DE9302230U1 - Device for introducing oxygen into water - Google Patents
Device for introducing oxygen into waterInfo
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Description
Vorrichtung zum Einbringen von Sauerstoff in GewässerDevice for introducing oxygen into water bodies
Die Erfindung betrifft eine vorwiegend windgetriebene Vorrichtung zur Entnahme von sauerstoffarmem, mit Methangas, Schwefelwasserstoff und Faulstoffen belastetem Wasser aus dem Hypolimnion im wesentlichen stehender Gewässer, zur Entgasung und Belüftung dieses Wassers sowie dessen Rückführung in den Bereich unterhalb der Temperatursprungschicht.The invention relates to a predominantly wind-driven device for extracting water that is low in oxygen and contaminated with methane gas, hydrogen sulphide and fouling substances from the hypolimnion of essentially stagnant bodies of water, for degassing and aerating this water and for returning it to the area below the thermal jump layer.
Stand der TechnikState of the art
Es sind bereits technische Lösungen zum Einbringen von Luft bzw. von Sauerstoff in das Hypolimnion bekannt. So werden Kompressoren direkt zur Lufteinbringung in das Hypolimnion eingesetzt. Verfahren und Vorrichtungen zur Aufbereitung von Tiefenwasser mittels komprimierter Luft sind jedoch sehr teuer und haben sich daher aus ökonomischen Gründen nicht durchgesetzt.Technical solutions for introducing air or oxygen into the hypolimnion are already known. For example, compressors are used directly to introduce air into the hypolimnion. However, processes and devices for treating deep water using compressed air are very expensive and have therefore not been adopted for economic reasons.
Es wurde auch vorgeschlagen, in besonders kritische Bereiche, vorzugsweise in die Nähe des Gewässerbodens, reinen Sauerstoff direkt einzuleiten. Die Herstellung reinen Sauerstoffes und dessen Transport bis zum Einsatzort sind energie- und kostenaufwendig. Auch diese Lösung ist daher für die Sanierung von Gewässern nicht geeignet.It has also been suggested that pure oxygen be introduced directly into particularly critical areas, preferably near the bottom of the water body. The production of pure oxygen and its transport to the site of use are energy-intensive and costly. This solution is therefore also not suitable for the remediation of water bodies.
Es sind ferner verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Belüftung von Tiefenwasser bekannt, die nach dem Doppelrohr-Pumpsystem arbeiten (DE-OS 3703562, 3615629, 3209283). Grundprinzip ist dabei stets das Abpumpen und Befördern von sauerstoffarmem Tiefenwasser an die Oberfläche, dessen Anreicherung mit Luft mit nachfolgender Rückführung in den Tiefenbereich. In allen Fällen ist entweder ein Unterwasserkabel zur UW-Motorpumpe oder im Falle des Einsatzes einer Mammutpumpe ein Luftschlauch zum Seegrund zu legen. Unterschiedliche Tiefen werden entweder durch zwischenschaltbare Doppelrohrmodule oder durch teleskopartige Doppelrohrsysteme angepaßt. Das gesamte Doppelrohr-Pumpsystem besteht weitestgehend aus Alu-Legierungen, um das System trotz des großen Volumens leicht und korrosionsfest zu gestalten. Ungeachtet dessen sind zur Installation derartiger Vorrichtungen aufwendige Hebezeuge erforderlich.There are also various methods and devices for aerating deep water that work according to the double-pipe pump system (DE-OS 3703562, 3615629, 3209283). The basic principle is always the pumping and transport of oxygen-poor deep water to the surface, its enrichment with air and subsequent return to the deep area. In all cases, either an underwater cable to the underwater motor pump or, in the case of a mammoth pump, an air hose to the lake bed must be laid. Different depths are adjusted either by interposed double-pipe modules or by telescopic double-pipe systems. The entire double-pipe pump system consists largely of aluminum alloys in order to make the system light and corrosion-resistant despite the large volume. Despite this, complex lifting equipment is required to install such devices.
