DE4337091A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wasserbelüftungssystems sowie Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines Wasserbelüftungssystems sowie Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Vorrichtung betrifft eine Verfahren zum Betreiben eines Wasserbelüftungssystems sowie
Vorrichtungen, insbesondere Belüfter zur Durchführung eines Verfahrens.
Zur Wasser- und Abwasserbelüftung in großen und kleinen Einheiten sind mehrere
verschiedenartige Belüftungssysteme bekannt. Am weitesten verbreitet ist die
Druckbelüftung, deren Belüfter einschließlich der Luftzuführungsleitungen in das
Becken verlegt sind und deren Oberfläche porös ist. Das poröse Material kann
aus Keramik, porierten Tuchen, Gummi, Rohren mit Bohrungen oder Schlitzen usw.
bestehen. Die den Sauerstoff enthaltende Luft wird von einem Verdichter angesaugt,
durch die Luftzuführungsleitungen zu einer meist großen Zahl von Belüftern gefördert
und dort durch die Poren ins Wasser gedrückt. Es bilden sich viele kleine Luftblasen, die
durch die Wirkung der Auftriebskraft nach oben steigen und am Wasserspiegel
zerplatzen. Dabei schleppen sie das sie umgebende Wasser ebenfalls mit nach oben.
Sowohl während des Aufsteigens der Luftbläschen als auch bei ihrem Zerplatzen wird ein
Teil des Luftsauerstoffs gelöst, allerdings nur etwa 5% des in der Luft enthaltenen
Sauerstoffs. Der pro Kilo eingetragene Sauerstoffmassestrom, der Sauerstoffertrag
ist mit etwa 3 kg O₂/kWh relativ klein, weil der über den Belüftern liegende
Schweredruck der Flüssigkeit vom Verdichter überwunden werden muß. Durch die Wahl
der porösen Materialien, die Gestaltung der Belüfter und die Anordnung des Systems im
Becken wurde versucht, den Sauerstoffertrag zu verbessern. Dabei wird angestrebt,
durch feinblasige Belüfter die für den Sauerstoffübergang erforderliche Fläche zu
vergrößern. Diesem Anliegen ist jedoch eine natürliche Grenze dadurch gesetzt, daß die
von den Luftblasen angetriebene Umwälzströmung und Turbulenzen geringer werden und
sich der Schlamm absetzt. Die gleiche Tendenz ergibt sich infolge der
Wasserinhaltsstoffe, die die Oberflächenspannung vergrößern und damit die Blasengröße
vermindern.
Für die Belüftung kleiner Einheiten werden sogenannte Ejektorbelüfter eingesetzt. Eine
Pumpe fördert Wasser zum Belüfter, dessen Innenkontur eine starke
Querschnittsverengung aufweist, so daß über ein Rohrsystem Umgebungsluft zur
Querschnittsverengung angesaugt werden kann. Bekannt sind auch Ejektorbelüfter, bei
denen die Luft über einen Verdichter zugeführt wird. Bei zweckmäßiger Gestaltung des
Belüfters vermischt sich die Luft gut mit dem Wasser und bildet kleine Bläschen. Der
Sauerstoffertrag bei den Systemen mit Ejektorbelüftern ist etwa gleich groß, wie bei den
Systemen mit Druckbelüftern. Bei großen Anlagen werden Systeme mit Druckbelüftung
und bei kleinen Anlagen Systeme mit Ejektorbelüftung bevorzugt.
Zur Mischung und Belüftung von Abwässern werden weiterhin mechanische
Oberflächenbelüfter verwendet. Bei ihnen wird die Luft durch von Motoren angetriebene
Bürsten, Scheiben oder Rotoren (Kreiselbelüfter) eingetragen. Die auf dem Rotor
sitzenden Schaufeln oder Kanäle saugen das Abwasser an und stoßen es im Bereich der
Wasseroberfläche mit vergrößertem Impuls wieder auf. Dabei wird die Umgebungsluft
zugemischt, der Luftsauerstoff gelöst, eine Zirkulationsströmung in Gang gesetzt und der
Schlamm aufgewirbelt. Der Sauerstoffertrag ist bei diesem System deutlich schlechter als
bei den beiden anderen Systemen.
