DE2232514A1

DE2232514A1 - Einrichtung zur belueftung von gewaessern

Info

Publication number: DE2232514A1
Application number: DE2232514A
Authority: DE
Inventors: Holm Schubert-Klempnauer; Volker Dipl Ing Schuermann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1972-07-03
Filing date: 1972-07-03
Publication date: 1974-01-24
Also published as: FR2235088A1; GB1428529A; IT990748B; AT320546B; CH568244A5; FR2235088B1

Description

Einrichtung zur Belüftung von Gewässern

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Belüftung von Gewässern, insbesondere zur Sauerstoffanreicherung des Hypolimnio'ns in Seen und Talsperren, mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung von Sauerstoff, einer zu einem Einlaß für das anzureichernde Wasser führenden und in -einer Vorrichtung zum Einbringen des Sauerstoffes in das anzureichernde Wasser mündenden Versorgungsleitung, wobei der überschüssige Sauerstoff wieder an die Atmosphäre abführbar

309884/0694

22325U

ist, ferner mit einem Auslaß, aus dem das mit Sauerstoff angereicherte Wasser zur Erzeugung einer etwa horizontalen Strömung im Gewässer austritt.

In den letzten Jahren ist die Menge der Industrie-, Haushalts- und Landwirtschaftsabwässer, die in Gewässer, beispielsweise Flüsse, Seen oder Talsperren eingeleitet wer-. den, ständig angestiegen, und zwar in einem solchen Maße, daß die natürliche Reinigungskraft der Gewässer nicht mehr ausreicht, die mit den Abwässern eingeleiteten Schadstoffe abzubauen. Insbesondere die Zufuhr von Nitraten und Phosphaten mit den Abwässern führen in den oberen Wasserschichten von Seen oder Talsperren, dem sogenannten Epilimnion, zur Eutrophierung des Gewässers und insbesondere zu erhöhtem Plankton- und Algenwachstum.

Zum Abbau der großen Menge an abgestorbenen und abgesunkenen Algen und anderen Schadstoffen ist sehr viel Sauerstoff notwendig, der jedoch im Gewässer nicht ausreichend vorhanden ist, so daß Sauerstoffarmut eintritt. Besonders in der Stagnatxonsperxode eines Sees über die Sommermonate, während der das Wasser des Sees nicht umgewälzt wird, kann eine totale Sauerstoffreiheit im Hypolimnion - der untersten Schicht - auftreten, so daß aerobe Organismen absterben.

Es ist inzwischen mit Erfolg versucht worden, in derart verschmutzte Gewässer zusätzlich Sauerstoff einzubringen. In fließenden Gewässern und in nicht für die Trinkwasserversorgung dienenden Seen oder Talsperren kann durch Umwälzen des Gewässers oder Versprühen des Wassers an der Oberfläche bzw. Einbringen von Sauerstoff in tiefe Schichten des Gewässers mittels Druckluft eine Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff erreicht werden.

309884/0694

- ³ - 22325U

In Seen oder Talsperren, die der Trinkwasserversorgung dienen, können diese Methoden jedoch nicht angewendet v/erden, da nach einer gewissen Zeit das gesamte Wasser des Sees um— , gewälzt vtfäre. Hierdurch würde zum einen die natürliche Temperaturschichtung des Gewässers während der Sommermonate zerstört, und dadurch auch das Gleichgewicht in Flora und Fauna verändert, zum'anderen durch· die Umwälzung des gesamten Wassers ein Temperaturausgleich stattfinden. Je nach Witterungsbedingungen wird sich hierbei die Temperatur des gesamten Seewassers auf etwa 15 Celsius einstellen, so daß daraus gewonnenes Trinkwasser zusätzlich gekühlt werden müßte.

Um die Umwälzung des Gewässers zu verhindern, ist es bekannt, lediglich das Hypolimnion mit Sauerstoff anzureichern; vgl. H.Bernhard, "Gewässerschutz, V/asser, Abwasser¹', Heft 1, Aachen 1966, S. 137 -ff. Dieses Verfahren hat insofern seine Berechtigung, da durch die Einstrahlung der Sonne die oberen Wasserschichten-des Sees einen hohen Sauerstoffgehalt aufweisen. Dagegen ist gerade das Hypolimnion durch das Absinken der abgestorbenen Algen und anderer Schadstoffe von Sauerstoffarmut bedroht.

Diese bekannte Einrichtung besteht aus einem von der Gewässeroberfläche abgelassenen.Eisenrohr mit einem Durchmesser von zv/ei Metern, das bis an die tiefste Stelle des Gewässers reicht und über die Wasseroberfläche etwa zwei Meter übersteht. Das Rohr wird von einem verankerten Schwimmponton getragen. An der unteren Öffnung des Rohres wird Druckluft eingeblasen, die über eine Versorgungsleitung aus der Atmosphäre mittels Kompressoren in die Tiefe geleitet is'-.

In einem Diffusor wird das im Rohr befindliche Wasser mit der Luft innig vermischt und steigt gemeinsam mit der über—

309884/0694

22325U

schüssigen Luft nach oben, wodurch neues sauerstoffarmes Wasser an dem unteren Ende des Rohres in dieses eingesaugt wird. Nach einer gewissen Steighöhe, die noch innerhalb des Hypolimnions liegtj tritt das mit Sauerstoff angereicherte Wasser durch Querbohrungen im Rohr aus und strömt etwa horizontal in das Gewässer ab. Die überschüssige Luft steigt weiter in dem Rohr nach oben, so daß sich in dem Rohr ein Überstau von etwa zwei Metern über der Wasseroberfläche bildet. Auf diese Weise kann das gesamte Hypolimnion eines Gewässers umgewälzt und mit Sauerstoff angereichert werden, ohne daß die vorgegebene Temperaturschichtung zerstört wird.