Es ist auch bereits eine Anlage gemäß DE-OS 3625629 eingesetzt worden, die die Form einer nach unten sektionsweise verlängerbaren Boje besitzt. Sie besitzt flutbare Tanks an ihrem Unterende, so daß sie in der Waagerechten schwimmend zum Einsatzort geschleppt und dort durch Fluten der Tauchzellen in die senkrechte Arbeitsstellung gebracht werden kann. Das untere Modul der Anlage ist mit einer elektrisch angetriebenen Tauchpumpe bestückt. Diese Pumpe drückt Treibwasser durch einen Ejektor, der über ein Schnorchelrohr atmosphärische Luft ansaugt und das Wasser-Luft-A system according to DE-OS 3625629 has already been used, which is in the form of a buoy that can be extended downwards in sections. It has floodable tanks at its lower end, so that it can be towed to the site floating horizontally and brought into the vertical working position by flooding the diving cells. The lower module of the system is equipped with an electrically driven submersible pump. This pump pushes propellant water through an ejector, which sucks in atmospheric air via a snorkel tube and the water-air mixture
Gemisch feinblasig von unten in ein großes Steigrohr einbläst. Über die untere Öffnung des Steigrohres werden große Mengen zusätzlichen Wassers angesaugt und nach dem Mammutpumpenprinzip aufwärts befördert. Oben endet das Steigrohr in einem Entgasungstopf, wo das Restgas in die Atmosphäre entweicht. Das mit gelöstem Sauerstoff angereicherte Wasser wird in dem das Steigrohr konzentrisch umhüllenden Fallrohr wieder in die Tiefe zurückgeleitet und dort verteilt. Der mit dieser Anlage angestrebte Effekt wird mit einem sehr hohen konstruktiven und energetischen Aufwand erkauft.The mixture is blown into a large riser pipe from below in the form of fine bubbles. Large quantities of additional water are sucked in through the lower opening of the riser pipe and transported upwards using the mammoth pump principle. At the top, the riser pipe ends in a degassing pot, where the residual gas escapes into the atmosphere. The water enriched with dissolved oxygen is returned to the depths in the downpipe that concentrically surrounds the riser pipe and distributed there. The effect aimed for with this system is achieved at the cost of very high construction and energy expenditure.
Gemäß DE-OS 3205083 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der über ein Aufstiegsrohr Tiefenwasser nach oben gepumpt und oberhalb der Austrittsstelle im wesentlichen horizontal weggespritzt, dadurch mit Sauerstoff angereichert, in einem Auffangbecken gesammelt und über ein nachgeordnetes Wasserabstiegsrohr wieder in die unteren Wasserschichten zurückgeleitet wird.According to DE-OS 3205083, a device is proposed in which deep water is pumped upwards via an ascent pipe and sprayed away essentially horizontally above the exit point, thereby enriched with oxygen, collected in a collecting basin and returned to the lower water layers via a downstream water descent pipe.
Das sich drehende, mit einer feststehenden Schraube versehene und daher nicht flexible Rohr hoher Eigenmasse gewährleistet nicht die sichere Entnahme des Tiefenwassers in Bodennähe. Die das Rohr führenden Lager sind starken mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die im Rohr nach oben beförderte und am Austrittsende zu verspritzende Wassersäule wird in Drehung versetzt, wofür zusätzliche Antriebsenergie aufzubringen ist.The rotating pipe, which is fitted with a fixed screw and is therefore not flexible and has a high inherent mass, does not guarantee the safe extraction of deep water close to the ground. The bearings that guide the pipe are subject to strong mechanical loads. The column of water that is transported upwards in the pipe and sprayed out at the outlet end is set in rotation, which requires additional drive energy.
Problemproblem
In zunehmendem Maße ist eine Eutrophierung von Gewässern zu verzeichnen. Der übermäßige Eintrag von Nährstoffen, wie Phosphaten und Nitraten aus Abwässern sowie aus abgeschwemmten Düngemitteln aus der Landwirtschaft sorgt für ein verstärktes Algenwachstum. Der biologische Abbau der organischen Masse erfolgt unter hohem Sauerstoffverbrauch. Da in den bodennahen Schichten nach Bildung der Temperaturschicht (Hypolimnion) im Frühjahr bis zum Spätherbst kein Sauerstoff auf natürlichem Wege eingebracht wird, erfolgt der Abbau der gesunkenen organischen Produkte bei Sauerstoffmangel in anaerober Weise, so daß nur noch lebensfeindliche Produkte wie Methangas und Schwefelwasserstoff entstehen.Eutrophication of waters is becoming increasingly common. The excessive input of nutrients such as phosphates and nitrates from waste water and from fertilizers washed away from agriculture leads to increased algae growth. The biological decomposition of organic matter takes place with high oxygen consumption. Since no oxygen is introduced naturally into the layers close to the ground after the formation of the temperature layer (hypolimnion) in spring until late autumn, the decomposition of the sunken organic products takes place anaerobically in the absence of oxygen, so that only life-threatening products such as methane gas and hydrogen sulfide are formed.
