DE4312971A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Belüftung von Gewässern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Belüftung von Gewässern.

Belüfter, insbesondere für Kläranlagen, sind in zahlreichen Bauformen bekannt. So wird zum Beispiel in der EP 0 229 386 A1 ein tellerartiger Wasserbelüfter beschrieben. In der DE 87 14 502 U1 werden Teller- und sogenannte Schlauchbelüfter dargestellt.

In beiden Fällen handelt es sich um diskrete Belüftungs­ elemente, die einzeln oder in Gruppen konfektioniert von einer externen Energiequelle (Luftpumpe) mit Luft beauf­ schlagt werden und diese Luft dann - meist in feinverteilter Form - in das aufzubereitende Abwasser einblasen.

In der EP 0 363 865 B1 werden Belüftungselemente beschrie­ ben, die unter anderem zur Frischhaltebelüftung von Abwäs­ sern, zum Luft-/Sauerstoffeintrag in Belebungsbecken oder zur Schlammstabilisation, zur Belüftung von Flüssen, Seen und Fischteichen, aber auch zum Beispiel zur Neutralisation von Flüssigkeiten durch eine Begasung mit Kohlendioxid die­ nen.

Konkret stellt die genannte Patentschrift wiederum einen Scheibenbelüfter vor, dessen Belüftungsintensität dadurch erhöht wird, daß sich die Membran, durch die das Gas geführt wird, beim Belüftungsvorgang druckabhängig aufwölbt.

Eine ähnliche Belüftungseinrichtung beschreibt auch die US 4,029,581, wobei die kissenartigen Belüfter am Boden einer mit einem Abwasser gefüllten Aufbereitungsanlage angeordnet werden sollen.

Durch die verformbaren Belüfter wird zwar die Begasungs­ intensität erhöht; in jedem Fall ist jedoch wieder eine externe Energiequelle für die Luftzufuhr notwendig.

Bei fließenden Gewässern, insbesondere Bächen, Flüssen und Kanälen, aber auch bei Seen, die eine eigene Strömung auf­ weisen, lassen sich derartige Belüftungseinrichtungen kaum einsetzen. Dies liegt unter anderem daran, daß Flüsse wie der Rhein extrem große Wassermassen transportieren und der Installationsaufwand, insbesondere für die elektrischen Anschlüsse der Belüftung, extrem hoch wäre.

Vor allem Flüsse sind es aber, die an einem erheblichen Sauer­ stoffmangel leiden. Ursache hierfür sind die Einleitung von Schadstoffen aller Art, insbesondere die Einleitung von Stickstoff und Stickstoffverbindungen sowie von oxidierbaren Substanzen, die den noch vorhandenen Sauerstoff binden, so daß die Flüsse zum Teil einen erheblichen Mangel an gelöstem Sauerstoff aufweisen.

Als weiteres Problem kommt hinzu, daß Bachläufe und Flüsse in der Vergangenheit zunehmend begradigt wurden, so daß auch kleinere Staustufen, Turbulenzzonen etc., die in der Ver­ gangenheit für einen Sauerstoffeintrag in das Wasser ver­ antwortlich waren, entfallen.

Da die Sauerstoffzufuhr über Belüfter, die von einer exter­ nen Energiequelle gespeist werden, aus den vorgenannten Gründen nicht in Frage kommt, liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, eine alternative Möglichkeit der Luft-/Sauer­ stoff-Zufuhr in strömende Gewässer aufzuzeigen.

Erreicht wird dies auf denkbar einfache Art und Weise, näm­ lich durch die Verwendung einer Strahlpumpe. Strahlpumpen sind Geräte zum Fördern oder Verdichten von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder Feststoffen durch Übertragung von Bewegungsenergie eines gasförmigen oder flüssigen Treib­ mediums, das durch Entspannung auf hohe Geschwindigkeit gebracht und dem zu fördernden oder zu verdichtenden Medium beigemischt wird.

Derartige Strahlpumpen, beispielsweise Wasserstrahlpumpen, sind seit Jahrzehnten Stand der Technik. Die Strahlpumpen dienten bisher jedoch der Förderung der Medien. Erfindungs­ gemäß wird die Strahlpumpe nun zur in-situ-Belüftung eines strömenden Gewässers eingesetzt.