Das geschilderte Belüftungssystem hat jedoch auch Nachteile. Um eine Sättigung des sauerstoffarmen Wassers mit Sauerstoff zu erreichen, ist eine große Steighöhe zwischen Einlaß und den Auslassen des Rohres erforderlich. Dies bedeutet, daß ein derartiges Belüftungssystem nur in* verhältnismäßig tiefen Seen eingesetzt werden kann, in denen die Mächtigkeit des Hypolimnions mehrere Meter beträgt; bei dem ausgeführten Belüftungssystem beträgt der Abstand zwischen dem Einlaß und dem Auslaß etwa zwanzig Meter.

Ferner ist einzusehen, daß der Zusammenbau und die Halterung eines derart langen Rohres sehr aufwendig ist. So ist an der Wasseroberfläche ein Schwimmponton mit einer Tragfähigkeit von mehreren Tonnen nötig, von dem beim Zusammenbau des Rohres einzelne Rohrelemente sukzessive in das Wasser abgelassen werden müssen. Sollte sich zudem während des Betriebes dieses Belüftungssystems ein Defekt, beispielsweise des Diffusors, ergeben, so ist eine Reparatur nur mit Einsatz von Tauchern möglich.

309864/0694

So ist es weiterhin nachteilig, daß dieses Belüftungssystem lediglich stationär eingesetzt werden kann, so daß bei speziellen Formationen eines Gewässerbeckens eine Kreis— strömung zwischen Auslaß und Einlaß auftreten kann, wodurch lediglich ein Teil des Hypolimnions umgewälzt und belüftet wird. Dies könnte nur durch eine Versetzung des Belüftungs— systems verhindert werden, die aber durch dessen· Form ohne Auseinandernehmen der gesamten Einrichtung nicht möglich ist.

Der durch die Querbohrungen definierte Auslaß des Rohres ist weiterhin während des Betriebes des Belüftungssystems in seiner Höhe nicht verstellbar, sondern befindet sich ständig dicht unterhalb der Grenze des Hypolimnions. Dies ist zwar aus Gründen der auszunutzenden Steighöhe der Luft innerhalb des Rohres .notwendig, kann jedoch zur Folge haben, daß die Grenze des Hypolimnions, die auch durch den jeweiligen Sauerstoffgehalt des Wassers bestimmt ist, durch die Sauerstoff anreicherung bis unter den Auslaß absinkt. In diesem Fall wird aber das über dem Hypolimnion liegende Metalim— nion belüftet, und da zwischen diesen beiden Schichten keine Vermischung stattfindet, verbleiben die unteren Schichten des Hypolimnions somit weiterhin sauerstoffarm. -~

Ferner haben die aus dem Diffusor in das Wasser eingeblasenen Luftblasen eine Größe von etwa zwei bis drei Zentimetern, da kleinere Luftblasen sich sofort zusammenballen würden. Jedoch kann man bei der Größe der Luftblasen und der Steighöhe nicht ausschließen, daß sich, wie es von Mammutpumpen bekannt ist, auch größere Luftblasen zusammenschließen und in dem Rohr Luftpolster in Form von Kolbenblasen bilden. Es ist ersichtlich, daß dadurch die Kontaktfläche zwischen dem Wasser und der Luft wesentlich vermindert wird, so daß auch der Wirkungsgrad der Sauerstoffanreicherung des Wassers dementsprechend sinkt.

309884/0694

~⁶~ 22325U

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine einfach aufgebaute, in der Konstruktion neuartige und billig herzustellende Einrichtung zur Belüftung von Gewässern anzugeben, die einen hohen Wirkungsgrad der Sauerstoffanreicherung durch einen innigen Kontakt des zugeführten Sauerstoffes mit dem sauerstoffarmen Wasser gewährleistet. Sie soll außerdem flexibel, d.h. während des Betriebes in unterschiedlichen Höhen und an unterschiedlichen Orten eines Gewässers einsetzbar sein und zudem nur eine geringe Wartung für eine einwandfreie Punktion verlangen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einrichtung aus einer Aufnahmevorrichtung, vorzugsweise einem Schwimmponton, für die Vorrichtung zur Bereitstellung des Sauerstoffes und aus einem mit diesem absenkbar verbundenen Gehäuse besteht, das die Vorrichtung zum Einbringen des Sauerstoffes in das anzureichernde Wasser aufnimmt.

Diese Aufteilung der Konstruktion des Belüftungssystems hat den Vorteil, daß die Einrichtung nicht erst am Einsatzort zusammengesetzt werden muß, vielmehr ist es zweckmäßig, beide Baueinheiten fertig i^r^tiert _Zu dem zu belüftenden Gewässer zu transportieren, wobei dann am jeweiligen Einsatzort das Gehäuse durch Fluten in die gewünschte Tiefe abgesenkt wird· Hiermit ist es auch möglich, unterschiedlich tief gelegene Wasserschichten nacheinander zu belüften und den Einsatzort • auch während des Betriebes zu wechseln, indem der Schwimmpon— ton mit dem abgesenkten Gehäuse an den neuen Einsatzort geschleppt oder beispielsweise mit einem eigenen Außenbordmotor versetzt wird. Auf diese Weise kann auch bei den verschiedensten Formationen von Gewässerbecken das gesamte Wasser des Hypolimnions umgewälzt und mit Sauerstoff angereichert werden.

