WO2003086978A1

WO2003086978A1 - Flotationsanlage zur abwasserreinigung sowie verfahren zum betreiben einer solchen anlage

Info

Publication number: WO2003086978A1
Application number: PCT/EP2003/003797
Authority: WO
Inventors: Rainer M. Schmitt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2003-10-23
Also published as: DE10216643A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Abwasserreinigung mit einer Flotationsanlage sowie eine Flotationsanlage mit einem Tank (1) , der mit einem wässrigen Feststoffgemisch befüllbar ist und einen Blasengenerator zur Bildung von Blasen (4) innerhalb des wässrigen Feststoffgenisches aufweist. Die Flotationsanlage zeichnet sich dadurch aus, dass im Tank wenigstens ein Ultraschallkopf (6) zum Aussenden von Ultraschallwellen in das wässrige Feststoffgemisch sowie Empfangen von Ultraschallwellen aus dem wässrigen Feststoffgemisch vorgesehen ist und dass eine Steuer-und Auswerteeinheit mit dem wenigsten einen Ultraschallkopf (6) verbunden ist, die den Ultraschallkopf elektrisch ansteuert und vom Ultraschallkopf stammende Ultraschallsignale, die aus dem wässrigen Feststoffgemisch zurück reflektierten Ultraschallwellen zuordenbar sind, auswertet. Die Steuer- und Auswerteeinheit regelt unter Maßgabe wenigstens eines Entscheidungskriteriums mit Hilfe des wenigstens einen Stellmittels die Bildung von Blasen (4) innerhalb des Tanks.

Description

Flotationsanlage zur Abwasserreinigung sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flotationsanlage zur Abwasserreinigung mit einem Tank, der mit einem wassrigen Feststoffgemisch befüllbar ist und einen Blasengenerator zur Bildung von Blasen innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches aufweist. Ferner richtet sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Bertreiben einer solchen Anlage.

Stand der Technik

Zum Entfernen von Feststoffen aus Abwässern sind verschiedene Verfahrenstechniken bekannt, von denen sich insbesonders zwei auszeichnen.

So ist es bekannt Feststoffe im Wege der Sedimentation innerhalb von Beruhigungsstufen, in die abfließende Abwässer einmünden, aus dem Flüssiganteil abzutrennen. In vielen Fällen erweist sich die Sedimentation jedoch als sehr störanfällig, insbesondere in Fällen, in denen der Absetz- bzw. Sedimentationsvorgang durch zu geringe Dichteunterschiede zwischen den Feststoffpartikeln und der Flüssigkeit, in den meisten Fällen ist dies Wasser, zu langsam erfolgt. Zudem wirken sich kleine Gasbläschen, die bspw. durch Fäulnisprozesse, in Folge von Gasübersättigung oder durch biochemische Reaktion im Nachklärbecken entstehen, störend wenn nicht gar kontraproduktiv auf den Sedimentationsprozess als solchen aus. Die Gasbläschen werden oftmals als Schlamm-Wasser-Gemisch aus der Belebungsstufe in die Nachklärung verschleppt, in der sie zusätzliche Abtrenn- bzw. Reinigungsprozesse notwendig machen. Als zweite sehr verbreitete Verfahrenstechnik für die Abwasserreinigung ist die Flotation zu nennen, mit der Feststoffe aus Flüssigkeiten bzw. aus Schlamm- Wasser-Gemischen trennbar sind. Grundsätzlich werden zwei Flotationsverfahren, nämlich die Begasungsflotation und die Druckentspannungsflotation, voneinander unterschieden.

Bei der Begasungsflotation wird das Schlamm-Wasser-Gemisch in der sogenannten Kontakt- und Mischzone einer Flotationsanlage mit Gasblasen begast, die in der Regel Blasendurchmesser von 200 - 1000 μm aufweisen. Diese Gasblasen lagern sich bevorzugt an sogenannten Schlammflocken an, ziehen diese an die Oberfläche des Schlamm-Wasser-Gemisches und können mit Hilfe einer nachgeschalteten Räumvorrichtung entfernt werden. Die Begasungsflotation bereitet allerdings beim Belebtschlammverfahren Probleme, da die mit der Begasung erreichbaren Blasengrößen gegenüber den Schlammflocken in der Regel zu groß sind. Ein Anhaften dieser relativ großen Blasen an die jeweilige Schlammflocke erfolgt daher nur unbefriedigend partiell. Durch Zugabe von organischen Flockungsmitteln wird diesem Effekt zwar entgegengetreten, nachteilig ist jedoch, dass diese Maßnahme zusätzliche Prozesskosten verursacht.

