DE19517444C1 - Vorrichtung für die Zufuhr von Sauerstoff in Abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Zufuhr von Sauerstoff in Abwasser.

Die Zufuhr von Sauerstoff oder allgemein die Luftzufüh­ rung spielt in der Abwassertechnik bei Kläranlagen eine wichtige Rolle. Bekanntlich arbeiten Kläranlagen mit meh­ reren in Reihe angeordneten Belebungsbecken, wobei es für die Reinigung wichtig ist, dem Wasser in den Belebungs­ becken Luft oder Sauerstoff zuzuführen, der von den Bak­ terien für die Reinigung des Abwassers benötigt wird.

Zu diesem Zweck werden schon auf dem Boden des Belebungs­ beckens Tellerbelüfter oder Schlauchbelüfter angeordnet, die eine Vielzahl von kleinen Öffnungen aufweisen, durch welche eine gesondert erzeugte Druckluft austritt. Dabei bilden sich Luftblasen, die nach oben zur Oberfläche des Wassers in dem Belebungsbecken aufsteigen.

Der auf diese Weise angestrebte Sauerstoffeintrag in das Wasser erfolgt dadurch, daß reiner Sauerstoff durch die als Membran aufzufassende Blasenwand der einzelnen Luft­ blasen in das Wasser diffundiert, während sich die Luft­ blasen nach oben zur Wasseroberfläche bewegen.

Die Öffnungen der auf dem Boden des Belebungsbeckens be­ findlichen Tellerbelüfter oder Schlauchbelüfter sind sehr klein gewählt, um kleine Luftblasen zu erzeugen. Je kleiner und feinblasiger nämlich die Luftblasen sind, um so effektiver ist der Sauerstoffeintrag in das Wasser. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich bei sehr vielen kleinen Blasen insgesamt eine größere Oberfläche aller Blasenwände bzw. eine größere Membranfläche ergibt, so daß entsprechend mehr reiner Sauerstoff in das Wasser diffundieren kann.

In der Praxis hat sich gleichwohl gezeigt, daß der Wir­ kungsgrad des Sauerstoffeintrages in das Wasser in vielen Fällen nicht ausreichend ist. Die Luftblasen bewegen sich relativ schnell nach oben zur Wasseroberfläche, so daß eine vergleichsweise geringe Kontaktzeit und Verweilzeit innerhalb des Wassers besteht. Die Folge davon ist ein relativ geringer Sauerstoffeintrag in das Wasser selbst, weil dieser Sauerstoffeintrag nur solange erfolgen kann, wie sich die Luftblasen vom Boden des Belebungsbeckens zur Wasseroberfläche bewegen.

Beim Betrieb von Kläranlagen ist es deshalb erforderlich, die extern erzeugte Druckluft über einen längeren Zeit­ raum den Teller- oder Schlauchbelüftern zuzuführen. Je nach den gewünschten Anforderungen an die Wasserqualität des gereinigten Wassers bzw. an den Grad der damit zusam­ menhängenden Sauerstoffzufuhr kann es dabei sogar erfor­ derlich sein, den Kompressor für die Erzeugung der Druck­ luft ohne Unterbrechung in Dauerbetrieb zu halten, so daß ein zeitweiliges Abschalten des Kompressors nicht möglich ist.

In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, daß der Betrieb von Kompressoren einen großen Kostenfaktor dar­ stellt. Um die erforderliche Druckluft mit den Kompresso­ ren zu erzeugen, wird elektrische Energie benötigt, und je länger die Kompressoren in Betrieb sind, um so größer werden die entsprechenden Energiekosten für den gewünsch­ ten hohen Grad einer Sauerstoffzufuhr.

