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Verfahren zur Begasung von Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Begasung von Flüssigkeiten, beispielsweise für die Abwasgerreinigung,
die Belüftung von Flußläufen, Verhefungaprozesse, für chemische und biologische
Prozesse.
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Für die Begasung von Flüssigkeiten sind eine ganze Anzahl von Verfahren
und Vorrichtungen bekannt, -Alle diese Verfahren und Vorrichtungen sollen bewirken,
daß das Gas möglichst homogen sowie in hoher Konzentration in der Flüssigkeit gelöst
wird. Das wird durch feinblasige Eintragung des Gases in die Flüssigkeit oder umgekehrt
und intensive Durchmischung der Flüssigkeit mit dem Gas erreicht. Entscheidend für
den in der Flüssigkeit gelösten Anteil der eingesetzten Gasmenge sind hierbei die
Größe der Gasblasen, die Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit und die Mikroturbulenz
in der Flüssigkeit. Bei den sog. Oberflächenbegasungsverfahren wird ein Gaseintrag
dadurch erreicht, daß horizontale Rotoren verschiedener Bauart in die Flüssigkeit
eintauchen und diese beim Rotieren verspritzen, so daß die Flüssigkeitströpfchen
und die aufgerauhte Flüssigkeitsoberfläche das sie umgebende Gas aufnehmen können.
Bei diesem Verfahren ist die Mikroturbulenz örtlich zwar groß, die Verweilzeit des
Gases in der Flüssigkeit bzw: umgekehrt jedoch sehr klein. Der Anteil des in der
Flüssigkeit gelösten Gases, bezogen auf die eingesetzte Gasmenge, ist somit bei
verhältnismäßig hohen Betriebskosten sehr gering. Darüberhinaus ist die erstrebte
Homogenität nicht gewährleistet, da auf Grund der Arbeitsweise der Rotoren lediglich
ein geringer Prozentsatz der Flüssigkeit mit den Gas in Berührung kommen kann.
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Beim Druckbegasungsverfahren wird das Gas mit entsprechendem Druck
über ein meist waagerecht auf .dem Boden des Flüssigkeitsbehälters liegendes Rohrsy®tesa,
das entweder eine große Anzahl Bohrungen besitzt,oder wit Sinterkerzen bzw. ginterplatten
bestückt ist, in die PlÜssigkeit eingetragen.
Hierbei ist die Verweilzeit
des Gases in der Flüssigkeit gegenüber der Oberflächenbegasung wesentlich länger.
Da-. für ist jedoch die Mikroturbulenz in der Flüssigkeit und dadurch auch die Gasausnutzung,
selbst bei Einsatz von Sinterkerzen oder -platten, die zwar einen feineren Gaseintrag
gewährleisten, aber wiederum auch einen höheren Gasdruck erfordern, verhältnismäßig
gering. Dieses Verfahren ist auf Grund des erforderlichen hohen Druckes für die
Einbringung des Gases in die Flüssigkeit und der Verluste bei der Verdichtung des
Gases unwirtschaftlich. Außerdem ist es störanfällig gegenüber Verschmutzung und
Korrossion. Bei dem Mammutpumpsystem werden über, am oberen Teil U-förmige, Steigrohre
durch Einblasen von Gas an deren unteren Enden auf Grund des dadurch geringeren
statischen Druckes in den Rohren die Flüssigkeit angesaugt und mit Gas vermischte
Flüssigkeitsstrahlen in den Flüssigkeitsbehälter zurückgeleitet. Dieses Verfahren
garantiert auf Grund der großen umgewälzten Flüssigkeitsmenge eine homogene Durchmischung
der Flüssigkeit. Die Gasausnutzung ist jedoch wegen der geringen Mikroturbulenz
nur unwesentlich besser als beim Druckbegasungsverfahren und die Betriebs- und Investkosten
sind verhältnismäßig hoch. Bei den bekannten Rotationsbegasungsverfahren wird entweder
den an einer senkrechten Welle tief in der Flüssigkeit umlaufenden Rotoren Gas zugeleitet
oder es wird durch einen an einer senkrechten Welle an der Oberfläche der Flüssigkeit
schnell umlaufenden Rotor Gas in die Flüssigkeit eingesaugt und mit dieser vermischt.
