichener Gasdiffusoren ist schwierig einzurichten, um einen korrekten Abgleich sicherzustellen, der üblicherweise eine genaue Balance der Auslaßdiffusoren erfordert.
- Ein Konstantfluß-Regulator und ein Verfahren zur Herstellung desselbigen, der einen sich bewegenden "O"-Ring umfaßt, ist in den Patenten
EP 115342 - Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gasversorgungssystem bereitzustellen, das die derzeitigen Schwierigkeiten überwindet.
- Ein Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Verteilen von Gas durch ein Rohrleitungssystem vor, das eine Mehrzahl von Auslaßleitungen aufweist, die von einer gemeinsamen Versorgungsleitung oder einem Verteilerstück abzweigen, wobei das Verfahren das kontinuierliche Erzeugen eines vorgegebenen Minimalvolumens von Luft und Sauerstoff und seine Einbringung in das Rohrsystem umfaßt, wobei jedem Auslaß eine erwünschte Menge von Luft oder Sauerstoff zugeführt wird, wozu in jeder Auslaßleitung eine Regulationseinrichtung zur Erzeugung eines konstanten Durchflusses vorgesehen ist, die den Durchfluß auf eine festgesetzte Menge begrenzt, wenn der Druck im Rohrleitungssystem einen vorgegebenen Minimalwert überschreitet.
- Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere ein Verfahren zum Umwälzen, Belüften oder zur Sauerstoffanreicherung von Teichen, Flüssen oder Seen, Abwasserklärteichen oder Abwasserbecken oder zum Entfernen flüchtiger Verbindungen aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten mittels Luft vor, wobei Luft oder Sauerstoff durch ein Rohrleitungssystem geführt wird, das eine Mehrzahl von Auslaßleitungen aufweist, die von einer gemeinsamen Versorgungsleitung oder einem Verteilerstück abzweigen, wobei kontinuierlich ein Minimalvolumen von Luft und Sauerstoff erzeugt und in das Rohrsystem eingebracht wird und wobei jedem Auslaß eine erwünschte Menge von Luft oder Sauerstoff zugeführt wird, wozu in jeder Auslaßleitung eine Regulationseinrichtung zur Erzeugung eines konstanten Durchflusses vorgesehen ist, die den Durchfluß auf eine festgesetzte Menge begrenzt, wenn der Druck im Rohrleitungssystem einen vorgegebenen Minimalwert überschreitet.
- Für die vorgenannten Anwendungen wird das hiernach bezeichnete Gas Luft oder Sauerstoff sein.
- Das vorgegebene Minimalvolumen von Gas überschreitet insbesondere ein berechnetes Minimalvolumen, das durch die Diffusoren zugeführt werden muß. Vorzugsweise wird ein Durchflußsteuerungs-Regulator mit einem sich bewegenden Element gewählt, um dies unabhängig von einem Druckabfall längs des Rohrs zumindest innerhalb eines Druckbereichs zu erzielen, der als annehmbar angesehen wird. Für die meisten Anwendungen wird jedem Auslaß eine gleiche Gasmenge zugeführt. Dies kann durch Verwendung von Konstantfluß-Regulatoren mit einer speziellen und gleichen Durchflußrate für jeden Auslaß erzielt werden.
- Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht ein Gasversorgungssystem vor mit einer Gasversorgungsleitung, einer Quelle zur Erzeugung eines Gasdrucks, die an die Versorgungsleitung angeschlossen ist, und einer Mehrzahl von Auslaßleitungen, die von der Versorgungsleitung abzweigen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in jeder Auslaßleitung ein Konstantfluß-Regulator angeordnet ist, der dafür sorgt, daß ein angestrebter Durchfluß von Gas durch die Auslaßleitungen gefördert wird.