Wesentlich kleinere Blasen lassen sich mittels der Druckentspannungsflotation erzielen. Bei diesem Verfahren werden Gasblasen durch Entspannung einer bei hohem Druck, im allgemeinen 4 - 6 bar, mit Luft gesättigten Flüssigkeit erzeugt, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Gasblasen im Schlamm-Wasser-Gemisch erzielt werden kann. Bei diesem, auch Entspannungsflotation genannten Verfahren werden ebenfalls zwei Verfahrensvarianten, nämlich die Entspannungsflotation mit Vollstrombelüftung und die Entspannungsflotation mit Teilstrombelüftung unterschieden.

Bei der Entspannungsflotation mit Vollstrombelüftung wird das vom Belebungsbecken entnommene Schlamm-Wasser-Gemisch bei Drücken von 0,5 - 6 bar mit Luft gesättigt und anschließend in einem Tank, der sog. Flotationszelle, entspannt. Neben den hohen Betriebskosten ist bei dieser Art Verfahren besonders nachteilig, dass die Verstopfungsanfälligkeit der Anlage durch den Belebtschlamm zunimmt und darüber hinaus die Belebtschlammflocken zerstört werden.

Bei der Entspannungsflotation mit Teilstrombelüftung wird Frischwasser oder ein Teil des ablaufenden, gereinigten Klarwassers mit Luft bei einem Druck von 4 - 6 bar gesättigt. Dieses belüftete Frisch- bzw. Klarwasser wird anschließend mit dem Schlamm-Wasser-Gemisch vermischt und in einer Kontakt- und Mischzone der Flotationsanlage entspannt. Auch bei dieser Verfahrensvariante sind die Kosten für die Erzeugung des Druckwassers sehr hoch.

Allgemein zeichnen sich Flotationsverfahren dadurch aus, dass sie wesentlich schneller und platzsparender arbeiten als Sedimentationsverfahren. Außerdem sind Flotationsverfahren wesentlich billiger und weniger wartungsintensiv als bspw. Filterreinigungen. Das Flotationsverfahren wird häufig zur Reinigung von industriellen Abwässern, wie bspw. aus der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Der Einsatz dieser Anlagen bei der komunalen Abwasserreinigung, die einen großen Anteil an der Gesamtabwasserreinigung einnimmt, spielt dagegen nur eine untergeordnete Rolle. Dies ist vor allem darauf zurück zu führen, dass es zur Zeit keine Möglichkeit gibt, die Blasenerzeugung zu steuern.

Eine wirksame Flotation benötigt Blasen im Durchmesserbereich zwischen 40 und 60 μm, da diese eine ideale Aufstiegsgeschwindigkeit und einen günstigen Wirkungsgrad zur Anlagerung an Feststoffe besitzen. Neben dem Durchmesser ist auch die homogene Durchmischung des Filtrates mit Blasen wichtig.

In der DE 4305 660 A1 ist ein Verfahren für die Herstellung von Blasen innerhalb von Flüssigkeiten beschrieben, das eine Steuerung der Größenverteilung der Blasen ermöglicht. Hierbei werden die Blasen durch Einströmen von Gasen in die Flüssigkeit mittels geeigneter Düse erzeugt.

Die Größenverteilung der sich innerhalb der Flüssigkeit ausbildenden Blasen wird durch ein Ultraschallfeld vorgenommen, das in die Flüssigkeit eingekoppelt wird und dessen Frequenzen und Intensitäten derart gewählt werden, dass Blasen, deren Durchmesser nahe einem kritischen Durchmesser d_c liegen, gezielt in Resonanzschwingung geraten und in kleinere Bläschen zerfallen. Da der kritische Durchmesser d_c in erster Näherung indirekt proportional zur Frequenz des Ultraschallfeldes ist, lässt sich über die Modulation der Ultraschallfrequenz eine gewünschte Blasengröße selektiv aus dem Größenverteilungsmuster eliminieren. Somit ermöglicht dieses Verfahren die Blasengröße auf einen vorgebbaren Wert einzustellen.