Demzufolge betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform die Verwendung einer Strahlpumpe mit einer von Wasser durchströmbaren Treibdüse, einem Saugstutzen zur Luftansaugung sowie einem in Strömungsrichtung des Wassers anschließenden Mischrohr zur in-situ-Belüftung von strömen­ den Gewässern.

In der bei liegenden Fig. 1 ist eine bekannte Flüssigkeits- Strahlpumpe dargestellt. Zu erkennen ist eine Treibdüse 10, deren Querschnitt sich von links nach rechts (in Strömungs­ richtung des Treibmittels) verengt.

Beabstandet zur Ausströmöffnung 10a der Treibdüse 10 ist eine Mischdüse 12 angeordnet, die einen trichterförmig sich verjüngenden Eingangsbereich 12a und einen diffusorartigen Endbereich 12b aufweist.

Der Bereich zwischen der Treibdüse 10 und der Mischdüse 12 wird von einem Saugraum 14 eingefaßt, der einen Saugstutzen 14s aufweist.

In der Treibdüse 10 wird durch Verengen des Strömungsquer­ schnittes das unter Druck zugeführte Treibmittel auf hohe Geschwindigkeit gebracht, wobei der Druck in dem Treibstrahl infolge der Umsetzung von potentieller Energie in kinetische Energie kleiner wird als der Druck des abzupumpenden Gases in der Apparatur. Infolge dieses Druckunterschiedes strömt das Gas in den Treibstrahl, der in der Mischdüse 12 einen Teil seiner Geschwindigkeitsenergie an das Gas abgibt und es beschleunigt. Im anschließenden Diffusorbereich 12b wird die Geschwindigkeitsenergie des Gas/Treibmittel-Gemisches in Druck umgesetzt und das Gas beispielsweise auf Atmosphären­ druck verdichtet.

Maßgebend für die Leistung einer Strahlpumpe sind die durch­ strömenden Mengen und die an den Anschlüssen herrschenden Drücke. Im Interesse einer großen Saugleistung wird ein mög­ lichst niedriger Druck in der Treibdüsenmündung angestrebt. Er wird um so kleiner, je größer das Produkt aus Strahlge­ schwindigkeit und Treibmitteldichte ist.

Bei einem Flüssigkeitsstrahl ist die Treibmitteldichte so groß, daß man sich auf eine verhältnismäßig kleine Mündungs­ geschwindigkeitsbeschränken kann. Wegen der großen Dichte­ unterschiede zwischen Treibstrahl und Gas muß der Treib­ strahl aufgerissen werden, damit überhaupt eine Förderung zustandekommt. Dies kann zum Beispiel durch einen in der Düse eingebauten Drallkörper erfolgen.

Die erfindungsgemäße Verwendung basiert darauf, daß die Strahlpumpe stationär in einem Fluß eingebaut wird, wobei der Wasserdruck (aufgrund der Strömung) an der Treibdüse ansteht. Die Strömungsgeschwindigkeit wird aufgrund der Konizität der Treibdüse 10 dann erhöht und über den über die Wasseroberfläche vorstehenden Saugstutzen wird Umgebungsluft angesaugt, wobei es zu einer besonders intensiven Ver­ mischung zwischen der Umgebungsluft und dem Wasser im Ein­ trittbereich der Mischdüse kommt. Gerade diese intensive Vermischung ist für die Verwendung der Strahlpumpe zur Wasserbelüftung von wesentlicher Bedeutung.