- Die vorliegende Erfindung sieht insbesondere ein Umwälzungs-, Belüftungs oder Sauerstoffanreicherungssystem vor zur Belüftung oder Sauerstoffanreicherung von Teichen, Flüssen oder trichterförmigen Flußmündungen, Reservoirs oder Seen, Abwasserklärteichen oder Abwasserbecken oder zum Entfernen flüchtiger Verbindungen. aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten mittels Luft, mit einer Gasversorgungsleitung, einer Quelle zur Erzeugung eines Gasdrucks, die an die Versorgungsleitung angeschlossen ist, und einer Mehrzahl von Auslaßleitungen, die von der Versorgungsleitung abzweigen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in jeder Auslaßleitung ein Konstantfluß-Regulator angeordnet ist, der dafür sorgt, daß ein angestrebter Durchfluß von Gas durch die Auslaßleitungen gefördert wird.
- Für die vorgenannte Anwendung wird das hier angesprochene Gas Luft oder Sauerstoff sein. Es kann mehr als eine Versorgungsleitung vorhanden sein.
- Insbesondere wird ein vorgegebenes Minimalvolumen von Gas zugeführt, das so berechnet wird, daß es ein berechnetes Minimalvolumen überschreitet, das aus den Diffusoren zugeführt werden muß. Der angestrebte Durchfluß von Gas ist ein angestrebter gleichmäßiger Durchfluß von Gas.
- Der Konstantfluß-Regulator kann ein Konstantfluß-Regulator mit einem sich bewegenden "O"-Ring oder ein anderer Konstantfluß-Regulator mit einem sich bewegenden Element sein, der genau darauf eingestellt ist, die angestrebte und berechnete Zufuhr des an den Auslaßleitungen benötigten Gases ungeachtet von Änderungen des Versorgungsdrucks zu liefern, so daß er für Änderungen des Versorgungsdrucks innerhalb eines geplanten Betriebsbereichs selbstkompensierend ist.
- Alternativ wird ein Regulator mit einem sich bewegenden "O"-Ring verwendet, der über einem bekannten Gasdruck nur einen angestrebten maximalen Durchfluß (Volumen) von Gas gestattet. Bei Verwendung eines solchen Regulators können Druckabfälle entlang der Leitung kompensiert werden, indem ein Regulator verwendet wird, der den angestrebten maximalen Durchfluß bei einem niedrigeren Druck aufweist, um den Druckabfall widerzuspiegeln. Dadurch wird ein im Wesentlichen gleichmäßiger Gasfluß aus allen Auslässen erzielt. Es versteht sich, daß bei der Verwendung des Begriffs gleichmäßig üblicherweise eine Schwankung der angestrebten Durchflußrate mit einer akzeptablen Toleranzbreite gegeben sein wird.
- Jede Auslaßleitung weist eine geeignete Auslaßdüse auf. Dies können Belüftungsdüsen, Diffusoren oder irgendeine andere für die beabsichtigte Verwendung geeignete Düse sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform versorgt jede Auslaßleitung einen entsprechenden Diffusor. Die Auslaßleitungen können in geeigneter Weise in Reihe entlang der Versorgungsleitung angeordnet sein. Die Zahl der Auslaßleitungen und damit die der Auslaßdüsen/Diffusoren wird entsprechend der speziellen Anwendung berechnet und beabstandet. Das Gas stammt vorzugsweise aus einer geeigneten Quelle, die vorzugsweise von einem Pumpgasgebläse oder --generator oder einer anderen geeigneten Vorrichtung gebildet wird und vorzugsweise ein konstantes Gasvolumen abgibt. Das System kann zur Verteilung einer beliebigen Gaszusammensetzung verwendet werden. Für viele Anwendungen wird das Gas Luft sein, andere Gase könnten Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff oder Ozon sein. Die Versorgungsleitung umfaßt zumindest einen Längenabschnitt eines Rohrs. Alternativ kann es eine Vielzahl von Längenabschnitten von Rohren umfassen, die von einem gemeinsamen Verteiler abzweigen oder einen direkten Anschluß an die Gasversorgung haben. Die Leitung kann eine Rückflußleitung aufweisen oder als Ringleitung ausgebildet sein. Die Auslaßleitungen können eine Rückflußregeleinrichtung und/oder ein Rückschlagkugelventil umfassen. Derartige Vorrichtungen können den vorgenannten Konstantfluß-Regulator beinhalten oder als separate Vorrichtungen vorgesehen sein. Der Konstantfluß-Regulator, jede Rückflußregeleinrichtung und jedes Rückschlagventil kann mit einem Auslaßdiffusor kombiniert sein.