Da im letzteren Falle die Tiefenwirkung der Begasung, d.h. der Gaseintrag bis tief
unter die Oberfläche der Flüssigkeit, unzureichend ist, wird dieses Verfahren mit
einer Druckbegasung kombiniert. Das Rotationsbegasungsverfahren mit einem Rotor,
dein Gas in der Flüssigkeit zugeleitet wird, ist gegenüber den oben beschriebenen
Verfahren an wirksamsten. Bei ihm werden auf Grund der über den Rotor in die Flüssigkeit
eingetragenen großen Energie eine feine Zerstäubung des unter dem Motor-zugeführten
Gases und eine Örtlich sehr große Mikroturbulenz sowie eine verhältnismäßig
gute
Gasausnutzung erreicht. Durch die Pumpwirkung des Rotors wird außerdem eine gute
Durchmischung der Flüssigkeit erzielt. Um aber eine möglichst große Zone starker
Mikroturbulenz in der Flüssigkeit zu erzeugen, ist in unmittelbarer Nähe des Rotors
eine übergroße Mikroturbulenz vorhanden, die nicht ausgenutzt werden kann, da eine
schnellere Erneuerung: der Grenzschicht um die Gasbläschen ab einer bestimmten Mikroturbulenz
keinen wesentlich höheren Stoffaustausch bringt. Auf Grund dessen hat die Anwendung
eines Rotors für die Begasung von Flüssigkeiten ebenfalls wirtschaftliche Nachteile.
Hinzu kommen noch Schwingurige- und Korrosionsprobleme, die eine Störempfindlichkeit
bedingen. Auch müssen die Form des Behälters und die des Rotors zwecks Erzielung
einer optimalen Wirkung aufeinander abgestimmt sein, so daß kein universeller Standardrotor
angewendet werden kann. Die Investkosten sind bei diesem Verfahren sehr hoch, da
neben einer Gebläsestation noch Rührer mit Getriebe auf einer Brücke über dem Flüssigkeitsbecken
sowie Bodenlager erforderlich sind. Diese j@achteile bei der Verwendung eines.Rotors
versucht man durch Anordnung dieses Rotors mit hoher Drehzahl an der Oberfläche
der Flüssigkeit und damit zusätzlicher Luftansaugung duren Trombenbildur-g E kombiniert
mit einer Druckbegasung, zumindest teilweise zu vermeiden. Da hierbei jedoch durch
den Rotor nur eine geringe Tiefenwirkung erzielt wird, sind der Mischeffekt und
damit die Gasausnutzung schlecht. Dieses Verfahren ist somit nur geringfügig billiger,
als das zuvor beschriebene. Müssen große Flüssigkeitsmengen über einen längeren
Zeitraum begast werden, so sind große Beckenvolumen erforderlich. Da die bisher
bekannten Begasungsverfahren eine wirtschaftliche Begasung bei Gewährleistung einer
entsprechenden Flüssigkeitsdurchmischung nur bis zu einer Flüssigkeitstiefe von
drei bis vier Meter zulassen, sind u. U. große Beckengrundflächen notwendig.
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Eine Eintragung des Gases in die Flüssigkeit über 3-4 m Tiefe ist
bei- den bisher bekannten Verfahren deshalb
unwirtschaftlich, weil
dann die nur geringfügig größere Gasausnutzung den erhöhten Leistungsaufwand nicht
mehr ' rechtfertigt.
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Zweck der Erfindung ist es, ein Begasungsverfahren zu entwickeln,
das gegenüber den bisher bekannten Verfahren wesentlich wirtschaftlicher in bezug
auf große Raum-Zeit-Ausbeute und im Betrieb störunempfindlicher ist, universell,
d.h. unabhängig von Beckenform, -größe, Medien, offenem oder geschlossenem System,
eingesetzt werden kann und eine größere Grundflächenbelastung zuläl3t. Der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das ohne die Anwendung
von Druckgas auskommt und das mit Hilfe vornehmlich hydraulischer Einrichtungen
und Effekte eine feinblasige Eintragung des Gases, eine intensive Durchmischung
beim Vorhandensein einer entsprechend großen und relativ gleichmäßigen Mikroturbulenz
und eine lange Verweilzeit der Bläschen in der Flüssigkeit ermöglicht und das eine
hohe Grundflächenbelastung in Bezug auf die begasbare Flüssigkeitshöhe technologisch
und konstruktiv zuläßt. Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere stark turbulente,
Gas enthaltende Flüssigkeitsstrahlen mit einem so starken Impuls in die zu begasende
Flüssigkeit, vorzugsweise etwa senkrecht auf die Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels,
eingeleitet, daß die in den Flüssigkeitsstrahlen enthaltenen Gasbläschen tief in
die Flüssigkeit eingetragen werden und im durch die Strahlen hervorgerufenen Turbulenzgebiet
durch die gesamte Flüssigkeit zur Oberfläche aufsteigen. Die in dieser Weise begaste
Flüssigkeit wird wiederum zur Erzeugung von turbulenten Flüssigkeitsstrahlen verwendet,
die zusätzlich mit Gas versehen werden, d.h. die Flüssigkeit wird im Kreislauf gefahren.
