DE2404198A1 - Verfahren und vorrichtung zur belueftung von abwasser - Google Patents

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Dr. F. Zumsteln sen. - Dr Ξ. Assr^ani ι Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

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STAMICARBON B.V., GKLKEN (Niederlande) Verfahren und Vorrichtung zur Belüftung von Abwasser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belüftung von Abwasser, indem man das Wasser, das sich in einem Becken befindet und Belebtschlamm in Suspensionsform enthalt, mit mehreren umlaufenden Wasserstrahlen belüftet, welche von einer gewisse Höhe aus und unter einem Winkel dem Becken zugeführt werden und das Wasser in diesem Becken in einer Zirkulationsbewegung halten.

Bei der aeroben Reinigung von Abwasser sind zwei gegenseitig zusammenhangende Probleme von besonderer Bedeutung. So muss mit einem minimalen Energieaufwand die für die aeroben Prozesse erforderliche Menge an molekularem Sauerstoff, z.B.. in Form von Luftsauerstoff, in das zu behandelnde Wasser eingebracht werden. Ferner soll Mikroorganismen enthaltender Aktivschlamm gleichfalls mit minimalem Energieaufwand in Suspension gehalten werden, auch wenn der Sauerstoffeintrag durch eine verringerte Belastung der Reinigungsanlage herabgesetzt werden muss.

Es ist bereits bekannt, dass Luft mit Hilfe eines Wasserstrahls unter Anwendung eines oder mehrerer Ejektoren in dem in einem Reaktionsgefäss befindlichen Wasser dispergiert wird. Die Luft wird dabei in einer schrägen.Richtung unterhalb des FlUssigkeitsspxegels verspritzt.

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Ausserdera ist ein Verfahren bekannt, bei dem man Wasserstrahlen in senkrechter Richtung, unter Anwendung eines geringen Drucks und mit niedriger Fallhöhe der Oberflache des Wassers in einem Becken zuführt und die mitgefUhrte Luft im Wasser dispergiert.

Mit beiden Verfahren ist es möglich, das Wasser zu belüften und den im Wasser befindlichen Feststoff in Suspension zu halten. Einsatz dieser Verfahren in biologischen Abwasserreinigungsanlagen bringt aber für beide Nachteile mit sich. Beim erstgenannten Verfahren wird infolge der hohen Wassergeschwindigkeiten ein Abrieb des Schlamms auftreten; beim zweiten Verfahren wird bei einigermassen grosser Tiefe des Beckens die suspendierende Funktion der Wasserstrahlen nicht mehr effektiv sein. Der Belebtschlamm sinkt zu Boden und wird dem Reinigungsprozess vorzeitig entzogen.

Es ist ein Verfahren bekannt, in dem ein Propeller als vorwärtstreibendes Mittel die suspendierende Wirkung übernimmt und mehrere unter einem Winkel zur FlUssigkeitsoberflache und von gewisser Höhe aus zugefUhrte Wasserstrählen die Sauerstoffexntragsfunktion erfüllen. Unter einem Winkel von etwa 60° zur Wasseroberfläche zeigen die Wasserstrahlen einen optimalen Lufteintrag. Bei einem solchen Winkel haben die Wasserstrahlen zwar eine gewisse vorwärtstreibende Wirkung, diese ist aber besonders bei den üblichen langgedehnten ringförmigen Gräben unzureichend, so dass stets ein Propeller notwendig ist, der für eine ausreichende Strömung des Wassers Sorge trägt. Der Energieaufwand einer solchen Vorrichtung ist dadurch relativ hoch.

Geraäss anderen bereits bekannten Vorschlägen sind Sauerstoffeintrag-

und Schlammsuspendierungsfunktion in einer Vorrichtung vereint. Beispiele

ins
sind teilweise>• Wasser ragende waagerechte oder senkrechte Bürsten mit verschiedenen Arten von Kreiselbeiuftern.

Mit keiner der bekannten Vorrichtungen lässt sich auf einfache oder in energetischer Hinsicht günstige Weise eine gute Belüftung in Kombination mit einer wirksamen Suspendierung des Feststoffs in der zu behandelnden Flüssigkeit verwirklichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nunmehr, diese Nachteile auf einfache Weise zu beseitigen. Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird dieses Problem gelöst, wenn man Abwasser, das sich in einem Becken befindet und Belebtschlamm in Suspensionsform enthält, mit einigen umlaufende. Wasserstrahlen belüftet, welche von einer gewissen Höhe aus und unter einem

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Winkel dem Becken zugeführt werden und die das Wasser im Becken in einer Zirkulationsbewegung halten. Die Erfindung wird nunmehr dadurch gekennzeichnet, dass man das Becken auf jeder Höhe nahezu dieselbe Form zeigt und dass man die Wasserstrahlen unter einem Winkel von nicht mehr als 60°, vorzugsweise zwischen 10° und 20° und einer Ausströmungsgeschwindigkeit von 3 bis 12 m je see. auf die Wasseroberfläche des Reaktionsgefasses auftreffen lasst, wobei die waagerechte Komponente der Tangente wenigstens annäherend mit der Hauptströmungsrichtung im Berührungspunkt zusammenfallt. Das Becken hat vorzugsweise einen regelmassig vieleckigen, runden oder elliptischen horizontalen Querschnitt.