Eine Möglichkeit, die Menge der zugesetzten Gasblasen der Zusammensetzung des Abwassers anzupassen, wird in der DE 198 35 188 A1 beschrieben. Bei dem hier beschriebenen Verfahren zur Reinigung von Abwässern in einer Flotationsanlage erfolgt die Abwasserreinigung mittels Vermischen des Abwasserstroms mit einem sogenannten Dispersionstrom, der aus in Wasser gelösten Mikroblasen besteht und bezüglich seiner Menge und Einströmrichtung in den Abwasserstrom in Abhängigkeit der Zusammensetzung des jeweiligen Abwassers eingestellt wird. Die Flotationsanlage zur Durchführung dieses Verfahrens weist ein Flotationsbecken mit mindestens einem Abwasserzulauf und mindestens einem im oder am Abwasserzulauf angeordneten Mischbereich auf. In diesem Mischbereich wird das Abwasser mit dem Dispersionsstrom, der mittels mindestens einer Dispersionsstromdüse eingeleitet wird, gemischt. Jedem Mischbereich sind hierbei in Abwasserstromrichtung hintereinander angeordnet mehrere Dispersionsstromdüsen zugeordnet, die unabhängig voneinander zuschaltbar oder abschaltbar sind. Jede Dispersionsstromdüse ist derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass die Einströmrichtung des Dispersionsstromes in das Abwasser veränderbar ist. Die Steuerung der Dispersionsstrommenge erfolgt in Abhängigkeit von der Trockensubstanzkonzentration im Abwasser. Diese Trockensubstanzkonzentration, d. h. der Belastungsgrad des Wassers, kann bspw. durch eine On-Iine- Trübungsmessung im Zulauf der Anlage gemessen werden. Über eine damit verbundene Steuerung wird dann die Dispersionsstrommenge verändert. Der Nachteil, der in dieser Druckschrift beschriebenen Flotationsanlage besteht darin, dass nur die Menge der in das Abwasser eingeleiteten Blasen verändert werden kann. Eine Möglichkeit, die Blaseneigenschaften selbst zu regeln, bietet diese Technik nicht, ebensowenig wie das zuvor beschriebene Verfahren.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flotationsanlage zur Abwasserreinigung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, mit der es möglich wird, den Durchmesser der erzeugten Blasen, die Durchmesserverteilung, den Blasenanteil im Filtrat sowie die Verteilung der Blasen innerhalb der Flotationszelle zu ermitteln. Mittels der gewonnenen Daten soll es möglich sein, die verschiedenen, oben aufgeführten Blasenparameter innerhalb einer Flotationsanlage zu regeln, um letztlich den Wirkungsrad einer Flotationsanlage zu optimieren.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterhin wird im Anspruch 8 ein Verfahren zum Betreiben einer Flotationsanlage zur Abwasserreinigung beschrieben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungstext unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist eine Flotationsanlage zur Abwasserreinigung mit einem Tank, der mit einem wassrigen Feststoffgemisch befüllbar ist und einen Blasengenerator zur Bildung von Blasen innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches aufweist, derart weitergebildet, dass wenigstens eine Ultraschalleinheit zum Aussenden von Ultraschallwellen in das wässrige Feststoffgemisch sowie zum Empfangen von Ultraschallwellen aus dem wassrigen Feststoffgemisch vorgesehen ist, dass eine Steuer- und Auswerteeinheit mit der wenigstens einen Ultraschalleinheit verbunden ist, die die Ultraschalleinheit elektrisch ansteuert und von der Ultraschalleinheit stammende Ultraschallsignale, die aus dem wassrigen Feststoffgemisch zurückreflektierten Ultraschallwellen zuordenbar sind, auswertet, und dass die Steuer- und Auswerteeinheit unter Massgabe wenigstens eines Entscheidungskriteriums mit Hilfe des Blasengenerators die Bildung von Blasen im Tank regelt.

Die der erfindungsgemäß ausgebildeten Flotationsanlage zugrundeliegende Idee betrifft die Möglichkeit einer in Echt-Zeit bzw. Online durchführbaren Erfassung und Überwachung der innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches durch den Blasengenerator erzeugten Blasen. Mit Hilfe der auf Ultraschalltechnik beruhenden Messung sowie einer auf den Messergebnissen basierenden Auswertung kann quasi eine aktuelle Momentaufnahme von den sich innerhalb der Flotationsanlage ausgebildeten Blasen angefertigt werden, die durch ihren Eigenauftrieb innerhalb des Tanks entgegen der Schwerkraft nach oben steigen und entsprechend ihrer Größe innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches befindliche Schlammflocken aufzunehmen und mit auf ihrem Weg an die Oberfläche des wassrigen Feststoffgemisches zu transportieren vermögen.

Um den besagten Transportvorgang im Hinblick auf Effektivtät zu optimieren, bedarf es jedoch einer optimalen Blasengröße, deren Ausbildung letztlich durch den Blasengenerator bestimmt ist, den es gilt, bei einer festgestellten Abweichung der tatsächlichen Blasengröße von einer Idealform nachzuregeln. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Steuer- und Auswerteeinheit vorgesehen, die bei entsprechendem Regelbedarf den Blasengenerator derart ansteuert, so dass möglichst die Ausbildung einer optimierten Blasengröße innerhalb der Flotationsanlage erreicht wird. Dazu wertet die Steuer- und Auswerteeinheit die innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches an den Blasen zurückreflektierten Ultraschallwellen aus und bestimmt nach Maßgabe von im weiteren noch auszuführenden Zusammenhängen zumindest deren Blasengröße, die mit Sollgrößen verglichen werden. Bei festgestellter Abweichung wird eine Nachregelung des Blasengenerators entsprechend vorgenommen. Ein derartig aktiver Regelkreis gewährleistet die Ausbildung optimal dimensionierter Blasen innerhalb der Flotationsanlage im Hinblick auf Blasendurchmesser sowie einer damit verbundenen Aufstiegsgeschwindigkeit, die nicht zuletzt wesentlich für das Separationsvermögen und damit das Leistungsvermögen der gesamten Flotationsanlage bestimmend ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Flotationsanlage einen Tank mit einer Bodenplatte auf, in der zur Ultraschallerzeugung sowie Detektion mehrere als Ultraschallköpfe ausgebildete Ultraschalleinheiten vorgesehen sind. Jeder einzelne Ultraschallkopf ist vorzugsweise in der Lage Ultraschallwellen in das innerhalb des Tanks befindliche wässrige Feststoff gern isch zu emittieren und überdies zu detektieren. Auch sind Ultraschalleinheiten denkbar, die über getrennte Sende- und Empfangseigenschaften verfügen, jedoch müssen in diesem Fall Sender und Empfänger über ein aufeinander abgestelltes Zeitverhalten, d.h. eine gemeinsame Triggerzeitbasis, verfügen.

