DE2404198A1 - Verfahren und vorrichtung zur belueftung von abwasser - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur belueftung von abwasserInfo
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Description
Dr. F. Zumsteln sen. - Dr Ξ. Assr^ani ι
Dr. R. Koenlgsberger - Dlpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.
POSTSCHECKKONTO:
MÜNCHEN 91139-809. BLZ 70010080
BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHÄUSER
KTO.-NR. 397997. BLZ 70030600
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.
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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-A-
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/
''Scnnxtt
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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.
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.
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)
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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AO
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