Um die zugeführte Luft besser auszunutzen wurde gemäß DE 38 41 618 A1 vorgeschlagen, neben den Bodenbelüftern weitere Belüfter anzubringen, die eine Rotation der Flüs­ sigkeit bewirken. Auch durch diese Maßnahme kann aber nicht verhindert werden, daß die Luftblasen allzu schnell die Wasseroberfläche erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung für die Zufuhr von Sauerstoff in Abwasser zu schaf­ fen, mit welcher sich der Sauerstoffeintrag deutlich ver­ bessern läßt, bei welcher aber gleichzeitig die Energie­ kosten gesenkt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, die Vorrichtung für die Zufuhr von Sauerstoff als Zwei­ stoffdüse auszubilden, die in das Belebungsbecken bzw. in das darin befindliche Wasser eingetaucht ist. Die Zwei­ stoffdüse umfaßt einen vorzugsweise runden Kontaktraum, an welchen sich unten ein sich kegelförmig verjüngender Austrittsraum mit einer Düsenöffnung anschließt, wobei sich die Düsenöffnung in geringem Abstand oberhalb des Bodens des Belebungsbeckens befindet.

Nach oben hin ist der Kontaktraum durch einen Deckel luftdicht und wasserdicht abgeschlossen. In den Kontakt­ raum mündet tangential und etwa waagerecht an der Wandung des Kontaktraumes ein Wasserrohr ein, um Wasser aus dem Belebungsbecken selbst in den Kontaktraum zu führen. Durch den Deckel der Zweistoffdüse ist ein Belüftungsrohr geführt, welches sich vorzugsweise zentrisch innerhalb des Kontaktraumes erstreckt und an seinem unteren Ende abgeschlossen ist. Auf den Umfang des Belüftungsrohres verteilt befinden sich eine Vielzahl kleiner Öffnungen, durch die Luft austreten kann, welche außerhalb des Deckels in das Belüftungsrohr geführt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird als Zweistoffdüse bezeichnet, weil aus der unteren Düsenöffnung am Ende des sich kegelförmig verjüngenden Austrittsraumes zwei Stoffe austreten, nämlich Luft bzw. Sauerstoff mit Wasser (demgegenüber sind die eingangs erwähnten Tellerbelüfter als Einstoffdüsen zu bezeichnen, weil aus den Öffnungen lediglich Luft austritt).

Über das Wasserrohr gelangt tangential Wasser aus dem Be­ lebungsbecken in den Kontaktraum, wobei sich eine kreis­ förmige bzw. nach unten gerichtete wendelförmige Strömung innerhalb des Kontaktraumes ausbildet, da der Kontaktraum nach oben hin durch den Deckel abgeschlossen ist und das Wasser zwangsläufig nach unten durch die Düsenöffnung entweichen muß.

Gleichzeitig gelangen durch die vielen Öffnungen des mit Druckluft gespeisten Belüftungsrohres Luftblasen in das Wasser des Kontaktraumes. Durch den tangentialen Was­ sereintritt über das Wasserrohr ergibt sich dabei eine Verwirbelung. Das Wasser zirkuliert im Kontaktraum, wo­ durch die kleinen Luftblasen entlang der wendelförmigen Umlaufbahn der Wasserströmung aufgerissen werden.

In vorteilhafter Weise treten dabei zwei Effekte auf. Zum einen werden die Luftbläschen wegen des Aufreißens in mehrere noch kleinere Luftbläschen aufgeteilt, und zum anderen bleiben die Luftbläschen wesentlich länger im Wasser, weil sie wegen des oben durch den Deckel abge­ schlossenen Kontaktraumes nicht nach oben steigen können. Sie treten vielmehr an der unteren Düsenöffnung der Zwei­ stoffdüse zusammen mit dem Wasser aus und in das Bele­ bungsbecken ein.