Bedingt durch die thermische Schichtung des Wasserkörpers erfolgt keine Durchmischung des Tiefenwassers mit dem Oberflächenwasser. Auf Grund des fehlenden Sauerstoffes ist biologisches Leben im Hypolimnion nur noch begrenzt möglich. Diese biologischen, chemischen und physikalischen Zusammenhänge gelten in gleicher Weise für stagnierende natürliche und künstlich geschaffene Binnengewässer wie auch für innere und äußere Seegewässer, z.B. die Boddengewässer oder die Ostsee. In Erkenntnis der genannten Zusammenhänge hat es nicht an Versuchen gefehlt, die Tiefengewässer zu sanieren bzw. zu restaurieren.Due to the thermal stratification of the water body, the deep water does not mix with the surface water. Due to the lack of oxygen, biological life in the hypolimnion is only possible to a limited extent. These biological, chemical and physical relationships apply equally to stagnant natural and artificially created inland waters as well as to inner and outer sea waters, e.g. the Bodden waters or the Baltic Sea. In recognition of the above-mentioned relationships, there has been no lack of attempts to rehabilitate or restore the deep waters.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine umweltorientierte, tiefenvariable, in ihrer Konstruktion einfache, leicht transportierbare sowie auf- und abbaubare Vorrichtung zur Entnahme von Tiefenwasser aus dem Hypolimnion, zum Entfernen schädlicher Gase aus diesem Wasser und zur Anreicherung desselben mitThe invention is based on the task of developing an environmentally oriented, depth-variable, simple in its construction, easily transportable and easily assembled and dismantled device for extracting deep water from the hypolimnion, removing harmful gases from this water and enriching it with
Sauerstoff sowie zur Rückführung des behandelten Wassers in das Hypolimnion zu schaffen.oxygen and to return the treated water to the hypolimnion.
Erfindunginvention
Das Problem wird mit den Maßnahmen des Anspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels Streben 1, 2 verbundene Schwimmkörper 3 einen aus Halterohren 4 bestehenden Rahmen tragen, an dem ein mit Granulat 18 gefüllter, ein Gestell 5, einen Antrieb 6 und ein Winkelgetriebe tragenden Behälter 8 befestigt ist. An der Unterseite des zwischen den Schwimmkörpern 3 kippbaren Behälters 8 sind ein Flansch 16, ein abnehmbares Pumpendruckrohr 9 mit innenliegender Pumpenwelle 10 und Pumpenrad 11 samt angesetztem und sektionsweise verlängerbarem Saugschlauch 12 mit Distanzkorb 13 sowie ein Lochblech 14 und ein flexibler, ebenfalls längenvariabler Rückführschlauch 15 angebracht.The problem is solved with the measures of claim 1. The device according to the invention is characterized in that floating bodies 3 connected by means of struts 1, 2 support a frame consisting of holding tubes 4, to which a container 8 filled with granulate 18 and carrying a frame 5, a drive 6 and an angle gear is attached. On the underside of the container 8, which can be tilted between the floating bodies 3, there is a flange 16, a removable pump pressure pipe 9 with an internal pump shaft 10 and pump wheel 11 together with an attached and sectionally extendable suction hose 12 with a spacer basket 13, as well as a perforated plate 14 and a flexible return hose 15, also variable in length.
Vorteilhafte Wirkung der ErfindungAdvantageous effect of the invention
Mit der Erfindung wird eine hinsichtlich ihrer Konstruktion und Handhabung wenig aufwendige Vorrichtung vorgeschlagen, mittels derer eine umweltfreundliche und kostengünstige Sanierung bzw. Restaurierung von Gewässern erreicht werden kann. Das verwendete Prinzip erfordert eine nur geringe Antriebsleistung, die z.B. durch eine an sich bekannte Windturbine relativ geringer Größe leicht zur Verfügung gestellt werden kann. Da die Gesamtmasse der erfindungsgemäßen Vorrichtung gering ist, kann sie, zudem in Einzelteile zerlegt, auch manuell und ohne Hebezeuge an das Ufer eines zu behandelnden Gewässers gebracht, dort auf einem Boot abgelegt und am gewünschten Standort in Position gebracht werden.The invention proposes a device that is not very complex in terms of its construction and handling, by means of which an environmentally friendly and cost-effective rehabilitation or restoration of bodies of water can be achieved. The principle used requires only a low drive power, which can easily be provided, for example, by a known wind turbine of relatively small size. Since the total mass of the device according to the invention is low, it can also be dismantled into individual parts and brought manually and without lifting equipment to the bank of a body of water to be treated, placed on a boat there and brought into position at the desired location.