Das Belüftungssystem wird in der Regel mit Luft betrieben, die in das anzureichernde Wasser eingeblasen wird, jedoch ist auch

30988A/0694

_ ₇ _ 22325H

die Möglichkeit nicht auszuschließen, daß reiner Sauerstoff •verwendet wird. Im Folgenden wird lediglich das Wort Sauerstoff verwendet, ohne ,daß dieses eine Beschränkung auf eine einsige Möglichkeit der Art der Belüftung bedeutet.

Das Gehäuse ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung so aufgebaut, daß zwischen Ein— und Auslaß vorzugweise mehrere jeweils aneinander grenzende Kammern in· horizontaler Anordnung vorgesehen sind,' die jeweils durch · abwechselnd einen Durchlaß im oberen bzw. unteren-Bereich der Kammern freilassende Trennwände voneinander getrennt sind, daß die Vorrichtung zum Einblasen des Sauerstoffes ein mit zahlreichen feinen Öffnungen versehener Verteiler ist, der zumindest in bzw. vor der an den Einlaß grenzenden ersten Kammer angeordnet ist, und daß ferner der überschüssige Sauerstoff zumindest teilweise im Gehäuse oberhalb der Durchlässe in den Trennwänden verbleibt, und daß eine Einrichtung zur Regelung des Volumens des überschüssigen Sauerstoffes im Gehäuse vorgesehen ist.

Diese labyrinthartige Anordnung der Kammern gewährleistet eine gute Durchmischung des Sauerstoffes mit dem Wasser und entwirbelt gleichzeitig dessen Strömung, so daß das angereicherte Wasser beruhigt und wirbelfrei·aus dem Gehäuse austritt. Damit kann das Gehäuse auch dicht an die Grenze des Hypolimnions gebracht werden, ohne daß diese durch Wirbelströmungen zerstört wird. So kann etwa die Temperatursprunggrenze des Hypolimnions beeinflußt und die in den Herbst- und Wintermonaten auftretende natürliche Umwälzung des Gewässers beschleunigt werden.

Die leichte Manövrierbarkeit des Belüftungssystems auch während des Betriebes wird ferner dadurch vereinfacht, daß

309884/0694

. - β - 22325H

der überschüssige Sauerstoff in dem Gehäuse gesammelt und dessen Volumen derart geregelt wird, daß der Auftrieb des Gehäuses etwa gleich dessen wirksamen Gewicht ist. Für eine Verankerung des Gehäuses am Schwimmponton oder beispielsweise zusätzlich noch am Grund des Gewässers sind demnach nur verhältnismäßig schwache Seile und ein Schwimmponton mit geringer Tragkraft nötig.

Die Regelung des Volumens des überschüssigen Sauerstoffes in dem Gehäuse kann aber auch zum kontrollierten Lenzen oder Fluten benutzt werden. Dadurch wird die Einsatzmöglichkeit in verschiedenen Wassertiefen wesentlich vereinfacht; es kann aber auch erreicht werden, daß das Gehäuse durch Lenzen bis zur Oberfläche des Gewässers aufsteigt, um hier inspiziert oder repariert zu werden.

Dadurch, daß aus dem Auslaß des Gehäuses eine gerichtete Wasserströmung austritt, wird das Gehäuse beschleunigt. Dieser Schub kann zum Versetzen des Gehäuses innerhalb des Gewässers ausgenutzt werden. Dabei ist es denkbar, daß durch Anbringen von Rudern am Auslaß des Gehäuses dessen Bewegungen in Seite und Höhe gesteuert werden.

Trotz der geringen Bauhöhe des Gehäuses, die zu etwa zwei Meter für einen Durchsatz von 20 000 Litern pro Stunde gewählt wird, ist der Wirkungsgrad der Sauerstoffanreicherung sehr gut. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann nämlich durch eine Vielzahl von nebeneinander liegenden Kammern, wobei jeweils ein Verteiler am Boden einer jeden zweiten Kammer angeordnet ist, deren dem Auslaß des Gehäuses zugewandte Trennwand am oberen Ende einen Durchlaß aufweist, die effektive Steighöhe des Sauerstoffes im Wasser sehr hoch gemacht werden. Bei etwa zwanzig nebeneinander liegenden Kammern kann so eine Steighöhe von fünfsehn

309884/0694

22325U

bis achtzehn Metern erreicht werden. Der Verteiler kann dabei beispielsweise ein Netzwerk aus mit Löchern versehenen Röhren sein oder aus einem porösen Material, wie Kunststoff oder Keramik gefertigt sein. Da die Luftblasen in jeder der Kammern nur etwa 1,5 bis 1,8 Meter aufsteigen, können Luftblasen sehr geringen Durchmessers verwendet werden, ohne daß ein Zusammenballen der Luftblasen oder gar Kolbenblasen auftreten. Die, wirksame Grenzfläche zwischen dem Sauerstoff und dem Wasser ist damit im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen wesentlich vergrößert. Eine ähnliche Steighöhe kann natürlich auch ereicht werden, indem mehrere kleinere Gehäuse miteinander verbunden werden.