Es wurde nunmehr gefunden, dass durch Anwendung mehrerer Massnahraen, welche an sich schon bekannt sind, jede für sich jedoch nicht zum gewünschten Resultat führen, die Kombination zwischen Sauerstoffeintrag- und der Schlammsuspendierungsfunktion durchaus ausfuhrbar ist. Dabei ist der Energieaufwand bei gleichem Reinigungsergebnis niedriger als bei den bekannten Verfahren. Unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden suspendierenden Wirkung, welche wiederum mit der Strömungsgeschwindigkeit im Becken zusammenhangt, ist,ein Wirkungsgrad des Sauerstoffeintrags erreichbar, ausgedrückt in kg 0„ je kWh Leistungsaufwand, der zumindest anderthalb mal so gross ist als bei den bisher üblichen effektiven Kreiselbelüftern. Verglichen mit den sehr gebräuchlichen Bürsten ist der Unterschied noch grosser, gleiches gilt für die bisher üblichen Systeme mit getrennten Sauerstoffeinbring- und Schlammsuspendierungsfunktionen. Der Energieaufwand ist hier sowohl dem zum Einbringen des molekularen Sauerstoffs als zur Suspendierung des Belebtschlamms benötigten Energieaufwand gleichzusetzen.

Die Wasserstrahlen verlassen Oberhalb der Wasseroberflache des Beckens die Ausströmungsöffnungen und bilden einen gewissen Winkel zur Wasseroberflache. Die Grosse des Sauerstoffeintrags wird durch diesen Winkel bedingt und lässt sich durch Einstellung des Stands der Ausströmungsöffnungen regeln. Gute Resultate liegen vor bei einem Winkel zwischen 0 und 45° .; optimale Ergebnisse sind bei einer Winkeleinstellung von 10° bis 20° erreichbar. Grössere Winkel, bis etwa 60° sind anwendbar, bewirken aber bei Anwendung der obengenannten Kombination von Massnahmen einen Rückgang des Wirkungsgrads .

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Die Suspendierung des Belebtschlamms und die im wesentlichen kreisförmige Bewegung des Wassers im Becken wird ausschliesslich durch den von den Wasserstrahlen ausgehenden Impuls verursacht und zwar infolge der waagerechten und senkrechten Komponenten, die vom genannten Impuls hergeleitet werden können. Die besten Ergebnisse werden durch die Verwendung runder Becken erzielt, in denen die Reibungsverluste minimal sind. Im Zusammenhang damit empfiehlt es sich, die Ausströmungsgeschwindigkeit der Wasserstrahlen zwischen etwa 4 bis 8 m pro see einzustellen.

Beim erfindungsgemässen Verfahren lasst sich, trotz der Kombination der Sauerstoffeintrag- und Schlammsuspendierungsfunktionen in einer einzigen Vorrichtung, über den vorhin genannten regelbaren Winkel die Grosse des Sauerstoffeintrags unabhängig von dem erzeugten Impuls regeln. Dies ist von Bedeutung, weil sich in der Reinigungsanlage Schwankungen in der Belastung mit biologisch oxydierbarem Material nicht vermeiden lassen. Das erfindungsgemSsse Verfahren bietet im allgemeinen eine gute Variationsmöglichkeit und eine flexibele Anpassung an wechselnde Reaktionsbedingungen.

Je grosser die Oberfläche des Reaktionsgefässes unter Beibehaltung der Form umso deutlicher die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens. Die anzustrebende Verringerung des gesamten Energieaufwands gegenüber den bekannten Verfahren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Das erfindungsgemässe Verfahren ist somit von besonderem Vorteil bei grosstechnischer Reinigung von Abwassern, z.B. in Gefassen mit einem Inhalt von Über 3000 m^.