Der gasenthaltende Flüssigkeitsstrahl wird mittels ein oder mehrerer Strahlapparate
bzw. Schachtüberfälle erzeugt, wobei das Gas drucklos oder unter Druck zugeführt
werden kann. Im ersteren Fall reißt ein Flüssigkeitstreibstrahl hoher Geschwindigkei-,
das ihn umgebende Gas mit, während bei den Z.,chachtüberfällen die Flüssigkeit in
einen vorzugsweise senk-T`l`-.@'@@sal= i@chac@zt sl-:;zrüt und durch die Sogwirkung
das sie um-'-de Gas mitreißt.
Die Turbulenz im Schacht und die Stabilität
der Gasmitnahme können durch Einbauten im Schacht, die ein intensives Zerspritzen
der Flüssigkeit bewirken, erhöht werden. Der notwendige Austrittsimpuls des turbulenten,
Gas enthaltenden Flüssigkeitsstrahles am Schachtende wird durch eine Düse erreicht.
Erfindungsgemäß können auch kolonnenartig in einem turmar-; tigen Baukörper mehrere
Flüssigkeitsbecken übereinander angeordnet und durch ein oder mehrere Schachtüberfallrohre.so
miteinander verbunden werden, daB die Schachteinlaufkronen die Flüssigkeitshöhe
in den Becken begrenzen und die Schachtaustritte kurz über den Schachteinlaufkronen
im darunter befindlichen Becken, jedoch vertikal versetzt, enden.
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Durch eine oder mehrere Pumpen wird die zu begasende Flüssigkeit aus
dem untersten Becken in Schachtüberlaufbehälter über dem obersten Becken gefördert,
von wo sie über die jeweiligen Schachtüberfälle von Becken zu Becken stürzt und
dabei auf Grund der Sogwirkung in den Schachtüberfällen umgebendes druckloses oder
unter Druck stehendes Gas in das darunter befindliche Flüssigkeitsbecken einträgt.
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Durch eine in den Schachteinlaufkronen zentral endende Gaszuführungsleitung,
die mit dem Frischgasraum in Verbindung steht, kann verhindert werden, daß das Abgas
aus einem höher liegenden Becken in das darunterliegende Becken eingetragen wird.
Bei der erfindungegemäBen Lösung des Begasungsproblems ist eine maximale Ausnutzung
der aufgewandten Energie für einen intensiven Gaseintrag dadurch gegeben, daß das
durch die hydraulischen Einrichtungen feinblasig angesaugte Gas während einer langen
Verweilzeit einer gleichmäßig starken Mikroturbulenz in der Flüssigkeit unterworfen
ist und bei der gesamten Verfahren nur unwesentliche mechanische Verlustfit auftreten:
Das Verfahren ist sehr einfach in seinen Aufbau und störunan--fällig. Außerdem ist
es universell: einsetzbar, da es bei jedem Verwendungszweck, bei offenen oder geschlossenem
System, großen oder kleinen Gaseintrag, eowli bei jeder Beckenform u, -größe durch
entsprechende Wahl der Anzahl und der Anordnung-der Tauchstrahlen optimal genutzt
werden kann. Dabei sind in den Flüssigkeitsbecken keinerlei Einbauten notwendig.
Es
ergibt sich hier die Möglichkeit, mit ein oder zwei Standardstrahlapparaten oder
-schächten jede geforderte Anlage auszurüsten. Bei der Kolonnenvariante der erfindungsgemäßen
Lösung des Begasungsproblems werden die optimalen Verhältnisse für den wirtschaftlichsten
Gaseintrag der Tauchstrahlbegasung mit Hilfe von Schachtüberfällen im gesamten begasten
Flüssigkeitsbeckenvolumen eingehalten, so daß der geringe spezifische Energiebedarf
des Verfahrens für einen bestimmten Gaseintrag auch bei dieser Variante der erfindungsgemäßen
Lösung vorliegt.