Es ist mit der Erfindung ohne prinzipielle bauliche Veränderungen möglich, unterschiedliche Tiefen des Hypolimnion wirkungsvoll zu belüften. Eine Vermischung des kalten Tiefenwassers mit dem warmen Oberflächenwasser wird dabei vermieden, der Rücktransport von Pflanzennährstoffen in die durchlichtete Oberflächenschicht verhindert und der atmosphärische Sauerstoff nur an die Stellen gebracht, an denen ein Sauerstoffdefizit herrscht. Der flexible Saugschlauch und der Distanzkorb gewährleisten eine sichere Entnahme des Tiefenwassers aus der Bodennähe. Das behandelte Tiefenwasser wird dabei nicht wieder in der Nähe der Entnahmestelle entlassen.The invention makes it possible to effectively aerate different depths of the hypolimnion without fundamental structural changes. Mixing of the cold deep water with the warm surface water is avoided, the return transport of plant nutrients to the lighted surface layer is prevented and atmospheric oxygen is only brought to the places where there is an oxygen deficit. The flexible suction hose and the spacer basket ensure that the deep water is safely extracted from near the ground. The treated deep water is not released again near the extraction point.
Die Modulbauweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht eine Anpassung auch an große Wassertiefen. Durch die Ankerseilbefestigung und die dadurch stets gesicherte optimale Position des Windrades quer zur Windrichtung wird die Windenergie maximal genutzt und die größte Windanlaufstrecke gesichert. Die autonom arbeitende Anlage funktioniert praktisch ohne Verschleiß und annähernd geräuschlos. Die Herstellungskosten und Betriebskosten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vergleichsweise gering.The modular design of the device according to the invention enables it to be adapted to great water depths. The anchor cable attachment and the resulting optimal position of the wind turbine across the wind direction ensure maximum use of wind energy and the greatest possible wind run-up distance. The autonomously operating system functions with practically no wear and tear and is almost noiseless. The manufacturing costs and operating costs of the device according to the invention are comparatively low.
Darstellung der ErfindungDescription of the invention
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Vorrichtung zum Anreichern des Tiefenwassers mit Luft besteht aus Schwimmkörpern 3, die einen aus Halterohren 4 bestehenden Rahmen tragen. Die mittels einer Ankerleine 17 am Einsatzort fixierte Vorrichtung weist ferner einen Behälter 8 auf, die mit einem Granulat, z.B. Kies oder Kunststoffspänen gefüllt ist und die mit einem Pumpendruckrohr 9 mit angeschlossenem biegsamem und sektionsweise verlängerbaren Saugschlauch 12 und Distanzkorb 13 in Verbindung steht. In das Pumpendruckrohr 9 ragt eine von einem Antrieb 6 , vorzugsweise einem Windrad über ein Winkelgetriebe 7 und eine Pumpenwelle 10 angetriebenes Pumpenrad 11. Der Behälter 8 weist ferner einen biegsamen und sektionsweise verlängerbaren Rückführschlauch 15 auf.The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. The device for enriching the deep water with air consists of floating bodies 3 that support a frame made up of holding tubes 4. The device, which is fixed to the site of use by means of an anchor line 17, also has a container 8 that is filled with a granulate, e.g. gravel or plastic chips, and that is connected to a pump pressure pipe 9 with a flexible suction hose 12 that can be extended in sections and a spacer basket 13. A pump wheel 11 driven by a drive 6, preferably a wind turbine, via an angle gear 7 and a pump shaft 10, extends into the pump pressure pipe 9. The container 8 also has a flexible return hose 15 that can be extended in sections.