Die angegebene Ausführungsform hat den Vorteil, daß keinerlei mechanisch bev/egten Teile innerhalb des Gehäuses benutzt werden und sqmit die Anfälligkeit für Schaden und die Wartungsarbeiten wesentlich verringert werden. Das Wasser wird allein dadurch durch das Gehäuse transportiert, daß aus dem Verteiler der Sauerstoff lediglich in der gewünschten StrÖ-mungsrichtung des anzureichernden Wassers innerhalb des Gehäuses ausgeblasen wird.

Selbstverständlich ist es auch möglich, daß am Einlaß des Gehäuses z.B. zwei gegeneinander drehende Propeller zum Ansaugen des sauerstoffarmen Wassers in das Gehäuse vorgesehen sind. In diesem Fall kann natürlich in jeder der Kammern ein Verteiler angeordnet sein.

Wie bereits oben erwähnt, erhält ein einzelnes Gehäuse einen Schub, der, soll das Gehäuse stationär eingesetzt werden, durch bekannte und bereits erwähnte Verankerungen aufgefangen werden muß. Es ist jedoch auch möglich, durch paarweise Zuordnung jeweils zweier mit ihrem Einlaß einander zugewendeten Gehäuse den resultierenden Schub zu Null zu machen, so daß

-lo-

309884/0694

22325U

- Io -

eine Verankerung lediglich durch von dem Schwimmponton abgelassene Stahlseile nötig ist. Diese Anordnung mehrerer Gehäuse hat zudem noch den Vorteil, daß das anzureichernde' Wasser von über den Gehäusen liegenden Wasserschichten angesaugt wird, so daß diese auch direkt in Bodennähe des Gewässers eingesetzt werden können, ohne daß eine Verschlammung beispielsweise der Verteiler befürchtet werden muß.

Es ist aber auch möglich, ein einzelnes Gehäuse so zu konstruieren, daß an seinem Auslaß kein resultierender Schub auftritt. Dies wird durch ein rundes Gehäuse mit konzentrischen Kammern erreicht, dessen Eingang mittig und dessen Auslaß am Umfang angeordnet 1st. Das angereicherte Wasser tritt bei dieser Ausführungsform der Erfindung gleichmäßig in alle Richtungen des Gewässers aus. Selbstverständlich ist es möglich, das Wasser lediglich in einige Richtungen austreten zu lassen, auch ohne daß ein resultierender Schub auftritt; ferner kann es bei schwierigen Formationen des Gewässerbekkens von Vorteil sein, das anzureichernde Wasser aus größeren Entfernungen über Rohre zu dem Gehäuse zu transportieren bzw. das angereiche. ' Wasser mit Rohren in größere Entfernungen abzutransportieren.

Eine weitere baulich einfache Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Gehäuse auf seiner dem Schwimmponton abgewandten Unterseite offen ist und an einer seiner unteren Begrenzungskanten einen zu dieser parallel verlaufenden Verteiler trägt, aus dem der Sauerstoff in das Gehäuse etwa parallel zu dessen Unterseite ausblasbar ist, wobei wiederum eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der das Volumen des sich im oberen Teil des Gehäuses ansammelnden überschüssigen Sauerstoffes regelbar ist.

-11-

309884/0694

22325H

- li -

Auch hier werden demnach keine mechanisch bewegten Teile . am Gehäuse eingesetzt; der Transport des Wassers durch das , Gehäuse erfolgt wiederum durch das gerichtete Einblasen des Sauerstoffes am Einlaß.

Besonders bei dieser Art des Belüftungssystems kann das Gehäuse aus mehreren jeweils einen Brextenabschnxtt des Gehäuses bildenden gleichartigen Baueinheiten zusammengesetzt werden, so daß Fertigung, Transport und der Zusammenbau des Gehäuses erleichtert wird.

Da der Sauerstoff bei dieser Form der Einrichtung nach dem Ausblasen in einer nach oben gebogenen Kurve in den oberen Bereich des Gehäuses strömt- und so das anzureichernde Was— ser mitzieht, bilden sich in der Kammer Wirbel,, die einen innigen Kontakt zwischen Wasser und Sauerstoff gewährleisten. Die Wirbelbildung kann selbstverständlich durch die Form des Gehäuses gesteuert werden. Hier ist es günstig, daß das Gehäuse einen sich nach unten erweiternden Querschnitt aufweist. Die Kontaktzeit zwischen Sauerstoff und Wasser kann nach einer, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch eine Anordnung horizontal verlaufender Netze in der Kammer, an,denen sich der Sauerstoff fängt, verlängert werden.

Um bei den beschriebenen Einrichtungen den in das Gehäuse eingeblasenen Sauerstoff möglichst entsprechend seiner Löslichkeit im Wasser vollständig auszunutzen, wird zumindest ein Teil des im Gehäuse angesammelten überschüssigen Sauerstoffes wieder dem Verteiler zugeführt. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß der überschüssige Sauerstoff lediglich geringfügig - und zwar um den Betrag der Reibung annerhalb der verwendeten Schläuche und Ventile - komprimiert v;erden muß. Die Komprimierung des Sauerstoffes kann-jedoch vermieden werden, wenn mehrere Gehäuse miteinander verbunden

30988A/0694

- ₁₂ - 22325H

und übereinander angeordnet sind, und zumindest ein Teil des überschüssigen Sauerstoffes in jedem Gehäuse dem Verteiler des darüberliegenden Gehäuses zuführbar ist. Da in dem höher liegenden Gehäuse ein geringerer statischer Druck herrscht, kann dessen Verteiler direkt mit dem überschüssigen Sauerstoff aus dem darunterliegenden Gehäuse - ohne daß dieser komprimiert wird - versorgt werden.