Gemeinsam mit den einzelnen, innerhalb der Bodenplatte integrierten Ultraschall köpfe sieht die Bodenplatte zusätzlich in Form von regelbaren Ventilen ausgebildete Gaseinlassöffnungen vor, die als Blasengeneratoren dienen. Durch die als Regelventile ausgebildeten Gaseinlassöffnungen werden dosierte Luft- bzw. Gasströme in das wässrige Feststoffgemisch eingebracht, die im Idealfall zu aufsteigenden Bläschen mit Bläschendurchmesser zwischen 40 und 60 μm führen.

Zur Überwachung des sich ausbildenden Bläschendurchmessers senden die in der Bodenplatte integrierten Ultraschall köpfe Ultraschallwellen aus, die vorzugsweise unter einem flachen Winkel auf die entgegen der Schwerkraft aufsteigenden Bläschen auftreffen. Vorzugsweise beträgt der Winkel, unter dem die Ultraschallwellen auf die Bläschen auftreffen, zwischen 0° und 35°. Die an den Bläschen zurückreflektierten Teil-Ultraschallwellen werden von den in der Bodenplatte integrierten Ultraschallköpfen detektiert und können im weiteren unter Zugrundelegung der theoretischen Zusammenhänge, das Doppler-Prinzip betreffend, ausgewertet werden. So ist es nach dem besagten Prinzip möglich, aufgrund der detektierten Ultraschallfrequenzänderung eine Aussage über die Geschwindigkeit der aufsteigenden Blase zu treffen, die wiederum mit der Größe der Blase aufgrund des Auftriebeffektes korreliert ist. Grundsätzlich gilt der allgemeine Zusammenhang, dass größere Blasen aufgrund ihres größeren Auftriebs im Vergleich zu kleineren Blasen eine höhere Aufstiegs-Geschwindigkeit besitzen. Näherungsweise, dies jedoch mit einer hinreichend guten Genauigkeit, ergibt sich ein Zusammenhang für den Blasendurchmesser und der Aufstiegsgeschwindigkeit aus dem Gleichgewicht zwischen Auftriebs- und der Reibungskraft, die jeder einzelnen, im wassrigen Feststoffgemisch aufsteigenden, Blase entgegenwirkt. Mit Hilfe dieses, aus dem Stoke'schen Gesetz abgeleiteten Zusammenhanges lässt sich eine hinreichend genaue Größenverteilung der Blasen innerhalb des von den Ultraschallwellen erfassten Flotationsvolumens anstellen.

Neben der Ableitung der Blasendurchmesser aus den auf dem Doppler-Prinzip beruhenden Frequenzänderungen bei zurückreflektierten Ultraschallsignalen ist es ebenso möglich, die Anzahl von Blasen pro Volumeneinheit aus dem Power- Spektrum des Dopplersignals abzuleiten, das proportional zur Anzahl der Blasen im erfassten Volumen ist. Das erfasste Volumen oder auch Probenvolumen genannt, bestimmt sich aus der sogenannten Gate-Länge sowie der damit verbundenen Dimension des Ultraschallstrahls bezogen auf einen Ultraschallkoppler. Unter dem Begriff "Gate-Länge" ist die tatsächliche größte Erstreckung der Ultraschallwellen abstrahlenden Kopplerfläche gemeint, aus der die Ultraschallwellen in das wässrige Feststoffgemisch abgestrahlt werden.