Aus Vorstehendem folgt bereits, daß sich das erfindungs­ gemäße Verfahren zur in-situ-Belüftung von strömenden Gewässern dadurch auszeichnet, daß eine Strahlpumpe mit einer in Strömungsrichtung des Gewässers sich verjüngenden Treibdüse, einem um die Ausströmöffnung der Treibdüse ange­ ordneten Saugraum mit Saugstutzen und einer sich in Strö­ mungsrichtung des Gewässers daran anschließenden Mischdüse verwendet und diese Strahlpumpe so im Wasser angeordnet wird, daß die Treib- und Mischdüse vollständig von Wasser umspült werden und die Luft über den über die Gewässerober­ fläche vorstehenden Saugstutzen zugeführt wird.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß die Belüftungs­ einrichtung autark arbeitet. Die Luft wird über den im Saug­ raum eingestellten Unterdruck angesaugt. Externe Energie­ quellen, also eine Stromzuführung für eine Luftpumpe, können vollständig entfallen.

Mit anderen Worten: die Strahlpumpe und das Belüftungsver­ fahren lassen sich an jeder beliebigen Stelle in einem strömenden Medium installieren beziehungsweise ausführen.

Der Aufbau einer Strahlpumpe ist denkbar einfach. Die konstruktive Gestaltung ist unkomplizierter als bei den eingangs genannten Belüftungseinrichtungen. Gerade die einfache und preiswerte Herstellung der erfindungsge­ mäßen Belüfter ermöglicht es, sie in großen Stückzahlen in Flüssen, Bächen, Seen oder dergleichen einzusetzen.

Die Erfindung ermöglicht darüber hinaus eine weitergehende Verbesserung der Wasserqualität. So wird nach einer Aus­ führungsform vorgeschlagen, das aus der Mischdüse austre­ tende Wasser-/Luft-Gemisch anschließend durch ein Festbett zu führen.

Auch ein solches Festbett arbeitet ohne jede externe Energie­ quelle und besteht zum Beispiel aus netzartigen Rohren, die zu größeren Baueinheiten konfektioniert werden. Als Fest­ betten können aber auch Kunststoff- oder mineralische Träger­ platten verwendet werden. Durch sogenannte sessile Mikro­ organismen wird auf der Oberfläche der Festbetten ein so­ genannter biologischer Rasen gebildet. Einzelheiten der Festbett-Biologie sind dem Fachmann bekannt und brauchen hier deshalb nicht näher dargestellt zu werden.

Eine zugehörige Vorrichtung besteht dann aus einer Strahl­ pumpe der vorgenannten Art sowie mindestens einem, hinter der Ausströmöffnung der Mischdüse angeordneten Festbett. Dabei kann das Festbett auf einer flüssigkeits- und luft­ durchlässigen Stellfläche eines Traggerüstes angeordnet werden. Dies ermöglicht es, das Festbett zu beliebigen Zei­ ten auszutauschen, beispielsweise mit einem Kran.

Gleichzeitig dient das Traggerüst zur Positionierung der Strahlpumpe und zur Verankerung der gesamten Baueinheit zum Beispiel auf dem Boden des Flußbetts.

Das Festbett kann dabei entweder unmittelbar hinter der Strahlpumpe (also quasi in dessen axialer Verlängerung), aber auch mit Abstand dahinter und oberhalb der Strahlpumpe angeordnet werden. Dabei sorgt der zuvor eingebrachte Sauer­ stoff dafür, daß die Sauerstoffblasen, die nach oben stei­ gen, dem Wasser eine entsprechende Strömungsrichtung ver­ leihen, so daß die Strömung direkt durch das Festbett ge­ führt werden kann.

Je nach Anwendungsbereich können mehrere der vorgenannten Vorrichtungen parallel oder hintereinander angeordnet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 2 - in stark schematisierter Darstellung - den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Flußbett zur Illustrierung des damit ausgeübten Belüftungsverfahrens.

Das Bezugszeichen 20 symbolisiert den Boden eines Fluß­ bettes. Entsprechend symbolisiert das Bezugszeichen 22 das Flußwasser und die Pfeile S dessen Strömungsrichtung. 24 charakterisiert die Wasseroberfläche.

Mitten im Fluß ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung ange­ ordnet, die aus einer Strahlpumpe 26 besteht, deren Aufbau im wesentlichen dem Aufbau der Strahlpumpe nach Fig. 1 entspricht. Zu erkennen ist wiederum eine Treibdüse 10, die sich in Strömungsrichtung S verjüngt. Zu erkennen ist ferner eine dahinter - in Strömungsrichtung - angeordnete Mischdüse 12 sowie ein Saugraum 14, von dem ein Ansaugstutzen 14s nach oben verläuft und über die Wasseroberfläche 24 vorsteht.