Der Zusammenbau und die Installation der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschieht folgendermaßen:The assembly and installation of the device according to the invention is carried out as follows:
In der Uferzone wird der Behälter 8 um das Halterohr 4, welches auf den Schwimmkörpern 3 in einer nicht näher dargestellten Pfanne
gelagert ist, in Richtung der Längsachse der Schwimmkörper 1 und zwischen denselben maximal um 90 Grad nach oben gedreht. Das
starre Pumpendruckrohr 9 wird samt der Pumpenwelle 10 und dem Pumpenrad 11 durch das nunmehr nahezu senkrecht stehende Bodenloch
des Behälters 8 geschoben und mittels des Flansches 16 arretiert. Danach kann je nach vorgesehener Gewässertiefe der leichte und
biegsame, sektionsweise verlängerbare Saugschlauch 12, an dessen Ende der Distanzkorb 13 befestigt ist, angesetzt werden. Nunmehr
kann auch der Rückführschlauch 15 am Behälter 8 befestigt werden.
Voraussetzung für diesen Ablauf ist, daß die beiden Schwimmkörper 3 vorn mit den beiden Streben 1 verbunden sind und hinten die
Strebe 2 zunächst noch nicht montiert ist.In the shore zone, the container 8 is rotated around the support tube 4, which is mounted on the floats 3 in a pan (not shown in detail), in the direction of the longitudinal axis of the floats 1 and between them by a maximum of 90 degrees. The rigid pump pressure pipe 9, together with the pump shaft 10 and the pump wheel 11, is pushed through the now almost vertical bottom hole of the container 8 and locked in place by means of the flange 16. Then, depending on the intended water depth, the light and flexible suction hose 12, which can be extended in sections and at the end of which the spacer basket 13 is attached, can be attached. The return hose 15 can now also be attached to the container 8.
The prerequisite for this process is that the two floating bodies 3 are connected to the two struts 1 at the front and that the strut 2 at the rear is not yet mounted.
Mit der Ankerleine 17 wird die Vorrichtung in dem nunmehr erreichten Aufbauzustand zum vorgesehenen Einsatzort geschleppt. Dort sinken das Pumpendruckrohr 9, der biegsame Saugschlauch 12 und der Rückführschlauch 15 nach Wegfall der durch die Vorwärtsbewegung erzeugten Anströmung und infolge ihres Gewichtes in die Tiefe und richten dabei den Behälter 8 quer zur Längsachse der Schwimmkörper 3 vertikal drehend auf. Dessen Öffnung zeigt nun nach oben.The device is towed to the intended location in the assembled state using the anchor line 17. There, the pump pressure pipe 9, the flexible suction hose 12 and the return hose 15 sink into the depths after the flow generated by the forward movement has ceased and as a result of their weight, and in doing so they rotate the container 8 vertically across the longitudinal axis of the floating bodies 3. Its opening now points upwards.
Nunmehr wird auch die hintere Strebe 2 auf beiden Schwimmkörpern 3 arretiert. Es folgen die Montage und Ausrichtung des Gestells 5 mit dem Antrieb 6 und des Winkelgetriebes 7. Der Behälter 8 wird mit Granulat, vorzugsweise Kies oder Kunststoffspänen gefüllt. Das Ausschwemmen des Granulats durch den Rückführschlauch 15 wird durch ein am Boden des Behälters 8 angebrachtes Lochblech 14 verhindert.Now the rear strut 2 is also locked onto both floats 3. This is followed by the assembly and alignment of the frame 5 with the drive 6 and the angle gear 7. The container 8 is filled with granulate, preferably gravel or plastic chips. The granulate is prevented from being washed out through the return hose 15 by a perforated plate 14 attached to the bottom of the container 8.
Die über die Ankerleine 17 am Einsatzort fixierte Vorrichtung wird durch den Wind selbständig in die optimale Position gedrückt. Durch den Antrieb 6 in Bewegung gesetzt beginnt das axiale Pumpenrad 11 im Pumpendruckrohr 9 Tiefenwasser an die Oberfläche zu pumpen. Dabei ist nur eine geringe Förderhöhe zu überwinden. Je nach Größe und Position des Distanzkorbes 13 wird inThe device, which is fixed to the site of use via the anchor line 17, is automatically pushed into the optimal position by the wind. Set in motion by the drive 6, the axial pump wheel 11 in the pump pressure pipe 9 begins to pump deep water to the surface. Only a small discharge head has to be overcome. Depending on the size and position of the spacer basket 13,
Bezugszeichen-VerzeichnisList of reference symbols
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Also Published As
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