- Die Erfindung kann für eine große Zahl potentieller Anwendungen verwendet werden, zum Beispiel zur Aufbereitung von Abwasser, Sickerwasser oder landwirtschaftlichem Abwasser durch Einführung von Luft, zum Entfernen von flüchtigen Verbindungen aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten mittels Luft, zum Umwälzen von Wassersäulen, zur Belüftung und Umwälzung von Aquarien, Teichen, Seen und Flüssen oder Fische enthaltenden Tanks oder in Verbindung mit verschiedenen Industrieprozessen. Wenn das System zum Zweck des Einführens von Gas in eine Flüssigkeit oder anderes Gas verwendet wird, verhindert die Rückflußvermeidungsvorrichtung, daß Flüssigkeit oder Gas in das System eintritt, sollte das System in einen Zustand eines negativen Relativdrucks eintreten. Das Rückschlagkugelventil gestattet es, daß einzelne Zweige isoliert werden. Das System kann dazu verwendet werden, einen Blasenvorhang zu steuern.
- Für eine beliebige gegebene Anwendung wird die Abgaberate aus den Auslaßleitungen bekannt sein, und die Gasquelle wird in der Lage sein, eine konstante Zufuhr von nicht weniger als dem berechneten Minimalerfordernis des Systems aufrechtzuerhalten.
- Die Erfindung kann für jede der oben genannten Anwendungen oder irgendeine andere Anwendung verwendet werden, bei der Gas und insbesondere Luft oder Sauerstoff in eine Flüssigkeit übertragen werden soll.
- Die vorliegende Erfindung wird nun im folgenden anhand eines Beispiels unter Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben werden:
-
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des Luftverteilungssystems, das die vorliegende Erfindung verkörpert, und -
2 ist eine graphische Auftragung der Durchflußrate gegen den Druck für einen bevorzugten Druckregulator. - Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird die vorliegende Erfindung exemplarisch in Bezug auf die Behandlung von Wasser durch die Injektion von Luft beschrieben. Bei einer Anwendung zur Abfallbehandlung wird das Wasser Abwasser enthalten. Das zu behandelnde Wasser/Abwasser ist bei
1 gezeigt und wird in einem offenen Becken oder Aufnahmebehälter3 gehalten. Eine Luftverteilungsleitung2 erstreckt sich von einer Luftquelle1 , die die Luft unter Druck der Leitung zuführt. Üblicherweise dient eine (nicht dargestellte) motorgetriebene Pumpe zu diesem Zweck. Die Leitung2 weist eine Vielzahl von Auslässen4 auf, die längs deren Länge in beabstandeten Intervallen angeordnet sind. Zum Zweck der Abwasseraufbereitung ist jeder Auslaß mit einem Diffusor versehen, der die Luft in Form kleiner Blasen in dem Wasser/Abwasser freisetzt. Um sicherzustellen, daß der Luftfluß aus jedem Diffusor der gleiche ist, ist ein Regulator5 in der Flußleitung zwischen dein Rohrnetz2 und dem Auslaßdiffusor4 vorgesehen. Der Regulator kann Teil des Diffusors oder ein separates Bauteil sein. Der Regulator ist dafür ausgelegt, unabhängig von Druckschwankungen in der Leitung einen konstanten Durchfluß zuzuführen, wenn der Druck in der Leitung einen vorbestimmten Minimalwert überschreitet, der so berechnet wird, daß er derjenige ist, der sicherstellt, daß jeder Regulator das erwünschte Gasvolumen liefert. Die bevorzugte Regulatorvorrichtung ist von einer Art, die als Konstantfluß-Regulator mit sich bewegendem Element bekannt ist, wie er in den oben genannten Patenten beschrieben ist. Diese sind, insbesondere wenn sie aus Kunststoff geformt werden, sehr ökonomsich herzustellen. - Der bevorzugte Regulator mit sich bewegendem Element soll so arbeiten, daß er über einen Bereich von Versorgungsdrücken einen angestrebten Luftfluß abgibt. Das heißt, er ist für Änderungen des Versorgungsdrucks über einen vorgeschriebenen Bereich von Drücken über einem minimalen Druckpegel selbstkompensierend.