Neben der Blasengröße sowie der Konzentration von Blasen innerhalb eines Volumenanteils ist es überdies interessant, eine Aussage über die Homogenität der Blasenverteilung innerhalb des Tanks der Flotationsanlage zu erhalten. Hierzu sind wenigstens einzelne Ultraschallköpfe derart ausgelegt, dass die von den Ultraschallköpfen ausgesandten Ultraschallwellenfelder über das gesamte Tankvolumen verschwenkt werden können. Die schwenkförmige Ablenkung des Ultraschallwellenfeldes ist einem regelrechten Abscannen des gesamten Tankvolumens gleichzusetzen und kann mit mechanischen und/oder elektronischen Mitteln realisiert werden. Alternativ oder in Kombination mit der vorstehend genannten Schwenktechnik lässt sich überdies ein synthetisches Aperturverfahren auf die einzelnen Ultraschallköpfe anwenden, was einem volumenselektiven Abtasten durch eine Vielzahl getrennter Ultraschallköpfe entspricht, wodurch sich durch die Zusammenschau der Empfangsmesssignale von allen einzelnen Ultraschallköpfen ebenso ein Abbild des gesamten Tankvolumens ergibt. Die Wahl der Arbeitsfrequenz, mit der die einzelnen Ultraschallköpfe betrieben werden, ist in Bezug auf die Optimierung des Empfangssignals einerseits optimal auf die zu detektierende Blasengröße abzustimmen und andererseits auf eine möglichst minimierte Rückstreuung von Ultraschallwellen an festen Anteilen innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches vorzunehmen. Da eine Streuung an dem wassrigen Feststoffgemisch sowie an den in diesem Gemisch enthaltenen festen Teilchen unerwünscht ist, gilt es, die Streuverluste auf maximal 5% zu minimieren. Somit gilt es, die Arbeitsfrequenz der einzelnen Ultraschall köpfe sowie die Pulslänge der abgestrahlten Ultraschallwellen auf das Resonanzspektrum der Blasen gezielt abzustimmen. Bei geeigneter Wahl harmonischer Oberwellen in Bezug auf die Resonanzfrequenz ist es überdies möglich, den Einfluss der festen, Nicht-Blasen- Streuer innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches praktisch auf Null zu reduzieren.

Ebenso besitzt das wässrige Feststoffgemisch aufgrund der in diesem enthaltenen Blasen und Feststoffpartikel eine beachtliche Schalldämpfung, die entscheidenden Einfluss auf die Blasenkonzentrationsbestimmung mittels des Doppler-Power- Verfahrens hat. Jedoch lässt sich der Einfluss der Schalldämpfung schrittweise durch Analyse längs des Schwallweges, der sich ausbreitenden Ultraschallwelle, innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches bestimmen und entsprechend berücksichtigen. Hierzu dient, wie im weiteren noch beschrieben wird, eine entsprechende Auswerteelektronik, die über Filterbänke verfügt und den Beitrag der Dämpfung zu bestimmen und entsprechend zu beseitigen vermag.

Alternativ zur vorstehenden Technik zur Bestimmung des Blasendurchmessers beruhend auf dem Doppler-Prinzip ermöglicht das sogenannte Zwei-Frequenz- Insonifikationsverfahren eine direkte Ableitung des jeweiligen Blasendurchmessers. Bei diesem Verfahren wird die Nichtlinearität der Resonanzschwingung von Blasen und Flüssigkeiten ausgenutzt. Hierbei wird die Blase mit einer festen Frequenz in Resonanzschwingungen gebracht, die mit Hilfe von Frequenz-Wobbling unter Verwendung beispielsweise eines Breitband-Wandlers, angeregt werden. Für die sich innerhalb der Blase ausbildenden Resonanzschwingungen gilt die formelhafte Beziehung

f x r = 3,4

Die Variable f stellt in obiger Beziehung die Anregungsfrequenz in MHz dar und r den Blasenradius in μm. Wird eine resonierende Blase mit einer zweiten Frequenz beschallt, so werden beide Frequenzen innerhalb der Blase gemischt, d.h. es entsteht die Summe sowie die Differenz beider eingeschallten Frequenzen in Form sogenannter Seitenband-Modulationen. Durch obige Beziehung lässt sich der Durchmesser r der Blase eindeutig bestimmen. Die sich ausbildenden Seitenbänder weisen zudem Intensitäten auf, die proportional zur Anzahl der Blasen im Volumen sind, wodurch eine genaue Konzentrationsbestimmung der Blasen innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches möglich wird. Gleichsam dem vorstehend geschilderten Puls-Doppler-Verfahren sind jedoch auch beim Zwei-Frequenz- Insonifikationsverfahren die gemessenen Amplitudenwerte hinsichtlich der Dämpfung zu kompensieren.