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Den höheren spezifischen Baukosten für die übereinander angeordneten
Becken stehen erhebliche Einsparungen auf der Ausrüstungsseite gegenüber. So werden
z.B. bei vier übereinander angeordneten Beckeneinheiten statt vier Pumpen nur eine
Pumpe mit vierfacher Förderhöhe benötigt. Da zum anderen auf Grund der Zuströmung
zu den Schachteinläufen in den oberen Beckeneinheiten evtl. entstehender Schaum
sofort in die Schächte strömt und zerstört wird, ist bei schäumenden Flüssigkeiten
entstehender Schaum nur im untersten Becken zu bekämpfen. Daher sind die Wartungskosten
ebenfalls wesentlich geringer. Die größte-Kostenersparnis kann sich jedoch auf Grund
des wesentlich geringeren`Grundflächenbedarfs für ein bestimmtes Beckenvolumen ergeben.
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Diese Variante kann z.B. bei den in der biologischen Abwasserreinigung,gebräuchlichen
Füllkörperkolonnen durch geringfügigen Umbau derselben Anwendung finden. Dadurch
ist die vielerorts notwendige Erhöhung des Reinigungseffektes mit dem vorhandenen
biologischen Raum ohne Beckenbau zu verwirklichen. Die Anwendung der erfindungsgemäßen
Lösung zur Begasung von Flüssigkeiten ermöglicht somit eine erhebliche Einsparung
an Invest- und Betriebskosten. Die Erfindung soll nachstehend an drei Austührunbgsbeispielen
näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen.:
Fig.
'I: Prinzip einer geschlossenen Begasungsanlage mit Tauchstrahlbegasung über Strahlapparat
Fig. 2#. Seitenansicht eines Intensivbeckens für die Abwasserreinigung mit Tauchstrahlbelüftung
über Schachtüberfälle Fig. 3: Draufsicht nach Fig. - 2 Fig. 4: Längsschnitt durch
eine Belüftungskolonne mit Schachtüberfällen im offenen System Fig. 5: Draufsicht
nach Fig. 4 Fig. 1 zeigt das Schema einer kleineren geschlossenen Flüssigkeitsbegasungsanlage
bei Anwendung der Tauchstrahlbegasung mit Hilfe eines Strahlapparates. Die zu begasende
Flüssigkeit wird aus einem geschlossenen Behälter 1 über eine Saugleitung 2 und
Druckleitung 3 mit Hilfe einer Pumpe 4 zu einem Strahlapparat 5 gefördert. Im Strahlapparat
5 wird über einen Anschlußstutzen 6 das in die Flüssigkeit einzutragende Gas von
einem Flüssigkeitstreibstrahl angesaugt und das Gas-Flüssigkeits-Gemisch über eine
Mischstrecke ? und eine Düse 8 als begaster-Tauchstrahl 9 ..
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mit solch starkem Impuls in die Flüssigkeit eingetragen, daß die Gasblasen
im Ketn des Tauchstrahles 9 den Boden des Behälters 1 erreichen. Das unausgenutzte
Gas wird über einen St-'=zen
10 abgeführt. Die zu begasende Flüssigkeit kann
dem Behälter 1 kontinuierlich oder diskontinuierlich zugeführt werden. Das
| Turbulenzgebiet ist beidem Tauchstrahl 9 auf Grund seiner In- |
jektorwirkung, der St.aupunktströmung am Boden des@Behälters 1 und der Auftriebskräfte
der Gasbläschen sehr groß, gleichmäßig intensiv. Die mit dem Tauchstrahl 9 in die
Flüssigkeit eingetragene Energie wird hierbei maximal zur Erzeugung von Turbulenz
notwendiger Intensität genutzt. Die vorliegenden Strömungsverhältnisse führen dabei
in einigen Zonen der Flüssigkeit zum langen Schweben bzw. Abwärtsströmen von Gasbläschen.
Dies bedingt einen guten Stoffaustausch und damit eine gute Gasausnutzung des in
den Behälter 1 mit Hilfe eines begasten Tauchstrahles 9 eingetragenen Gases.