2 ist eine graphische Auftragung eines Konstantdruck-Regulators der Art mit beweglichem Element, der Eigenschaften der beschriebenen Art aufweist und den Volumenfluß gegen den Druck zeigt. Sie zeigt, wie die Durchflußrate nach dem. Druck P1 ein Plateau bildet. Die Verwendung einer Vielzahl von Durchflußregulatoren in einer Versorgungsleitung führt zu einer gleichmäßigen Versorgung mit Luft aus der Vielzahl von Diffusoren, vorausgesetzt der Druck in der Leitung überschreitet den minimalen Grenzwert P1. - Bei einer alternativen Verwendung eines Regulators der "O"-Ring-Art gestattet es der Regulator nur, daß ein festgesetzter maximaler Fluß (Volumen) von Luft bei einem gegebenen Luftdruck durchtritt, vorausgesetzt der Druck in dem System überschreitet nicht jenen gegebenen Druck; die Durchflußrate jeder Auslaßleitung wird dann bei der festgesetzten Maximaldurchflußrate liegen, und es wird ein Regulator gewählt, der die für eine spezielle Anwendung angestrebte Durchflußrate bereitstellt. Dies kann zur Anwendung kommen, wenn kein oder ein geringer Druckabfall enlang der Verteilungsleitung auftritt.
Claims (18)
- Verfahren zum Umwälzen, Belüften oder zur Sauerstoffanreicherung von Teichen, Flüssen oder Seen, Abwasserklärungslagunen oder Abwasserbetten oder zum Entfernen flüchtiger Verbindungen aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten mittels Luft, wobei Luft oder Sauerstoff durch ein Rohrsystem geführt wird, das eine Mehrzahl von Auslaßleitungen aufweist, die von einer gemeinsamen Versorgungsleitung oder von einem Verteilerstück abzweigen, wobei kontinuierlich ein vorgegebenes Minimumvolumen von Luft oder Sauerstoff erzeugt und in das Rohrsystem eingebracht wird und wobei jedem Auslaß eine erwünschte Menge von Luft oder Sauerstoff zugeführt wird, wozu in jeder Auslaßleitung eine Regulationseinrichtung zur Erzeugung eines konstanten Durchflusses vorgesehen ist, die den Durchfluß auf eine festgesetzte Menge begrenzt, wenn der Druck im Rohrleitungssystem einen vorgegebenen Minimalwert überschreitet.
- Verfahren nach Anspruch 1, in welchem das Minimalvolumen von Luft oder Sauerstoff ein berechnetes Minimalvolumen übersteigt, das von den Auslässen abgegeben werden muß.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, in welchem ungeachtet eines Druckabfalls entlang der Leitung im Wesentlichen dieselbe Menge von Luft oder Sauerstoff zu jedem Auslaß gefördert wird, zumindest innerhalb eines Durchflußbereiches, der als annehmbar angesehen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, in welchem ein ein sich bewegendes Element umfassender Konstantfluß-Regulator verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der Druck entlang der Versorgungsleitung im Wesentlichen konstant gehalten wird und jedem Auslaß eine exakte und gleichmäßige Menge von Luft oder Sauerstoff zugeführt wird unter Verwendung eines Konstantfluß-Regulators mit einem sich bewegenden O-Ring, der im Bereich seiner maximalen Durchflußrate arbeitet, um den angestrebten Durchfluß beim eingestellten Druck zu liefern.