Mit den vorstehend gewonnenen Informationen über Homogenität der Blasenverteilung, Blasenkonzentration in einem Messvolumen, aber insbesondere den Blasendurchmesser und damit die Blasengröße betreffend, wird für jede einzelne erfasste Blase ein Soll-Ist-Wert-Vergleich durchgeführt, der über eine bestimmt vorgegebene Anzahl erfasster Blasen gemittelt wird. Liegt der auf diese Weise gemittelte Wert innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches, bezogen auf einen als ideal vorgegebenen Blasendurchmesser, der sich zwischen 40 und 60 μm bewegt, so erfolgt keine die Blasenbildung beeinflussende Nachregelung des Blasengenerators. Treten jedoch aus dem vorgegebenen Toleranzbereich abweichende, mittlere Blasendurchmesser auf, so erfolgt mittels der Steuer- und Auswerteeinheit eine gezielte Nachregelung des Blasengenerators, die beispielsweise die Gaseinlass-Zeitdauer sowie den Gaseinlass-Druck betreffen. Daher sollte es sich bei dem Blasengenerator um regelbare Ventile handeln. Neben der vorstehend beschriebenen Ausbildung der Flotationsanlage, in der eine Vielzahl regelbarer Einlassdüsen in der Bodenplatte des Tanks integriert sind, zum gezielten Gaseinlass, können Bläschen auch auf einem anderen Wege innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches erzeugt werden. Wird der mit wässrigem Feststoffgemisch gefüllte Tank unter Druckbedingungen mit Gas oder Luft gefüllt, so stellt sich aufgrund der innerhalb des Tankes vorherrschenden Druckbedingungen ein Sättigungsniveau zwischen der eingebrachten Luft bzw. des eingebrachten Gases bei Druckbedingungen zwischen 4 und 6 bar sowie dem wassrigen Feststoffgemisches ein. Wird der tankinterne Druck dosiert reduziert, so bilden sich vergleichbar dem an sich bekannten Fall einer Mineralwasser-Flasche, in der Kohlensäure unter hohen Druckbedingungen beigesetzt ist, Gas- bzw. Luftbläschen aus. Auch in diesem Fall werden die Bläschen von den Ultraschalleinheiten in der vorstehend beschriebenen Weise detektiert und vermessen. Gleichsam dem vorstehend zitierten Regelmechanismus können auch in diesem Fall die aktuell ermittelten Daten über die Bläschenbildung der Steuer- und Auswerteeinheit zugeführt werden, die in geeigneter Weise bei entsprechendem vorhandenen Regelbedarf das Dosierventil, über das aufgrund der tankinternen Unterdruckverhältnisse Luft in das Tankinnere einströmt, ansteuert.

Nur aus Gründen der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die Messung des Blasendurchmessers sowie der Blasenverteilung innerhalb des Flotationstankes mit weiteren, verschiedenen Auswerteverfahren kombiniert werden kann. Insbesondere bieten sich hier das CW Doppler-Verfahren, bspw. mit gepulstem oder Color Flow Doppier, das Puls Echo Verfahren, das Contrast Harmonie Imaging, die Puls Inversionstechnik sowie die Zwei Frequenz Insonifikationsmethode an. Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung einer Ultraschallanordnung im

Flotationstank zur Bestimmung der Gasblasenverteilung; Fig. 2 Darstellung des Messprinzips; und

Fig. 3 Schema der Signalverarbeitungskette der Messung der

Gasblasenverteilung im Flotationstank.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist schematisiert der Tank 1 einer Flotationsanlage dargestellt, in dessen Bodenplatte 2 eine Vielzahl von Einlassventilen 3 vorgesehen ist, über die gezielt und dosiert Luft- bzw. Gas in das Innere des Tanks einbringbar ist. Im weiteren wird davon ausgegangen, dass durch die Einlassventile 3 Luft in das Innere des Tanks 1 der Flotationsanlage eingebracht wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist auf die zeichnerische Darstellung des wassrigen Feststoffgemisches verzichtet worden, doch es soll angenommen werden, dass der Tank 1 vollständig mit einem wassrigen Feststoffgemisch befüllt ist. Die über die Einlassventile 3 eingetragene Luft führt zur Bläschenbildung 4 innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches, die aufgrund ihres Eigenauftriebes entgegen der Schwerkraft innerhalb des Tanks 1 nach oben steigen. Auf dem Weg jeder der einzelnen Bläschen 4 an die Oberfläche des wassrigen Feststoffgemisches werden in Abhängigkeit der Größe und der damit verbundenen Aufstiegsgeschwindigkeit Feststoffteilchen bzw. -flocken aus dem wassrigen Feststoffgemisch aufgenommen und an die Oberfläche des Feststoffgemisches getragen. Durch diesen Transportmechanismus sammelt sich verstärkt an der Oberfläche des wassrigen Feststoffgemisches der Feststoffanteil an, der mit Hilfe eines am oberen Ende des Tanks angebrachten Abstreifers 5 in der in Fig. 1 angegebenen Bewegungsrichtung abgetragen werden kann.

Ferner befindet sich in der Bodenplatte 2 des Tanks 1 eine Vielzahl von Ultraschallköpfen 6, die Ultraschallwellen gezielt in Richtung der Aufstiegsrichtung der Bläschen 4 innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches aussenden, so dass die Ultraschallwellen jedes einzelnen Ultraschallkopfes 6 die Bläschen unter einem flachen Winkel α, vorzugsweise 0° < α < 35°, treffen. Somit wird ein Teil der von den Ultraschallköpfen 3 ausgesandten Ultraschallwellen an den einzelnen Bläschen 4 zurückreflektiert, die von den jeweiligen Ultraschallköpfen wieder empfangen werden.