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Der Förderwirkungsgrad eines Strahlapparates 5 ist im allgemeinen
gering, da der größte Teil der Treibstrahlenergie in Turbulenz umgewandelt wird
und nicht zur Erzeugung eines
entsprechend hohen Unterdruckes zum
Ansaugen entsprechend großer Gasmengen ausgenutzt wird. Im vorliegenden Falle ist
diese Turbulenz im Strahlapparat 5 aber nicht als Verlust anzusehen, sondern sehr
willkommen. Sie garantiert im Strahlapparat 5 und der anschließenden Mischstrecke
7 bis zum Austritt des stark turbulenten und begasten Flüssigkeitsstrahles über
der Flüssigkeit eine feinste ünd homogene Aufteilung des Gases und eine maximale
Gasausnutzung in diesem Teilabschnitt des Begasungssystems. Die Gasmitnahme kann
bei dem Strahlapparat dadurch erhöht werden, daß das Gas dieser Vorrichtung unter
Druck zugeführt wird. Fig. 2 und 3 zeigen ein Beispiel für eine Anwendung der Tauchstrahlbegasung
mit Hilfe von Schachtüberfällen für ein großes Intensivbecken einer biologischen
Abwasserreinigungsanlage.
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Aus einem Betonbecken 1 wird das zu begasende Abwasser über Saugleitungen
2 und Druckleitungen 3 durch Pumpen 4 in ein das Becken 1 umgebendes Gerinne 11
gefördert. Die Flüssigkeit strömt über Einlaufkronen 14 in den vorzugsweise senkrechten
Schächten 15 ab. Ist die Höhe des Flüssigkeitsspiegels über der Einlaufkrone 14
des Schachtes 15 nicht zu groß, so bildet sich eine Trombe, die umgebendes Gas mit
in den Schacht 1-5 einsaugt. Wird der Flüssigkeitszustrom noch weiter verringert,
so strömt die Flüssigkeit im Schacht 15 ringförmig an den Schachtwänden ab und nimmt
dabei sehr viel Gas mit. Am günstigsten ist die Anwendung des Schachtüberfalles
im zuletzt beschriebenen Betriebszustand. Die Düsen 8 an den Schachtenden erhöhen
die Austrittsgeschwindigkeit der belüfteten Tauchstrahlen 9 so, daß die Luftblasen
in ihnen zum großen Teil bis auf den Grund des Beckens 1 getragen werden. Die. einzelnen
Schächte 15 und Düsen 8 sind dabei so gerichtet, daß eine gleichmäßige intensive
Durchwirbelung des gesamten Beckeninhaltes gewährleistet ist. Das kontinuierlich
zuzuführende Abwasser wird zweckmäßig über eine Dosierpumpe 1? in das Gerinne 11
zudosiert. Der Abfluß ist durch einen zentralen Überlauf 18 möglich. Die Turbulenz
im Schacht 15 und die Stabilität der Gasmitnahme können durch Einbauten 20 im Schacht
15,
die ein intensives Zerspritzen der am Schachtanfang nur an
den
Wänden entlangströmenden Flüssigkeit bewirken, erhöht werden.
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Fig. 4 zeigt den Längsschnitt durch einen turmartigen Baukörper 21,
z.B. ein standardisierter-i-. Turm-Tropf-Körper aus Stahlbeton, der durch Zwischenböden
in vier einzelne übereinanderliegende Becken 1 aufgeteilt ist. Die Becken 'i sind
durch senkrechte Schachtüberfallrohre 15 so miteinander verbunden, daß die Schachteinlaufkronen
14 im Betrieb die l"lüssigkeitshöhe in den Becken 1 begrenzen und die Schachtaustrittsdüsen
8 kurz über den Flüssigkeitsoberflächen in den darunter liegenden Becken, jedoch
versetzt zu den Schachteinläufen in diesen Becken (siehe-Fig. 5), enden.
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In den Schachteinlaufkronen 14 enden zentral Frischluftzuführungsleitungen
23, die nach außen führen und so im Betrieb eine dauernde Frischluftzufuhr gewährleisten.
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Über den obersten Becken sind ebenfalls zwei SchachtÜberfallrohre
15 angeordnet. Sie tragen.' jedoch. statt Schachteinlaufkronen- Schachtüberlaufbehälter
22, die eine Zwangsumlenkung der dem Schacht zuzuführenden Flüssigkeit bewirken.
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Das untere Becken ist mit den Schachtüberlaufbehältern 22 über eine
Pumpe 4 verbunden. Ist die Pumpe 4 in Betrieb, so stürzt die zu belüftende Flüssigkeit
durch die einzelnen Schachtüberfallrohre 15 von Becken zu Becken nach unten.
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Auf Grund der Sogwirkung in den schächten wird über die Frischluftzuführungsleitungen
23 Frischluft angesaugt und in die Becken 1 eingetragen. Die Abluft kann über besondere
Öffnungen 25 ins Freie entweichen.