Beide Effekte führen zusammen zu einer entscheidenden Verbesserung und zu einem wesentlich erhöhten Sauerstof­ feintrag in das Wasser. Da die Luftbläschen durch die Verwirbelung auf reißen und mehrere noch kleinere Luft­ bläschen bilden, ergibt sich insgesamt eine wesentlich höhere Membranoberfläche, so daß mehr Sauerstoff in das Wasser diffundieren kann. Eine weitere Erhöhung des Sau­ erstoffeintrages ist darauf zurückzuführen, daß die Ver­ weilzeit der Luftbläschen im Wasser wesentlich größer als bei Verwendung der bekannten Tellerbelüfter ist und der Sauerstoff deshalb über eine längere Zeitdauer in das Wasser diffundieren kann. Die höhere Verweilzeit der Luftbläschen im Wasser ist darauf zurückzuführen, daß die Luftblasen im Kontaktraum wegen des oberen Deckels nicht nach oben steigen können, sondern daß sie einen langen Weg längs der wendelförmigen Strömung bis zum Austritt durch die untere Düsenöffnung nehmen und erst dann nach oben zur Oberfläche des Wassers im Belebungsbecken auf­ steigen können.

Der angestrebte Sauerstoffeintrag wird auch dadurch ent­ scheidend verbessert, daß das Wasser aus dem Belebungs­ becken selbst durch das Wasserrohr wieder dem Kontaktraum der Zweistoffdüse zugeführt wird, wodurch ein in sich ge­ schlossener Kreislauf gebildet wird. Schließlich besteht ein weiterer positiver Effekt noch in der zusätzlichen Verwirbelung des Wassers im Belebungsbecken in Folge des Austrittes des Wassers durch die untere Düsenöffnung der Zweistoffdüse. Auch diese Verwirbelung trägt zu einer Verbesserung des Sauerstoffeintrages in das Wasser bei.

Die Erfindung führt zu einem weiteren Vorteil, der darin besteht, daß sich die Energiekosten entscheidend reduzie­ ren lassen. Da der Sauerstoffeintrag wesentlich verbessert wird, genügt es, die Kompressoren für die Druckluftzufuhr nur in bestimmten Zeitintervallen in Be­ trieb zu nehmen, so daß weniger Energiekosten anfallen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und andere vorteilhafte Wei­ terbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand des in der Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispiels wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Die als Zweistoffdüse 10 ausgebildete Vorrichtung ist in das Wasser eines nicht näher dargestellten Belebungs­ beckens einer Kläranlage eingetaucht. Die Zweistoffdüse 10 umfaßt einen zylindrischen Kontaktraum 12, an den sich unten ein Austrittsraum 14 anschließt. Der Austrittsraum 14 besitzt einen sich kegelförmig verjüngenden Quer­ schnitt, der unten in eine Düsenöffnung 16 mündet, die sich etwa 10 cm oberhalb des Bodens des Belebungsbeckens befindet.

Die Zweistoffdüse 10 und damit auch der Kontaktraum 12 ist oben durch einen Deckel 18 verschlossen. In der Mitte des Deckels 18 befindet sich eine Rohrdurchführung 28, durch welche ein am unteren Ende abgeschlossenes Belüf­ tungsrohr 20 geführt ist, welches sich in etwa über die gesamte Höhe H1 des Kontaktraumes 12 erstreckt. Auf dem Umfang des Belüftungsrohres 20 befinden sich eine Viel­ zahl kleiner Öffnungen 22 mit einem Durchmesser von circa 2 mm. Durch den Pfeil A ist angedeutet, daß das Belüf­ tungsrohr 20 mit Druckluft gespeist wird (etwa 2 m³/h). Somit wird durch die Öffnungen 22 eine feinblasige Belüf­ tung des im Kontaktraumes 12 befindlichen Wassers er­ reicht.

In den Kontaktraum 20 führt ein Wasserrohr 24, und in Fig. 2 ist zu erkennen, daß das Wasserrohr 24 tangential angeordnet ist und eine Eintrittsöffnung 26 besitzt. Durch den Pfeil B ist dargestellt, daß durch das Wasser­ rohr 24 Wasser in den Kontaktraum 12 gepumpt wird, wobei dieses Wasser aus dem zugehörigen Belebungsbecken selbst entnommen wird. Dadurch entsteht ein geschlossener Strö­ mungskreislauf des Wassers.