Um eine zuverlässige Geschwindigkeitsbestimmung der einzelnen Bläschen auf der Grundlage des Doppler-Prinzips durchführen zu können, werden die Ultraschallwellen in gepulster Abfolge in das wässrige Feststoffgemisch ausgesendet und die durch Rückreflexion erhaltenen Empfangssignale pulsbezogen ausgewertet. Hierbei wird pulsbezogen die Frequenzänderung zwischen dem jeweils ausgesandten und dem diesbezüglich zurückreflektierten Ultraschallfeld ausgewertet. Mittels der eingangs beschriebenen Zusammenhänge ist es möglich, über die Erfassung der Frequenzänderung auf die Auftriebsgeschwindigkeit jeder einzelnen Blase sowie auf der Grundlage des Stoke'schen-Gesetzes letztlich auf den Durchmesser jeder einzelnen erfassten Blase 4 zu schließen.

Legt man die Erkenntnis zugrunde, dass Blasen mit einem Durchmesser zwischen 40 und 60 μm über eine ideale Aufstiegsgeschwindigkeit in dem wassrigen Feststoffgemisch verfügen und darüberhinaus günstige Eigenschaften zur Anlagerung von Feststoffanteilen bieten, so gilt es bevorzugt, eben derart dimensionierte Blasen innerhalb des Flotationstanks 1 zu generieren. Für die Erzeugung derartig dimensionierter Blasen bestimmende Regelparameter sind die Geschwindigkeit, mit der der Gaseinlass in den Gastank 1 durch die Einlass-Ventile 3 erfolgt sowie dessen Einströmdruck. Diese Parameter sind über eine Steuer- und Auswerteeinheit einstellbar, die im übrigen auch die Auswertung zur Bestimmung der Größe der einzelnen Bläschen 4 vornimmt. Die Steuer- und Auswerteeinheit sieht einen Soll-Ist-Wert-Vergleich vor, der die Größe der innerhalb des Tanks 1 ausgebildeten Bläschen erfasst, mit einem Soll-Wert-Bereich vergleicht und bei entsprechend auftretenden Unterschieden eine Nachregelung der regelbaren Einlass-Ventile vornimmt.

In Fig. 2 ist eine Prinzipdarstellung der sich innerhalb eines Teilvolumens 71 ausbreitenden Bläschen 4 dargestellt. In der Zeichnung sei angenommen, dass sich die Bläschen von links nach rechts bewegen. Das Schallfeld eines Ultraschallkopfes 1 weist typischerweise ein tailliertes Ultraschallfeld 7 auf, aus dem mit auswertbaren Rückreflexionen zu rechnen ist. Da das Schallfeld 7 pulsweise in das wässrige Feststoffgemisch ausgesandt wird, dies ist durch die Bereiche n -1 , n, n+1 angedeutet, können die Messsignale zeit- und damit abstandsaufgelöst in Bezug auf den Ultraschallkopf 1 ausgewertet werden. Somit lässt sich mittels eines einzigen Ultraschall köpf es 1 die Geschwindigkeitsverteilung der Bläschen innerhalb des jeweiligen Ultraschallfeldes in unterschiedlichen Abstandsbereichen zum Ultraschallkopf getrennt auswerten.

Fig. 3 zeigt schließlich eine schematisierte Schaltung zur Ansteuerung und Regelung der einzelnen Ultraschallköpfe 1. Der Ultraschallkopf 1 ist mit einer pulsbetriebenen Erregerschaltung 8 verbunden, über die das Zeit- und Frequenzverhalten des Ultraschallsenders 1 einstellbar ist. Zum Empfang und zur Auswertung der rückreflektierten Ultraschallsignale, die ebenso mit Hilfe des Ultraschallkopfes 1 empfangen werden, dient eine Schutzschaltung. Es wird eine Brücken- oder Diodenschutzschaltung eingesetzt, um auszuschließen, dass das stärkere Sendesignal den Empfangskanal nicht beeinflußt.

Eine Filterschaltung 10 sorgt für eine Frequenzbegrenzung auf einen festlegaren Frequenzbereich. Anschließend erfolgt eine getriggerte Auswertung sowie Verstärkung der empfangenen Messsignale, wobei der Frequenzvergleich zwischen ausgesandtem und empfangenem Ultraschallpuls durchgeführt wird. Mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers 12 kann das Messergebnis beispielsweise auf einem Display 13 dargestellt werden. Über eine Regelansteuerung ist es ferner möglich, die Größe der Bläschen 4 druckabhängig zu regeln. So bildet sich bei hohem Druck eine Vielzahl von kleinen Gasbläschen, während bei niedrigem Druck wenige große Gasblasen entstehen.