Abfuhrung des umlaufenden Wassers aus dem Gefäss erfolgt vorzugsweise Über eine Ansaugung nahe der Wand, wodurch komplizierte Leitungssysteme mit Krümmern vermieden werden. Der hydrodynamische Widerstand der Saugleitung ist bei der vorgeschlagenen AusfUhrungsform äusserst gering. Auch kann das Wasser auf gleiche Weise in der Mitte des Gefässes emporgesaugt werden.

Das zu behandelnde Wasser wird vorzugsweise durch die Saugleitung der Umlaufpumpe zugeführt.

Je höher die Au.strittsgeschwindigkeit der Wasserstrahlen umso niedriger die Investitionskosten fUr eine Anlage von bestimmter Kapazität. Der Energieaufwand nimmt aber zu, so dass es ein wirtschaftliches Optimum für diese Geschwindigkeiten gibt, bei dem einem ausreichenden Lufteintrag

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sowie einer genügenden Wasserzirkulation Rechnung zu tragen ist. Dieses Optimum liegt zwischen 3 und 12 m/sec. Bei einem Winkel zwischen Wasserstrahl und Wasseroberfläche von 15° ist somit ein Wirkungsgrad des Sauerstoffeintrags von zumindest 3,1 kg O₀ je kWh Leistungsaufwand erreichbar. Bei bekannten Verfahren, welche für Grossanlagen anwendbar sind, steigt dieser Wirkungsgrad meistens nicht über 2,1 oftmals sogar nicht Über 1,8 kg O₂ je kWh hinaus.

Beiliegende'Figuren zeigen eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht der erfindungsgemässen Vorrichtung; Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung von Fig. 1; Fig. 3 eine abgeänderte Ausfuhrungsform des vorliegenden Verfahrens, und

Fig. 4 einen Schnitt durch die Vorrichtung von Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht eines Belüftungsbeckens

mit elliptischer Formgebung. . - :·.-. - -

Fig. 1 zeigt ein rundes Belüftungsbecken 1, über dem einander gegenüber zwei Zufuhrungsrohre für umlaufendes Wasser 2 und 3 angebracht sind. ■ Es ist selbstverständlich möglich, dass nur ein Rohr anwesend ist, es können aber auch drei oder mehr Rohre vorgesehen sein. Die Rohre liegen vorzugsweise in gleichen Winkelabständen voneinander. Die Leitungen 4 und 5 dienen Zur Zu- und Abfuhrung des zu behandelnden, bzw. behandelten Abwassers. Vr bezeichnet die Hauptströmungsrichtung im Becken. Die Rohre 2 und 3 werden mit einem in der Figur schematisch angegebenen Pumpenaggregat gespeist. Jedes der Rohre 2 und 3 enthält eine Reihe von Ausströmungsraitteln 6, welche annäherend tangential zum Becken angeordnet sind. Die äussereh Ausströmungsraittel 6 liegen in einiger Entfernung von der Beckenwand, damit unnötige Reibungsverluste vermieden werden. Diese Ausströmungsmittel 6 sind derart angebracht, dass die austretenden Wasserstrahlen einen Winkel von z.B. etwa 20° zur Wasseroberfläche im Becken bilden.

Die Ausströmungsmittel 6 können auf die übliche Weise aus Rohrstutzen bestehen; bevorzugt aber werden öffnungen in den Zuflussrohren 2 und Mit Hilfe von öffnungen lassen sich die Energieverluste noch weiter verringern.

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Die Zufuhrung des zu behandelnden Wassers zum Becken durch die Leitung 4 erfolgt vorzugsweise im Wirkungsbereich des Umlaufpumpenaggragats, und zwar zur Vermeidung einer direkten Vermischung sauerstoffarmen Abwassers mit dem Wasser im Becken.

Fig. 2 zeigt im senkrechten Schnitt die Vorrichtung gemass Figur 1 und zwar gemass der Linie I-I. Rohr 2 wird von Trägern 8 und 9 unterstutzt. Über eine Flanschverbindung ist am Rohr 2 an der Seite der Behälterwand 1 ein Rohrkrümmer 14 mit Einströmungsöffnung 10 angeschlossen. Über diesem Teil ist eine Pumpe 11 vorgesehen, mit deren Hilfe Wasser aus dem Behalter 1 angesaugt und unter Druck durch 2 und die Ausströmungsmittel 6 gepresst wird. Auf diese Weise entstehen die Wasserstrahlen. Ein Motor 13 treibt Über einen Verzögerungsmechanismus 12 die Pumpe 11 an. Um Abrieb des Belebtschlamms zu vermeiden, beträgt die Umfangsgeschwindigkeit des Propellers maximal etwa 25 m/sec. Die Pumpe befindet sich in der Nähe des Beckenrands, was eine widerstandfähige, billige und leicht für Unterhaltarbeiten zugängliche Konstruktion ermöglicht. Ausserdem kann ein guter Reinigungseffekt erzielt werden.