Bekannt sind weiterhin kombinierte Anlagen, bei denen Druckbelüfter mit mechanischen
Vorrichtungen (z. B. Paddeln, Rührern, Antriebspropellern, Fahrwerken, Räumerträgern
mit eingehängten Belüftungsgittern) zu einem System vereint sind, d. h. feinblasiger
Lufteintrag, mechanisch angetriebene Zirkulationsströmung und Schlammaufwirbelung
gesichert werden. Der Anwendungsbereich dieses Systems entspricht dem der reinen
feinblasigen Druckbelüftung, wobei höhere Baukosten zu erwarten sind. Der
Gesamtenergieaufwand setzt sich aus dem für den Antrieb des Gebläses und dem der
mechanischen Vorrichtungen zusammen.
Zu Wasser- bzw. Wasserbelüftungsanlagen gehört ein Verdichter, der Luft über eine in
einem Becken nahe dem Rohr verlegte Rohrleitung mit vielen Abzweigen und Belüftern
in das Abwasser bzw. Wasser drückt. Die Belüfter weisen viele Poren auf, durch die die
Luft in Form kleiner Bläschen auftritt. Die Bläschen bewegen sich aufgrund des
Auftriebs im Wasser nach oben und treiben so eine Zirkulationsströmung im Becken an.
Gelangen die Luftblasen an die Wasseroberfläche, zerplatzen sie. Kleine Bläschen, deren
Geschwindigkeit relativ zum Wasser klein ist, bleiben im Wasser. An der von Luft und
Wasser gebildeten Phasengrenze kommt es über den Mechanismus des konvektiven
Stofftransports zur Lösung des Luftsauerstoffs im Wasser, der nun für biologische oder
chemische Reaktionen Zehrung zur Verfügung steht. Diese Reaktionen werden ihrerseits
durch die Wasserbewegung intensiviert.
Der Sauerstoffmassestrom im Wasser ist umso größer, je größer die Kontaktfläche und
je größer die Verweilzeit im Wasser ist, d. h. je kleiner der mittlere Blasendurchmesser
ist. Dabei sind gleiche Ansaugluftverhältnisse, Wassertemperatur und
Sauerstoffkonzentration vorausgesetzt. Da die Verdichterleistung proportional zur
Wassertiefe ist, liegt die größte Reserve für die Erhöhung des Sauerstoffmassestromes in
der Erzeugung kleiner Luftbläschen am Belüfter. Kleine Luftblasen entstehen, wenn der
auf die Belüfteroberfläche bezogene Luftvolumenstrom nicht allzu groß und
gleichmäßig verteilt ist. Bewährt haben sich rotationssymmetrische Zylinder-, (Kerzen-),
Schlauch-, Pilz- und Plattenbelüfter mit einer gleichmäßigen Verteilung der Poren auf der
Belüfteraustrittsfläche.
Messungen an ausgeführten Belüftungsanlagen haben ergeben, daß hinsichtlich
Sauerstoffeintrag und des auf die Verdichterantriebsleistung bezogenen
Sauerstoffmassestromes Zylinder- und Schlauchbelüfter schlechter sind als Platten- und
Pilzbelüfter. Als Ursache wird die Wechselwirkung mnit der Wasserströmung angegeben.
Der Vorteil der Platten- und Pilzbelüfter wird zum Teil durch die wesentlich größeren
Investitionskosten kompensiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Belüftungsverfahren und ein Belüftungssystem bzw.
Belüfter für wäßrige Systeme, d. h. Wasser, Abwasser bzw. für die Wasserbelüftung
ganz allgemein beispielsweise eines Belebungsbeckens mit verbessertem Wirkungsgrad
und/oder vermindertem Energieaufwand bei der Einbringung von Sauerstoff bzw. Luft,
d. h. Erhöhung des pro kw eingebrachten Sauerstoff- bzw. Luftstroms oder von Gasen in
Flüssigkeiten generell zu schaffen, und zwar auf wirtschaftlich einfachste Weise, wobei
auch Verstopfungen und ein Absetzen von Schlamm ohne zusätzlichen Aufwand
vermindert werden.
Überraschenderweise wird dies bei zum Beispiel konischen oder zylindrischen
Belüfterelementen durch ein Verfahren erreicht, bei dem vorwiegend oder nur der obere
Teil der z. B. konischen oder zylindrischen Belüfterelemente zur Einbringung von Luft-
oder Sauerstoffbläschen, d. h. Gasbläschen verwendet werden.