Die Erfindung-wird in vier Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei stellen mehr oder minder schematisch im einzelnen dar:

Figur 1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zum Belüften von Gewässern gemäß der Erfindung, bestehend aus einem Schwimmponton und einem mit diesem absenkbar verbundenen Gehäuse;

Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 2a eine Vorderansicht des zweiten Ausführungsbei-' spiels;

Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 4 eine Anordnung von vier Gehäusen gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel und

Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren sind außerdem zur leichteren Durchschaubarkeit Teile mit gleichen Funktionen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

309884/0694

22325U

In der Figur 1 ist die thermische bzw. chemische Schichtung eines Gewässers, z.B. einer Talsperre während der sommerlichen Stagnationsperiode gezeigt. Von der Oberfläche 1 erstreckt sich je nach der Tiefe der Talsperre das Epilimnion E-, in dem eine Temperatur in der Größenordnung der Oberflächentemperatur herrscht. In- dieser Schicht ist im allgemeinen das Wasser durch die ständige Durchmischung und die Sonneneinstrahlung ausreiphend mit Sauerstoff gesättigt. Daran schließt sich die Zwischenschicht des Metalimnions M an, in der die Temperatür stark abfällt. Anschließend folgt das Hypolimnion H, dessen Temperatur wieder annähernd in allen Tiefen gleich ist. Da zwischen diesen drei Schichten während der Stagnationsperiode keine nennenswerte Durchmischung erfolgt, wird das Wasser des Hypolimnions - wie in der Einleitung bereits erwähnt - mit der Zeit derart sauerstoffarm, daß eine natürliche Reinigung des Gewässers nicht mehr erfolgt. In dem Gewässer befindet sich über dessen Grund 2 eine Schlammzone 3, in der und an deren Grenzfläche mit dem Wasser die ins Gewässer eingeleiteten, zur Verunreinigung beitragenden Stoffe -abgebaut werden. Da zu diesen Abbauprozessen Sauerstoff nötig ist, der jedoch im Hypolimnion nicht mehr in genügender Menge vorhanden ist, wird von einem verankerten Schwimmponton 11 an Stahlseilen 12 ein Gehäuse 13 bis in eine gewünschte Wassertiefe innerhalb des Hypolimnions abgelassen.

Das Gehäuse 13 besteht aus einem viereckigen Behälter, an dessen Stirnseiten, jeweils ein Einlaß 14 und ein Auslaß 15 angeflanscht sind. Das Gehäuse ist durch mehrere, in diesem Fall sieben Trennwände 161 bis 167 in aaht Kammern 171 bis 178 unterteilt. Die Trennwände 161,163,165 und 167 gehen jeweils vom Boden des Gehäuses 13 aus, reichen jedoch nicht bis an dessßn Decke, so daß hier Durchlässe 181,183,185 und 187 für das durch das Gehäuse strömende Wasser freigelassen werden.

-14-

309884/0694

22325H

Die übrigen Trennwände 162,164 und 166 gehen von der Decke des Gehäuses 13 aus und lassen an dessen Boden Durchlässe * 182,184 und 186 frei. Am Boden der Kammern 171,173,175 und 177 ist jeweils ein Verteiler 191,193,195 und 197 angeordnet, der aus einem porösen Material, z.B. aus Keramik, besteht. Alle Verteiler sind über eine flexible Versorgungsleitung 2o mit einem von einem Motor 21 angetriebenen, auf dem ^x Schwimmponton 11 angeordneten Kompressor 22 verbunden. In dem Kompressor 22 wird aus der Atmosphäre angesaugte Luft auf einen Druck komprimiert, der etwas höher als der in der Tiefe des Gehäuses 13 herrschende statische Druck ist.

Bevor dieses Belüftungssystem in Betrieb genommen wird, ist das gesamte Gehäuse 13 vollständig geflutet. Wird jedoch der Kompressor 22 eingeschaltet, so perlen aus de,n Verteilern 191, 193,195 und 197 feine Luftblasen nach oben, so daß durch den innigen Kontakt zwischen Wasser und den Luftblasen in den Kammern 171,173,175 und 177 das bisher sauerstoffarme Wasser mit Sauerstoff angereichert wird. Da den Verteilern mehr Sauerstoff zugeführt '·"' rd als das Wasser aufnehmen kann, bildet sich an der Decke des Gehäuses oberhalb der oberen Durchlässe 181,183,185 und 187 in den Kammern ein Gaspolster 23 aus, wodurch der Wasserspiegel in dem Gehäuse 13 absinkt.

Zur Regulierung des Wasserstandes in dem Gehäuse 13 sind an dessen Decke mehrere Ventile 241 bis 244 vorgesehen, die von jeweils einem Schwimmer 251 bis 254 geöffnet bzw. geschlossen werden können. Fällt der Wasserspiegel in dem Gehäuse unter ein bestimmtes Niveau, so werden die Ventile 241 bis 244 geöffnet, so daß die überschüssige Luft über eine weitere Leitung 26 abgeführt wird. Zweckmäßig führt diese Leitung zum Kompressor 22, wo die Überschüssige Luft geringfügig komprimiert und danach wiederum zu den Verteilern 191, 193,195 und 197 geschickt wird. Der Wasserstandsspiegel im

309884/0694

Gehäuse 13 wird vorzugsweise so eingestellt, daß das Gas- . polster 23 durch seinen Auftrieb das Gewicht des Gehäuses , 13 nahezu kompensiert.