- Verfahren nach Anspruch 1, in welchem ein vorbestimmtes Minimalvolumen von Luft oder Sauerstoff geliefert wird, wobei das Volumen so berechnet ist, daß es das Minimalvolumen übersteigt, das von der Gesamtheit der Auslässe von den Auslaßleitungen abgegeben wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, in welchem der angestrebte Fluß von Luft oder Sauerstoff ein angestrebter gleichmäßiger Fluß von Luft oder Sauerstoff ist.
- Ein Umwälzungs-, Belüftungs- oder Sauerstoffanreicherungssystem zur Belüftung oder zur Sauerstoffanreicherung von Teichen, Flüssen oder Seen, Abwasser- oder Abwasserklärungslagunen oder -betten oder zur Entfernung flüchtiger Zusammensetzungen aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten mittels Luft, umfassend eine Luft- oder Sauerstoffversorgungsleitung, eine Quelle zur Erzeugung eines Luft- oder Sauerstoffdruckes, die an die Versorgungsleitung angeschlossen ist und eine Mehrzahl von Auslaßleitungen, die von der Versorgungsleitung abzweigen, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Auslaßleitung ein Konstantfluß-Regulator angeordnet ist der dafür sorgt, daß ein angestrebter Durchfluß von Luft oder Sauerstoff durch die Auslaßleitungen gefördert wird.
- System nach Anspruch 8, in welchem der Regulator so eingestellt ist, daß die angestrebte und berechnete Zufuhr der an der Auslaßleitung benötigten Luft oder des Sauerstoffs unbeachtlich von Änderungen des Versorgungsdrucks geliefert wird, derart, daß der Druck sich innerhalb eines geplanten Betriebsbereiches hinsichtlich Änderungen in dem Versorgungsdruck selbst kompensiert.
- System nach Anspruch 8, in welchem der Regulator derart ausgebildet ist, daß er nur einen angestrebten maximalen Durchfluß (Volumen) von Luft oder Sauerstoff gestattet, der bei einem bekannten Luft- oder Sauerstoffdruck durch den Regler fließt.
- System nach Anspruch 10, in welchem der Konstantfluß-Regulator einen ein bewegliches O-Ring-Element umfassenden Ring-Konstantfluß-Regulator umfaßt.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8–11, in welchem jede Auslaßleitung mit einer geeigneten Auslaßdüse versehen ist.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8–12, in welchem die Auslaßleitungen in Reihe entlang der Versorgungsleitung angeordnet sind.
- System nach einem der Ansprüche 8–13, in welchem die Luft- oder Sauerstoffdruckquelle als Pumpe ausgebildet ist, die ein konstantes Volumen von Luft oder Sauerstoff liefert.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8–14, in welchem die Versorgungsleitung zumindest einen Längenabschnitt eines Rohres umfaßt.
- System nach einem der Ansprüche 8–15, in welchem die Versorgungsleitung eine Mehrzahl von Längenabschnitten von Rohren umfaßt, die von einem gemeinsamen Verteiler abzweigen oder einen direkten Anschluß an die Luft- oder Sauerstoffversorgung haben.
- System nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8–16, in welchem die Leitung eine Rückflußleitung aufweist oder als Ringleitung ausgebildet ist.
- System nach einem der Ansprüche 8–17, in welchem die Auslaßleitungen eine Rückflußregeleinrichtung aufweisen und/oder ein Rückschlagkugelventil umfassen.
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