Die grundlegende Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens besteht darin, daß zylindrische oder konische bzw. ähnlich
langgestreckt ausgebildete und liegend bzw. horizontal angeordnete Belüfterelemente
derart ausgebildet sind, daß insbesondere an der Oberseite der Belüfter ein viel
größerer Gas-Volumenstrom austritt als auf deren Unterseite.
Die Erfindung ist nachstehend in mehreren Ausführungsvarianten beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße Wasserbelüftungseinrichtung, und zwar Fig. 2 im
Längsschnitt mit einem in Fig. 2 vergrößert und perspektivisch dargestellten
Teilelement davon mit vergrößerten, teilweise weggeschnittenen
Befestigungsbereichen A und B;
Fig. 3 und 4 einen erfindungsgemäß ausgebildeten Belüfter sowie
Fig. 5 bis 9 verschiedenartig ausgebildete andere Belüfter.
Ein vom Verdichter zugeführter Gasvolumenstrom 3 gelangt unterhalb eines
Wasserspiegels 9 über ein Luftzuführungsrohr 2 zu einem Druckbelüfter 1.
Zusätzlich ist ein Ejektorbelüfter 4 an einem Wasserrohr 5 dargestellt, der über eine
Wasserströmung 6 in einer Wasserpumpe gespeist wird und Luft durch ein Luftrohr 7 in
das Becken 8 einbringt.
Vom Luftzuführungsrohr 2 (Fig. 1), welches bevorzugt etwas schräg nach aufwärts
verlaufend angeordnet ist, stehen beidseitig mit Poren 14 versehene Belüfterelemente 10
aus Keramik ab, die zum Beispiel je über einer Spannstange 11 und Schrauben 12 an das
Luftzuführungsrohr 2 angeklemmt sind.
Der nicht dargestellte Verdichter fördert die Luft 3 durch das Luftzuführungsrohr 2 zu
den Belüftern 1, wo sie in Form kleiner Blasen austritt. Die Wasserströmung 6 fließt von
der nicht dargestellten Pumpe über das Wasserrohr 5 zum Ejektorbelüfter 4 und von da
etwa horizontal und quer zur Längsachse auf die Druckbelüfter. Der engste Querschnitt
der Düse des Ejektorbelüfters ist so bemessen, daß über das Luftrohr Umgebungsluft
angesaugt wird und sich intensiv mit dem Wasserstrom mischt. Der Achsabstand
zwischen dem Boden des Beckens 8 und den Keramikbelüftern nimmt mit dem Abstand
des Belüfters vom Austrittsquerschnitt des Ejektorbelüfters ab, so daß die am gesamten
Umfang des Keramikbelüfters entstehenden Luftblasen, ehe sie ihre volle Größe erreicht
haben, abgerissen werden und über die gesamte Beckengrundfläche verteilt aufsteigen.
Damit werden die mittlere Verweilzeit der Luftblasen und die Blasenoberfläche
wesentlich vergrößert, was zu einer wesentlichen Erhöhung des Sauerstoffertrages führt.
Der aus dem Ejektorbelüfter austretende Wasser/Luftstrahl wirbelt den Schlamm auf und
intensiviert den Sauerstofftransport. In der Regel werden die dargestellten Systeme
mehrmals parallelgeschaltet und über Verteilungsleitungen miteinander verbunden. Die
einzelnen parallelgeschalteten Systeme liegen in Fig. 2 hintereinander. Dadurch, daß
sich der auf der Unterseite der konischen oder zylindrischen Belüfter anstehende
Volumenstrom erfindungsgemäß stark vermindert, wird der Sauerstoffertrag pro kWh
Verdichterantriebsleistung beträchtlich steigen. Das läßt sich zu einer starken Senkung
der Energiekosten nutzen und ist darauf zurückzuführen, daß im Mittel wesentlich
kleinere Bläschen gebildet werden. Im einzelnen ist das so zu begründen:
Auf der Belüfteroberseite wirken an den Bläschen, solange sie am Behälter haften,
Auftriebskraft und Oberflächenspannung gegeneinander. Die Blasen lösen sich bereits bei
kleinem Durchmesser ab. Auf der Unterseite wirken Auftriebskraft und
Oberflächenspannungen in einer Richtung, es treten ein Stau und eine Verunreinigung von
Blasen auf, bis die Luftbläschen nach der Seite ausweichen. Dadurch sind
Blasendurchmesser und Blasendichte senkrecht über den achsparallelen
Außenbegrenzungen der Belüfter größer als unmittelbar über diesem. Berühren sich zwei
Bläschen, so vereinigen sie sich, was insgesamt zu einer Verringerung des
Sauerstoffübergangs führt. Wird also die Unterseite der Belüfter ganz oder teilweise
verschlossen, verringert sich der negative Einfluß dieser Effekte, die Ausblasluft strömt
vorzugsweise oder gleichmäßig auf der Oberseite aus.