Durch die aufsteigenden Luftblasen in den Kammern 171,173, 175 und 177 wird — wie oben beschrieben - jeweils durch den Einlaß 14 bzw. die Durchlässe 182,184 und 186 Wasser angesaugt, unter Sauerstoffanreicherung nach oben gepumpt und in die jeweils nächste Kammer 172,174,176 bzw. 178 transportiert. Hier beruhigt sich die Strömung des Wassers, ■ das gleichzeitig den überschüssigen Sauerstoff abgibt und danach aus dem Auslaß 15 in einer horizontalen Strömung in das Hypolimnion abfließt.

Nach einer gewissen Betriebsdauer dieses Belüftungssystems wird das gesamte Wasser^ des Hypolimnions umgewälzt und mit Sauerstoff angereichert sein, so daß jetzt auch genügend Sauerstoff in und an die Grenzfläche der Schlammzone mit dem Wasser für die sauerstoffzehrenden Abbau- und Reini— . gungsprozesse transportiert wird.

In den Figuren 2 und 2a' ist ein Belüftungssystem gezeigt, das aus einem absenkbaren, im Querschnitt runden Gehäuse 13' besteht, das durch vier Trennwände 161' bis 164' in drei Kammern 171' bis .173' unterteilt ist. Der Einlaß 14» ist hier durch ein Schutzsieb 31 abgeschlossen, hinter dem zwei von jeweils einem Motor 32 angetriebene und gegensinnig drehende Propeller 33 und 34 angeordnet sind. Durch die Propeller 33 Und 34 wird Wasser aus dem Hypolimnion durch den Einlaß 14' in das Gehäuse 13' gesaugt und mit . der aus einem Verteiler 35 austretenden Luft bzw. Sauerstoff innig vermischt. Der Verteiler besteht hierbei aus einem Netzwerk von mit haarfeinen Öffnungen versehenen Rohren. Es ist hier selbstverständlich möglich, daß in jeder

-16-

309884/069Λ

22325U

der Kammern oder nur in einigen Kammern zusätzliche Verteiler angeordnet sind, da der Transport des Wassers durch die Propeller erfolgt. Aber auch ein Betrieb ohne Propeller ist möglich, wenn die Luft in der gewünschten Strömungsrichtung des Wassers innerhalb des Gehäuses ausgeblasen wird. Diese Möglichkeit ist jedoch in der Zeichnung nicht gezeigt.

Durch die Trennwände 161' bis 164' wird die Strömung des Wassers durch das Gehäuse 13' beruhigt, gleichzeitig gibt es den überschüssigen Sauerstoff ab, so daß sich, wie bereits erwähnt, an der Decke des Gehäuses 13' ein Gaspolster 23' ausbildet. Auch in diesem Fall tritt das mit Sauerstoff angereicherte Wasser in einer etwa horizontalen und nahezu wirbelfreien Strömung aus dem Auslaß 15' in das Hypolimnion ein. Der Wasserstand innerhalb des Gehäuses 13' wird wiederum durch ein von einem Schwimmer 25' betätigendes Ventil 24' konstant gehalten. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier lediglich ein einziges solches Ventil mit zugehörigem Schwimmer benutzt, so daß die Trennwände 162' und 164» in ihrem oberen Bereich jeweils einen Durchlaß 381 bzw. 382 aufweisen müssen. Diese Art der Wasserstandsregulierung ist selbstverständlich auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel möglich.

Dem Verteiler 35 wird, wie bereits vorher beschrieben, von einem hier nicht gezeigten Kompressor auf dem Schwimmponton II¹ über die Versorgungsleitung 2o' zugeführt, während der überschüssige Sauerstoff über die Leitung 26' zum Schwimmponton II¹ rückgeführt wird. Übrigens könnte hier - wie auch beim ersten Ausführungsbeispiel - der Kompressor auch auf dem Gehäuse 13' angeordnet sein, jedoch wird der hier beschriebenen Anordnung wegen der Möglichkeit einer besseren Überwachung des Kompressors der Vorzug gegeben. ⁺ Sauerstoff -17-

309884/0694

22325U

Das Gehäuse kann beispielsweise - wenn gewünscht - dadurch an seinem Einsatzort gehalten werden, daß am.Gehäuse 13' in der Nähe des Schwerpunktes S Stahlseile (nicht gezeigt) angebracht sind, die am Ufer oder am Grund des Gewässers verankert sind.

Bei den beiden bisher beschriebenen. Ausführungsformen des Gehäuses ist es zudem möglich, das nicht verankerte Gehäuse unter Wasser über nur in der Figur 2 angedeutete Ruder 39 zu manövrieren, und so den erwähnten Schub des Gehäuses beispielsweise beim Standortwechsel auszunutzen.

Ebenso können an dem Gehäuse öder an dessen Verankerungsseilen Meß— und Beobachtungsgeräte oder beispielsweise auch Eritnahmeschiäuche installiert werden, um so eine ständige Analyse des Sau'erstoffgehaltes und anderer Parameter der beobachteten Wasserschichten zu erhalten.