Die Pumpenenergie kann je nach Bedarf durch Öffnen oder Schliessen der Auss^römungsöffnungen, durch einen anderen Stand der Propellerschaufel, durch Regelung ' der Drehzahl u. dergl. variiert werden.

Fig. 2A zeigt ein Speiseleitungssystem 2A mit unter einem Winkel verstellbaren AustrittsOffnungen, sowie ein Beispiel einer Winkelbeziehung zwischen der Richtung des Wasserstrahls und der Oberfläche des-Wassers an der Stelle, wo der Wasserstrahl auf die Oberfläche auftrifft. Wie ersichtlich« umfasst die Speiseleitung 2Aein fest angeordnetes Innenrohr 100 mit --." einer verhältnismässig grossen Öffnung in seiner Wandung und ein Aussenrohr 104 mit Austrittsöffnungen 6A Das Aussenrohr 104 greift gleitend um das Innenrohr 100 und ist drehbar zu diesem Innenrohr angeordnet. In der Ausfuhrungsforra verlaufen die Achsen der Austrittsöffnungen 6A parallel zur Wasseroberfläche und der Winkel, unter dem der Wasserstrahl auf die Oberfläche auf trifft, beträgt etwa 30°· Die waagerechte Komponente des Wasserstrahls im Berührungspunkt verläuft im wesentlichen tangential d.h. parallel zu der kreisförmigen Hauptströmungsrichtung der Wassermasse in diesem Punkt, wie aus Fig. 2,- 2A ersichtlich.

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Bei der Ausfuhrungsform der Figuren 1, 2 und 2A stösst die Strömung im Becken auf einen nur verhältnismässig geringen Widerstand, wenn die Wasserstrahlen tangential gerichtet sind, so dass die horizontalen Komponenten dieser Strahlen dort, wo die Wasserstrahlen die Wasseroberflache des Beckens berühren, mit den horizontalen Komponenten der dann entstehenden, im wesentlichen horizontal gerichteten Zirkulationsströmung zusammenfallen. Bei der ausgesprochen gunstigen hydrodynamischer Form des Beckens sind die Reibungsverluste dann minimal. Durch ein solches Richten der Wasserstrahlen wird ausserdem erreicht, dass die Konzentration der in das Becken eingeschlagenen Luftblasen überall etwa gleich gross ist, wordurch eine etwaige Lufthebewirkung unterdruckt, die Verweilzeit der Luftblasen im Wasser verlängert und somit eine grössere Sauerstoffmenge gelöst wird.

Die zur Durchfuhrung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung in Form eines Beckens, Über dem sich ein ZufUhrungsrohr mit mehreren, unter einem Winkel zur FlUssigkeitsoberflache angeordneten Ausströmungsmittel fur das zuruckzuwälzende Wasser befinden, wird deshalb dadurch gekennzeichnet,'dass das Becken ein regelmassig gebildetes vieleckiges Reaktionsgefäss mit mehr als drei Ecken ist, das auf jeder Höhe nahezu dieselbe Form aufweist, wahrend der Winkel, den die Ausströmungsmittel zur Waagerechte* bilden, zwischen 0 und 45° einstellbar ist, und die Vorrichtung zum ZurUckfUhrung des Wassers derart bemessen ist, dass die Austrittsgeschwindigkeit des umlaufenden Wassers aus den Ausströmungsmitteln 3 bis 12 in je see. betragen kann und die Ausströmungsmittel derart angeordnet sind, dass deren Achse annulierend mit der Hauptströmungsrichtung im Gefäss an dem Berührungspunkt zusammenfallt.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Fig. 4 zeigt im Senkrechtschnitt die Vorrichtung gemäss Figur 3, parallel zu der kurzen Seite. Das Becken 31 ist hier in waagerechtem Schnitt rechteckig ausgebildet. Die Hauptströmungsrichtung Vr ist eine in der senkrechten Ebene parallel zu der genannten kurzen Seite verlaufende Zirkulationsbewegung. Oberhalb des Beckens befindet sich eine Vorrichtung 32, mit deren Hilfe Wasser emporgesaugt und in Form von Wasserstrahlen wieder in das Becken zurückgebracht wird. Diese Vorrichtung entspricht den in den entsprechenden Figuren 1 und 2 gezeichneten Vorrichtungen. Gemäss Figur 3 ist der Wasserbehälter im senkrechten/

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,einem^
halbkreisförmig rnitVRalbmesser R und auf diesem Halbkreis 34 ein Viereck 33 mit SeitenyU uh3 Σ&.. Eine solche Konstruktion ist ziemlich einfach, und ausserdem ist der hydrodynamische Widerstand nur gering.