Eine andere Ausführung von Belüfterelementen 10 ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt,
bei denen ein poröser Keramikkörper 15 zwischen Dichtplatten 13 eingespannt ist in
Verbindung mit einer Luftzuführung 16. Mit dazwischengeklemmten Folien 17 können
wahlweise die porösen Flächen gezielt abgedeckt sein.
Bei den Belüfterelementen 10 der Fig. 5 bis 9 sind deren porenfreie Oberseiten 21
und die Porendichte, bzw. getauchte, d. h. porenverminderte oder mit einer Abdichtung
belegte bzw. beschichtete Unterseite 22 dargestellt. Dabei können (Fig. 6) sowohl die
Innenseite, d. h. die Bohrung 25 zur Luftzufuhr, als auch die Außenseite 22 abgedeckt
sein.
Gemäß Fig. 7 kann der an der Oberseite 21 von der Unterseite 22 unterschiedlich
gestaltete Luft-Durchschnittswiderstand auch durch eine exzentrische Anordnung der
Bohrung 23 bewirkt werden.
Die Belüfterelemente können nach Fig. 8 auch konisch mit konischer Bohrung 24 oder
(Fig. 8) mit teilweise freigehaltener Oberfläche 21 ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Behandlung durch Tränken, Auftragen, Aufspritzen usw. kann
gleichzeitig zur Erhöhung der Festigkeit der Keramikbelüfter benutzt werden, was bei
der relativ kleinen Festigkeit von Keramik von besonderer Bedeutung ist.
Die nichtlineare Abhängigkeit des Druckverlustes poröser und mit Wasser benetzter
Keramikstrukturen führt bei exzentrischer Bohrung dazu, daß die Luft bevorzugt dort
austritt, wo die Wanddicke klein ist, d. h. auf der Oberseite. Bei der Montage solcher
Belüfter entstehen keine Schwierigkeiten mit der Justierung, weil die Masseverteilung
zur gewünschten Orientierung (dünne Wand oben, dicke Wand unten) führt.
Bei Tuchbelüftern (Schlauchbelüftern) können durch das Verkleben, Schweißen,
Vulkanisieren usw. der Bahnen die Forderungen nach einer ausreichenden Breite der
Stoßfläche und dem Fortfall eines Teils der Porierung am Rande der Bahnen erfüllt
werden.
Eine weitere Verbesserung des Sauerstoffertrages ergibt sich, wenn der auf die
Belüfteraustrittsfläche bezogene Volumenstrom gesenkt wird. Das kann bei
vorgegebenem Sauerstoffmassestrom dazu führen, daß eine größere Anzahl von Belüftern
und damit steigende Investitionskosten in Kauf genommen werden müssen.
Bezugszeichenliste
1 Druckbelüfter
2 Luftzuführungsrohr
3 Gas-Volumenstrom
4 Ejektorbelüfter
5 Wasserrohr
6 Wasserströmung
7 Luftrohr
8 Becken
9 Wasser(Flüssigkeits-)Spiegel
10 Belüfter bzw. Belüfterelemente
11 Spannstange
12 Schranken
13 Dichtplatten
14 Poren
15 Keramikkörper
16 Luftzuführung
17 Folien
18
19
20
21 Oberseite
22 Unterseite
23 achsversetzte Bohrung
24 konische Bohrung
25 Bohrung
26 Längsachse
27 Stirnflächenbereich
28 Abdeckung
2 Luftzuführungsrohr
3 Gas-Volumenstrom
4 Ejektorbelüfter
5 Wasserrohr
6 Wasserströmung
7 Luftrohr
8 Becken
9 Wasser(Flüssigkeits-)Spiegel
10 Belüfter bzw. Belüfterelemente
11 Spannstange
12 Schranken
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15 Keramikkörper
16 Luftzuführung
17 Folien
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19
20
21 Oberseite
22 Unterseite
23 achsversetzte Bohrung
24 konische Bohrung
25 Bohrung
26 Längsachse
27 Stirnflächenbereich
28 Abdeckung
Claims (12)
1. Verfahren zum Belüften bzw. Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere
Wasser, Abwasser sowie Belebungswasser und dgl. durch konische
oder zylindrische Belüftungselemente,
dadurch gekennzeichnet, daß vorwiegend oder nur der obere
Teil der zum Beispiel konischen oder zylindrischen Belüfterelemente
zur Einbringung von Luft- oder Sauerstoffbläschen, d. h.Gasbläschen
verwendet wird.