In der in der Figur 3 gezeigten dritten-Ausführungsform der Erfindung hat das Gehäuse 13'' die Form eines an den Stirnseiten abgeschlossenen Troges, der auf seiner Unterseite offen ist. Es ist aus mehreren gleichartigen Untereinheiten aufgebaut, von denen lediglich zwei, nämlich und 42, gezeigt sind. An einer unteren Begrenzungskante ist ein Rohr 43. verlegt, dem über die Versorgungsleitung 2o*· von dem nicht gezeigten Kompressor Luft zugeführt wird. An das Rohr 43. sind mehrere Winkelrohre 44. geflanscht, durch die die Luft in Richtung des gezeichneten Pfeiles in den Trog eingeblasen wird. .-Hierdurch wird das Wasser des Hypolimnions in den Trog gesaugt, wo es mit Sauerstoff aus der Luft angereichert wird.

Der Wasserstand wird in dem Gehäuse 13I¹ über einen bereits beschriebenen Schwimmer 25'' und ein zugehöriges mit " dem Rohr 43^ verbundenes, hier nicht gezeigtes, Ventil re- ·

309884/0694

guliert. Der überschüssige Sauerstoff wird über eine Leitung 46^ einem mit dem beschriebenen Gehäuse 13^*¹ gleichartigen und über dem ersten Gehäuse angeordneten Gehäuse * 13^¹¹ zugeführt. Sie mündet in einem dem beschriebenen Rohr 43., identischen Rohr 43₂, das ebenfalls mehrere angeflanschte Winkelrohre 44₂ aufweist. Das Gehäuse 13«»' ist mit dem unteren Gehäuse 13,. * * durch Stahlseile 47 verbunden ,und so in seiner Lage annähernd fixiert:. Über dem Gehäuse 13₂ ^fl können noch weitere derartige Gehäuse angeordnet sein, von denen hier lediglich ein weiteres, 13₃ ^fl, gezeigt ist, das seinerseits mit Stahlseilen 47 mit dem hier nicht gezeigten Schwimmponton verbunden ist. Der überschüssige Sauerstoff aus diesem Gehäuse wird über eine Leitung 26'* zu dem nicht gezeigten Schwimmponton geführt.

Trotz des einfachen Aufbaues der einzelnen Gehäuse kann durch dieses Belüftungssystem eine mächtige Wasserschicht gleichzeitig mit Sauerstoff angereichert werden. Der überschüssige Sauerstoff in den einzelnen Gehäusen kann zur, Anreicherung des durch das jeweils darüberliegende Gehäuse strömenden Wassers verwendet werden, ohne daß er komprimiert zu werden braucht, da zum Transport und zum Einblasen des Sauerstoffes jeweils die Differenz des statischen Druckes zwischen zwei Gehäusen ausgenutzt wird.

Innerhalb der einzelnen Gehäuse kann zudem die Kontaktzeit zwischen Luftblasen und dem Wasser noch verlängert werden, indem die Gehäuse durch horizorfcale Netze 48 unterteilt sind, an denen sich die Luftblasen eine kurze Zeit anlagern. Diese Möglichkeit ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung lediglich bei dem Gehäuse 13₃ ^fI angedeutet.

In der Figur 4 sind vier Gehäuse der Ausführungsforra 1 oder 2 miteinander sternförmig verbunden, wobei die Einlasse

«19-30988W069 4

zweier Gehäuse jeweils einander gegenüberstehen. Hierbei wird Wasser aus dem über den Gehäusen liegenden Wasserschichten angesaugt und radial nach außen ausgestoßen, so daß der resultier rende Schub einer so zusammengesetzten Anordnung Null ist, und sich eine zusätzliche Verankerung erübrigt. Das Ansaugen von Wasser aus höherliegenden Schichten hat zudem den Vorteil, daß in die Einlasse auch in Grundnähe des Gewässers kein Schlamm eingesaugt wird, der die einzelnen Verteiler verschmutzen oder auch verstopfen könnte.

Den gleichen Vorteil erreicht man, wenn die Form des Gehäuses, wie in Fig. 5 gezeigt, rund ist. Die Sauerstoffanreicherung und der Transport des Wassers erfolgt hier wie bei dem ersten Ausführung sbei spiel ohne mechanisch bewegte Teile lediglich durch die Anordnung eines Verteilers 19 am Boden einer jeden zweiten Kammer 17. Das Wasser wird hierbei aus höheren Wasserschichten angesaugt und verläßt das Gehäuse 13· in einer etwa horizontalen Strömung? vgl. die Pfeile.

Selbstverständlich ist es beiraewissen Gewässerformationen möglich, die Vorrichtung zur Bereitstellung des Sauerstoffes, d,.h. den Motor und den Kompressor, auch auf einer anderen Aufnahmevorrichtung als den in den beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendeten Schwimmponton anzuordnen. So kann z.B. bei schmalen Talsperren daran gedacht werden, das Gehäuse am Ufer bzw. an . einer über die Talsperre führenden Brücke mit Stahlseilen zu verankern, an denen von dem am Ufer bzw. an" der Brücke installierten Kompressor die Leitungen zum Einbringen bzw. Abführen des Sauerstoffes zu dem Gehäuse herabgeführt werden. Unbesehen von der Art der Aufnahmevorrichtung gelingt es jedoch mit den hier beschriebenen Belüftungssystemen, einzelne Gewässerschichten auf einfache Weise mit Sauerstoff anzureichern. Konstruktion, Transport und der Einsatz dieser Belüftungssysteme sind dabei denkbar einfach, wobei gleichzeitig eine lange Betriebsdauer erwartet werden kann, da mögliche, beispielsweise durch Abnutzung hervorgerufene Fehlerquellen ausgeschaltet sind.