Durch den tangentialen Wassereintritt des Wassers in den Kontaktraum 12 bildet sich innerhalb des Kontaktraumes 12 eine nach unten gerichtete wendelförmige Strömung aus, die durch die Düsenöffnung 16 des kegelförmigen Aus­ trittsraumes in das Belebungsbecken gelangt. Dabei ergibt sich im Bereich der Düsenöffnung 16 eine erhöhte Aus­ trittsgeschwindigkeit wegen des sich kegelförmig verjün­ genden Querschnittes des Austrittsraumes 14.

Durch die Öffnungen 22 des Belüftungsrohres 20 gelangen feine Luftblasen in das Wasser, und diese Luftblasen wer­ den durch die wendelförmige Wasserströmung mitgenommen und aufgerissen, wodurch sich noch kleinere Luftbläschen bilden. Zusammen mit dem Wasser treten diese Luftblasen durch die Düsenöffnung 16 in das Wasser des Belebungs­ beckens. Die kleinen Luftbläschen haben eine vergleichs­ weise lange Verweildauer im Wasser, die auch noch durch den erwähnten in sich geschlossenen Wasserkreislauf über das Wasserrohr 24 erhöht wird. Damit ergibt sich ins­ gesamt ein wesentlich verbesserter Sauerstoffeintrag in das Wasser des Belebungsbeckens.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser des Kontaktraumes 12 der Zweistoffdüse 10 etwa 200 mm, und die Höhe H1 des Kontaktraumes 12 liegt ebenfalls bei 200 mm. Die Höhe H2 des Austrittsraumes ist geringer und liegt bei 120 mm; der Durchmesser der unte­ ren Düsenöffnung 16 beträgt 70 mm.

Der Durchmesser des Wasserrohres 24 ist 40 mm, und durch das Wasserrohr 24 werden etwa 3 m³/h Wasser gepumpt.

Claims (5)

1. Vorrichtung für die Zufuhr von Sauerstoff in Abwas­ ser, welches sich in Belebungsbecken einer Kläranlage be­ findet, wobei die Vorrichtung in das Belebungsbecken ein­ getaucht ist und folgenden Aufbau besitzt:

• - Die Vorrichtung ist als Zweistoffdüse (10) ausgebil­ det,
• - die Zweistoffdüse (10) umfaßt einen runden Kontakt­ raum (12), an welchen sich unten ein sich kegelför­ mig verjüngender Austrittsraum (14) mit einer Dü­ senöffnung (16) anschließt,
• - der Kontaktraum (12) ist oben durch einen Deckel (18) abgeschlossen,
• - in den Kontaktraum (12) mündet tangential ein Was­ serrohr (24) für die Zufuhr von Wasser aus dem Belebungsbecken in den Kontaktraum (12),
• - durch den Deckel (18) ist ein mit Luft beaufschlag­ tes Belüftungsrohr (20) mit auf seinem Umfang ver­ teilten Öffnungen (22) für die Zufuhr von Sauerstoff in das im Kontaktraum (12) befindliche Wasser ge­ führt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Belüftungsrohr (20) zentrisch in den Kontaktraum (12) eintaucht und an seinem unteren Ende luftdicht abge­ schlossen ist und sich über die gesamte Höhe des Kontakt­ raumes (12) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Durchmesser der Düsenöffnung (16) etwa 35% des Durchmessers des Kontaktraumes (12) be­ trägt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H2) des Austrittsraumes (14) etwa 60% der Höhe (H1) des Kontaktraumes (12) beträgt.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherge­ henden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung (16) des Austrittsraumes (14) etwa 10 cm oberhalb des Bodens des Belebungsbeckens liegt.