2. Zylindrische oder konische Belüfterelemente zur Durchführung des
Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zylindrische oder konische bzw.
ähnlich langgestreckt ausgebildete und liegend bzw. horizontal
angeordnete Belüfterelemente (10) derart ausgebildet sind, daß
insbesondere an der Oberseite (21) der Belüfter (10) ein viel
größerer Gas-Volumenstrom austritt als auf der Unterseite (22).
3. Belüfterelement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Poren (14) der Innen- und/oder
Außenoberfläche von keramischen Belüfterelementen (10) durch Tränken,
Auftragen, Aufspritzen oder ähnliche Verfahren jeweils auf der Unter
seite (. . .) ganz oder teilweise verschlossen werden.
4. Belüfterelement nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stirnflächenbereich (27) der
keramischen Belüfterelemente (10) durch Tränken, Auftragen, Aufspritzen oder
ähnliche Verfahren behandelt ist, auch um die mechanische Fähigkeit zu erhöhen.
5. Belüfterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (25) des keramischen
Belüfterelements exzentrisch nach oben versetzt angeordnet ist.
6. Belüfterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß aus organischem Material hergestellte
zylindrische oder keramische Belüfterelemente (10) nur auf
der Oberseite (21) mit Poren (14) versehen sind und der mit Poren (14)
versehene Bereich der Oberfläche (21) geeignet gekennzeichnet ist.
7. Belüfterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Schlauchbelüfter aus
einer Bahn poriertem Material so zusammengeklebt ist, daß sich die
beiden Seiten auf der Unterseite über einen beträchtlichen
Teil des Umfangs überlappen; sowie Oberseite (21) und Unterseite (22)
sind für eine Montage gut unterscheidbar ausgeführt.
8. Wasserbelüftungssystem insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere mit verdichteter
Luft beaufschlagte Druckbelüfter (1) aus porösem Material und ein oder
mehrere von ein oder mehreren Pumpen beaufschlagte Ejektorbelüfter
(4) kombiniert werden, so daß die am Strahlbelüfter austretende
Wasser-Luftströmung etwa horizontal und quer zur Längsachse auf
die Druckbelüfter trifft.
9. Wasserbelüftungssystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Achsabstand zwischen
Beckenboden (8) und dem Druckbelüfter (1) mit dem Abstand
vom Austrittsquerschnitt des Ejektorbelüfters abnimmt.
10. Wasserbelüftungssystem nach einem der Ansprüche 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die zur Förderung des
Abwassers ohnehin notwendigen Wasserpumpen dazu
genutzt werden, das Abwasser oder Wasser über eine
Verteilungsleitung zu den Ejektorbelüftern (4) zu
fördern und auf die Belüfter (10) aus porösem Material zu leiten.
11. Wasserbelüftungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke des
Erreichens optimaler Austrittsgeschwindigkeit der Ejektor
belüfter (4) mit verstellbarem engstem Querschnitt ausgeführt ist.
12. Wasserbelüftungssystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Druck- und/oder
Ejektorbelüfter (4) von mit Sauerstoff angereicherter Luft
beaufschlagt werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934337091 DE4337091A1 (de) | 1993-10-29 | 1993-10-29 | Verfahren zum Betreiben eines Wasserbelüftungssystems sowie Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934337091 DE4337091A1 (de) | 1993-10-29 | 1993-10-29 | Verfahren zum Betreiben eines Wasserbelüftungssystems sowie Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens |
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