Figur 5 zeigt eine elliptische Ausfuhrungsform eines Belüf tungsbeckens , zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Experimente zur Bestimmung des Sauerstoffeintrag-Wirkungsgrads

Die Probeaufstellung besteht aus einem runden Becken mit einem Durchmesser von 125 cm. Die Höhe der Wasserm engBbeträgt 110 cm. Aus dem Becken wird mit Hilfe einer Umlaufpumpe kontinuierlich Wasser gesaugt, wonach dieses Wasser Über eine 21 mm grosse Ausströmungsöffnung, die - 15 cm von der Beckenwand entfernt und 10 cm über der Wasseroberfläche gelegen ist. in /eines tangential gerichteten Wasserstrahls zurückgeführt wird. Der Winkel zwischen Wasserstrahl und Wasseroberflache beträgt 15°, die Ausströmungsgeschwindigkeit ist ν . Die Wassertemperatur während der Versuche beträgt 18-21 ⁰C; die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Becken . 20-35 cm/sec. Diese Geschwindigkeit reicht dazu aus, den Belebtschlamm in Suspension zu halten.

Bei einer Aus.strOmungsgeschwindigkeit ν von 5,6 m/sec wird ein Sauerstoffeintrag-Wirkungsgrad von 2,7 kg O₂ je kWh Leistungsaufwand erzielt. Bei einem v. von 4,2 m/sec beläuft sich der Wirkungsgrad des Sauerstoffeintrags auf 3,1 kg 0„ je kWh.

Zugleich finden Experimente statt, bei dem der Winkel zwischen

Wasserstrahl und Wasseroberfläche 60° statt 15° beträgt. Bei einem ν -Wert

von 6,3 m/sec ist nun der Sauerstoffeintrag-Wirkungsgrad 1,8 kg 0« je kWh und einem ν -Wert von 4,3 m/sec 2,2 kg 0 je kWh.

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Claims (4)

ANSPRÜCHE Π :

1.1 Verfahren zum Belüften von Abwasser, indem man das Wasser, das sich in einem Becken (1) befindet und Belebtschlamm in Susperisionsforra enthält, mit mehreren umlaufenden Wasserstrahlen belüftet, welche von einer .gewissen Hohe aus und unter einem Winkel dem Becken zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das als Reaktionsgefäss verwendete Becken (1) eine ■ regelmässig gebildete vieleckige, runde oder elliptische» Form aufweist die auf jeder Höhe nahezu dieselbe Form aufweist und die Wasserstrahlen unter einem Winkel von nicht mehr als 60°, vorzugsweise zwischen 10° und 20°, mit einer Ausströmungsgeschwindigkeit von 3 bis 12 m, vorzugsweise von etwa 4 bis etwa 8m, je see auf die Wasseroberflache des Reaktionsgefasses auftreffen lässt, wobei die waagerechte Komponente der Tangente wenigstens annäherend mit der Hauptströmungsrichtung im Berührungspunkt zusammenfällt.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, bestehend aus einem Becken (1), über dem sich ein Zuflussrohr (2, 3) mit mehreren unter einem Winkel zur FlUssigkeitsoberfläche angeordneten Ausströmungsmitteln (6) für das zurückzuführende Wasser befindet, dadurch gekenn- zeichnet, dass das als Reaktionsgefäss verwendete Becken (1) eine regelmässig gebildete? vieleckige^· runde: oder elliptische Form aufweist, die auf jeder Höhe nahezu dieselbe Form aufweist, während der Winkel, den die Ausströmungsmittel (6) zur Waagerechte^ bilden,.zwischen 0° und 60° einstellbar ist, und die Vorrichtung zum Zurückwalzen des Wassers derart bemessen ist, dass die Austrittsgeschwxndigkeit des umlaufenden Wassers aus den Ausströmungsmitteln (6) 3 bis 12 m, vorzugsweise von etwa 4 bis etwa 8 m, je see. betragen kann und die Ausströmungsmittel derart angeordnet sind, dass deren Achse annäherend mit der Hauptströmungsrichtung (Vr) im Gefäss am Berührungspunkt zusammenfällt.

3. Vorrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei

den Ausströmungsmitteln 6 um Öffnungen in den Aufgaberohren 2 und 3 handelt.

4. Vorrichtung, gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein senkrechter Schnitt des mit Abwasser gefüllten Teils des Reaktionsgefasses durch die Kombination eines Vierecks 33 mit Seiten R und 2R und eines Halbkreises mit Halbmesser R gebildet wird.

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