BEZUGSZEICHENLISTE

Tank

Bodenplatte

Einlass-Ventile

Bläschen

Abstreifer

Ultraschallkopf

Ultraschallfeld

Erregerschaltung

Schutzschaltung

Filtereinheit

Getriggerte Auswerteeinheit

AD-Wandler Display

Claims

Patentansprüche

1. Flotationsanlage zur Abwasserreinigung mit einem Tank, der mit einem wassrigen Feststoffgemisch befüllbar ist und einen Blasengenerator zur Bildung von Blasen innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ultraschalleinheit zum Aussenden von Ultraschallwellen in das wässrige Feststoffgemisch sowie zum Empfangen von

Ultraschallwellen aus dem wassrigen Feststoffgemisch vorgesehen ist, dass eine Steuer- und Auswerteeinheit mit der wenigstens einen Ultraschalleinheit verbunden ist, die die Ultraschalleinheit elektrisch ansteuert und von der

Ultraschalleinheit stammende Ultraschallsignale, die aus dem wassrigen

Feststoffgemisch zurückreflektierten Ultraschallwellen zuordenbar sind, auswertet, und dass die Steuer- und Auswerteeinheit unter Massgabe wenigstens eines

Entscheidungskriteriums mit Hilfe des Blasengenerators die Bildung von Blasen im

Tank regelt.

2. Flotationsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ultraschalleinheit derart im Tank vorgesehen ist, dass die von der Ultraschalleinheit ausgehenden Ultraschallwellen unter einem flachen Winkel α auf die Gasblasen auftreffen, wobei für α gilt:

0° < α ≤ 35°

3. Flotationsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank eine Bodenplatte aufweist, in der die wenigstens eine Ultraschalleinheit inetgriert ist.

4. Flotationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasengenerator wenigstens eine Gaseinlassöffnung mit einem regelbaren Ventil aufweist, durch das Gaseinlasszeitdauer sowie Gaseinlassdruck einstellbar sind.

5. Flotationsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl regelbarer Ventile vorgesehen ist, die in der Bodenplatte des Tanks integriert sind und durch die ein dosierter geregelter Gaseinlass in das wässrige Feststoffgemisch einbringbar ist.

6. Flotationsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinlassöffnung als Druckventil ausgeführt ist, durch das gezielt Luft in das Innere des Tanks einführbar ist.

7. Flotationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasen einen Bläschendurchmesser zwischen 40 und 60 μm betragen.

8. Flotationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ultraschalleinheit zwei Ultraschallfrequenzen zu erzeugen in der Lage ist.

9. Flotationsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Ultraschalleinheiten vorgesehen sind, wovon die eine eine Frequenz f-i und die andere eine Frequenz f₂ erzeugt, für die gilt: f-i ungleich f₂

10. Verfahren zum Betreiben einer Flotationsanlage zur Abwasserreinigung mit einem Tank, der mit einem wassrigen Feststoffgemisch befüllt ist, in das Luft oder Gas zur Bildung von Bläschen innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwellen als Ultraschallwellenfeld in das wässrige Feststoffgemisch derart eingestrahlt werden, dass wenigstens ein Teil der

Ultraschallwellen an den Bläschen reflektiert wird, dass die an den Bläschen reflektierten Ultraschallwellen detektiert und hinsichtlich die Bläschen quantitativ charakterisierenden Bewertungskriterien ausgewertet werden, und dass nach Massgabe der ermittelten Bewertungskriterien und unter Zugrundelegung wenigstens eines Entscheidungskriteriums der Gaseinlass in das wässrige

Feststoffgemisch geregelt wird

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen in das wässrige Feststoffgemisch derart eingestrahlt werden, dass die Ultraschallwellen die aufgrund ihres Auftriebs entgegen der Schwerkraft aufsteigenden Bläschen unter einem flachen Winkel treffen.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der detektierten Ultraschallwellen nach dem Puls-Doppler Verfahren durchgeführt wird, nach dem eine Geschwindigkeitsverteilung von wenigstens einem Teils der innerhalb des wassrigen Feststoffgemisches befindlichen Bläschen ermittelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage der Geschwindigkeitsverteilung unter Massgabe von Auftriebs- und Reibungskraft nach dem Stoke'schen Prinzip eine Verteilung der Gasbläschendurchmesser bestimmt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der innerhalb eines durch das Ultraschallwellenfeldes vorgegebenen Messvolumens befindlichen Bläschen aus dem Leistungsspektrum der detektierten Ultraschallwellen ermittelt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallwellenfeld geschwenkt und das wässrige Feststoffgemisch abgescannt wird, wobei eine räumliche Gasbläschenverteilung ermittelt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zweifrequenz Insonifikationsverfahren angewandt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass durch eine Vielzahl von regelbaren Ventilen erfolgt, durch die Gas mittels Überdruck in das Innere des Tanks eingespeist wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass von der Tankunterseite erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der mit wassrigen Feststoffgemisch gefüllte Tank unter Überdruckbedingungen mit Luft- oder Gas gefüllt wird, und dass der Gaseinlass durch dosiertes Öffnen des regelbaren Ventils zur Bildung von Bläschen durchgeführt wird.