Vom Saugraum 14 verläuft eine gitterartige Platte 28, auf der mehrere Festbetten 30 angeordnet sind. Die Platte 28 verläuft dabei vom Saugraum 14 in Strömungsrichtung, so daß die Festbetten 30 deutlich hinter der Ausströmöffnung 12c der Mischdüse 12 angeordnet sind.

Die gesamte Vorrichtung ist auf einem Traggerüst 32 be­ festigt, welches auf dem Boden 20 aufsteht.

Das der Treibdüse 10 zugeführte Wasser wird dort verdichtet und die Strömungsgeschwindigkeit wird aufgrund der Konizität der Treibdüse 10 erhöht. Im Bereich der Ausströmöffnung 10c herrscht innerhalb des Saugraums 14 entsprechend ein Unter­ druck, der dafür sorgt, Luft über den Saugstutzen 14c anzu­ saugen und im Bereich der Mischdüse 12 mit dem Wasserstrahl zu vermischen, so daß über die Ausströmöffnung 12c ein Luft-/ Wasser-Gemisch austritt, welches alsdann wieder in die normale Flußströmung zurückgegeben wird. Die Wasserqualität an dieser Stelle unterscheidet sich von der vor der Treib­ düse 10 aber entscheidend durch einen sehr viel höheren Ge­ halt an freiem Sauerstoff.

Bei weiterer Strömung wird das so mit Sauerstoff ange­ reicherte Flußwasser zumindest anteilig durch Festbetten 30 geführt, wobei an dieser Stelle quasi eine Klärstufe inte­ griert wird, wobei auf im Stand der Technik notwendige Be­ lüftungseinrichtungen verzichtet werden kann, nachdem das Wasser zuvor bereits mit Sauerstoff angereichert wurde.

Die gesamte Vorrichtung ist äußerst einfach aufgebaut, benötigt so gut wie keinen Wartungsaufwand und arbeitet ohne jede Stromversorgung.

Claims (8)

1. Verwendung einer Strahlpumpe (26) mit einer von Wasser durchströmbaren Treibdüse (10), einem Saugstutzen (14S) zur Luftansaugung sowie einem in Strömungsrichtung des Wassers anschließenden Mischrohr (12) zur in-situ-Belüftung von strömenden Gewässern.

2. Verfahren zur in-situ-Belüftung von strömenden Gewässern, bei dem eine Strahlpumpe mit einer in Strömungsrichtung des Gewässers sich verjüngenden Treibdüse, einem um die Ausströmöffnung der Treibdüse angeordneten Saugraum mit Saugstutzen und einer sich in Strömungsrichtung des Gewässers daran anschließenden Mischdüse so in Gewässer angeordnet wird, daß die Treib- und Mischdüse vollständig von Wasser umspült werden und die Luft über den über die Gewässeroberfläche vorstehenden Saugstutzen zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das aus der Mischdüse austretende Wasser-/Luft-Gemisch anschließend durch ein Festbett geführt wird.

4. Vorrichtung zur in-situ-Belüftung von strömenden Gewässern mit einer Strahlpumpe (26), die eine Treibdüse (10), einen um die Ausströmöffnung (10c) der Treibdüse (10) angeordneten Saugstutzen (14s) sowie eine sich daran in axialer Verlängerung der Treibdüse (10) anschließenden Mischdüse (12) aufweist sowie mindestens einem, hinter der Ausströmöffnung (12c) der Mischdüse (12) angeordneten Festbett (30).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der das Festbett (30) auf einer flüssigkeits- und luftdurchlässigen Stellfläche (28) eines Traggerüsts (32) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Festbett (30) unmittelbar hinter der Ausströmöffnung (12c) der Mischdüse (12) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der das Festbett (30) oberhalb der Strahlpumpe (26) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der mehrere der Baueinheiten aus Strahlpumpe (26) und Festbett (30) parallel oder hintereinandergeschaltet angeordnet sind.