Patentanspruches

-2o-309884/0694

Claims

- 2ο - 22325U Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 31.5.1972 Gesellschaft mit 7421 beschränkter Haftung BS61 Cz/gö München P atentansprüche

1.) Einrichtung zur Belüftung von Gewässern, insbesondere zur Sauerstoffanreicherung des Hypolimnions in Seen und Talsperren, mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung von Sauerstoff, einer zu einem Einlaß für das anzureichernde Wasser führenden und in einer Vorrichtung zum Einbringen des Sauerstoffes in das anzureichernde Wasser mündenden Versorgungsleitung, wobei der überschüssige Sauerstoff wieder an die Atmosphäre abführbar ist, ferner mit einem Auslaß, aus dem das mit Sauerstoff angereicherte Wasser zur Erzeugung einer etwa horizontalen Strömung im Gewässer austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einer Aufnahmevorrichtung, vorzugsweise einem Schwimmponton (11), für die Vorrichtung (21, 22) zur Bereitstellung des Sauerstoffes und aus einem mit diesem absenkbar verbundenen Gehäuse (13) besteht, das die Vorrichtung (19nj 35; 44) zum Einbringen des Sauerstoffes in das anzureichernde Wasser aufnimmt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß in dem absenkbaren Gehäuse (13) zwischen Ein- und Auslaß (14,15) vorzugsweise mehrere jeweils aneinander grenzende Kammern (17n) in horizontaler Anordnung vorgesehen sind, die jeweils durch abwechselnd einen Durchlaß (18n) im oberen bzw. unteren Bereich der Kammern (17n) freilassende Trennwände (16n) voneinander getrennt sind, daß die Vorrichtung zum Einbringen des Sauerstoffes ein mit zahlreichen feinen

-21-

309884/0694

22325H

öffnungen versehener Verteiler (19n) ist, der zumindest in bzw. vor der an den Einlaß (14) grenzenden ersten Kammer (17,,) angeordnet ist, und daß ferner der überschüssige Sauerstoff zumindest teilweise im Gehäuse (13) oberhalb der Durchlässe (18n) der Trennwände (16n) verbleibt, und daß eine Einrichtung (_%24n, 25n) zur Regelung des Volu^-mens des überschüssigen Sauerstoffes im Gehäuse (13) vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein rundes Gehäuse (13) mit konzentrischen Kammern (17), dessen Einlaß (14) mittig und dessen Auslaß (15) am Umfang des Gehäuses (13) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß am Einlaß

\ (14) vorzugsweise zwei gegeneinander drehende Propeller (33,34) zum Ansaugen des wasserstoffarmen Wassers in das Gehäuse (13) vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (13'') auf seiner dem Schwimmponton (11) abgewandten Unterseite offen ist und an einer seiner unteren Begrenzungskanten einen zu dieser parallel verlaufenden Verteiler (43,44) trägt, aus dem der Sauerstoff in das Gehäuse (13··) etwa parallel zu dessen Unterseite ausblasbar ist, und daß eine Einrichtung (25") vorgesehen ist, mit der das Volumen des sich im oberen Teil des Gehäuses (13··.) ansammelnden überschüssigen Sauerstoffes regelbar ist.

309884/0694

22325H

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß das Gehäuse (13" ) einen sich nach unten erweiternden Querschnitt aufweist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch _v gekennzeichnet , daß das Volumen des überschüssigen Sauerstoffes in Gehäuse (13) derart regelbar ist, daß der Auftrieb des Gehäuses (13) etwagleich dessen v/irksamen Gewicht ist.

8. Einrichtung nach ei.-em der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verteiler (19n;35;44) der Sauerstoff lediglich in der gewünschten Strömlings richtung des anzureichernden Wassers innerhalb des Gehäuses (13) austritt.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß ;"eweils ein Verteiler (19n) ^ ⁿoden einer jeden zyweiten Kammer (17n) angeordnet ist deren dem.Auslaß (15) des Gehäuses (13) zugewandte Trennwand (16n) am oberen Ende einen Durchlaß (18n) aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Kammern (17n) ein Verteiler angeordnet ist.

11. Eilrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Teil des in dem Gehäuse (13) angesammelten überschüssigen Sauerstoffes wiedar dem Verteiler (19n;35; 43,44) zuführbar ist.

309884/0694

22325H

12.. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis Io, da- " " durch gekennzeichnet , daß mehrere Gehäuse miteinander verbunden und übereinander angeordnet sind, und daß zumindest ein Teil des überschüssigen Sauerstoffes in jedem Gehäuse (13) dem Verteiler (19n;35;43,44) des daruberlxegenden Gehäuses (13) zuführbar ist.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (13) bzw. die einzelnen Kammern (17n) durch horizontal verlaufende Netze (48) unterteilt sind.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß vorzugsweise am Auslaß (15) des Gehäuses (13) Ruder (39) zur Steuerung der Bewegungen des Gehäuses (13) in Seite und Höhe vorgesehen sind.

15. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Gehäuse (13'') aus mehreren in ihrer Funktion gleichartigen Baueinheiten (41,42) zusammengesetzt ist.

16. Einrichtung nach' einem der. Ansprüche 2 und 4, dadurch gekenn.zeichnet , daß mehrere Gehäuse jeweils paarweise mit ihrem jeweiligen Einlaß einander zugewendet miteinander verbunden sind.

309884/069/»

Leerseite