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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Behandeln von Wässern, die
eine Flotationszelle umfasst, in welche das Rohwasser eingeführt wird,
das im Vorlauf ausgeflockt und dann mit unter Druck gesetztem Wasser
vermischt und derart entspannt wurde, dass die in dem Rohwasser
in Suspension befindlichen Stoffe durch die Mikrobläschen, die
sich bei der Entspannung bilden, mitgeschleppt und an der Oberfläche der
in der Zelle enthaltenen Flüssigkeit
abgeführt
werden, wobei das behandelte Wasser am Boden der besagten Zelle
abgeführt
wird.
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Eine
Anlage des vorstehend erwähnten
Typs ist bekannt (EP-A-0 659 690), welche einen Ausflockbereich,
einen Bereich zum Mischen des ausgeflockten Rohwassers in aufsteigendem
Strom mit unter Druck gesetztem Wasser, das von einem Druck-Entspannungs-System
geliefert wird, und einen Flotationsbereich umfasst, in dessen oberem
Teil die im Rohwasser in Suspension enthaltenen Stoffe durch die
Mikrobläschen
an die Oberfläche
mitgenommen werden, wobei dieser Flotationsbereich in seinem unteren
Teil mit einer perforierten Ablaufvorrichtung (Zwischenboden mit
oder ohne Düsen,
Sammler, etc...) derart versehen ist, dass die gesamte Fläche des
Flotationsbereiches einen einheitlichen und identischen Strömungsfluss
der geklärten Flüssigkeit
aufweist.
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Ein
Charakteristikum dieser Flotationsvorrichtungen besteht in der Bildung
einer dicken Schicht von Mikrobläschen,
dank deren die Ausflockung in zwei Stadien abläuft, zunächst im Ausflockungsbereich,
dann inmitten der Mikrobläschenschicht
dank der bedeutenden Kontaktmasse der Mikrobläschen, welche außerdem die
Abscheidung der in Suspension befindlichen Stoffe durch Flotation
sicherstellt.
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Eine
der Einschränkungen
bei der Verwendung solcher Anlagen liegt in ihrer Dimensionierung.
Nach „H.
J. KIURI, in einem Artikel mit dem Titel „Development of dissolved
air flottation technology from the first generation to the newest
(third) one (DAF in turbulent flow conditions [Entwicklung der Technologie
der Flotation mit gelöster
Luft von der ersten Generation zur neuesten (dritten) (DAF in turbulenten
Fließbedingungen]", veröffentlicht
in „Water
Science and Technology" Band 43,
N° 8, Seiten
1 bis 7, IWA Publishing 2001, ist eine Grundregel der Dimensionierung
von Flotationszellen, dass das Verhältnis der Tiefe (oder Höhe H) des
Flotationsbereiches, über
dem Abflusssystem angeordnet, geteilt durch die horizontale Länge L zwischen
dem Zulauf des Wassers und der gegenüber liegenden Wand (Verhältnis H/L)
höher als
1 sein soll. Das Einhalten dieser Regel führt zur Konstruktion von sehr
teuren Anlagen mit großer
Höhe.
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Eine
andere Schwierigkeit, die im industriellen Betrieb dieses Anlagentyps
aufgetreten ist, betrifft die Bildung eines Betts oder einer Schicht
von Mikrobläschen
von großer
Höhe in
der Flotationszelle (Höhe
dieser Mikrobläschen-Schicht
oft mehr als 3 Meter).
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Diese
Höhe muss
einerseits größer als
ein Minimalwert sein, um einen guten Abschluss der Ausflockung sicherzustellen,
um die Verbindung zwischen den Mikrobläschen und den Flocken zu optimieren
und auch, um das Auftreten von Koaleszenz oder Agglomeration, die
am Anfang der Größenzunahme
der Mikrobläschen
stehen, und damit das Erhöhen
von deren Aufstiegsgeschwindigkeit (30 bis 60 m/h) zu ermöglichen, und
andererseits muss diese Höhe
begrenzt sein, um die Tiefe (d. h. die Höhe) dieser Anlagen, und damit
deren Kosten, sowie hohe Übersättigungen
mit Gas zu reduzieren. So kommt es, dass eine Höhe von 1,5 m zu einer Übersättigung
von +15% führen
kann, während
eine Höhe
von 4 m eine Übersättigung
von +40% herbeiführen
kann, was einen größeren Nachteil
dann darstellt, wenn die Flotationszelle stromauf eines Bereichs zur
Filtrationsbehandung z. B. durch Sandbett oder Membranen errichtet
ist.
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Faktoren,
die zur Vergrößerung der
Höhe der
Mikrobläschen-Schicht
führen
können,
sind insbesondere die folgenden:
- – eine hydraulische
Speisung schlechter Qualität
(heterogen), die z. B. dazu führt,
dass der Druckerhöhungsgrad
zunimmt, um die Höhe
der Mikrobläschen-Schicht
zu vergrößern, um
diese stabiler zu machen, und
- – eine
bedeutende Länge
der Flotationszelle, die zu großen
Höhen führt (H/L > 1 gemäß dem früheren Stand
der Technik).
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Die
vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einerseits das
Problem der großen,
zum Erhalten der Mikrobläschen-Schicht
benötigten
Tiefe und andererseits das Problem der Stabilität der besagten Mikrobläschen-Schicht
in solchen Behandlungsanlagen zu lösen.
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Folglich
betrifft diese Erfindung eine Anlage zum Reinigen von Wässern, mit
einem Koagulationsbereich, einem Ausflockungsbereich, einem Bereich
zum Mischen von mit Flocken vermischtem Wasser in einem aufsteigenden
Strom mit unter Druck gesetztem Wasser, das von einem Druckaufbau-
und Entspannungssystem als Erzeuger von Mikrobläschen geliefert wird, und mit
einem Flotationsbereich, in dessen oberem Abschnitt die in Suspension
befindlichen Stoffe abgeführt
werden, die durch die Mikrobläschen
an die Oberfläche mitgenommen
werden, wobei dieser Flotationsbereich in seinem unteren Abschnitt
ein Mittel zum Abführen des
geklärten
Wassers umfasst, wobei diese Anlage dadurch gekennzeichnet ist,
dass
- – die
Geometrie des Flotationsbereichs so gestaltet ist, dass das Verhältnis zwischen
der Höhe
des oberhalb des Mittels zum Abführen
des geklärten
Wassers gelegenen Bereichs und der Länge des besagten Bereichs zwischen
0,3 und 1 liegt; und
- – das
Verhältnis
zwischen der Oberfläche
der Wasserschicht am Ausgang des Mischbereichs und der Oberfläche des
eigentlichen Flotationsbereichs zwischen 0,05 und 0,5 und vorzugsweise
zwischen 0,1 und 0,35 liegt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus
der folgenden Beschreibung ergeben, die hiernach unter Bezug auf
die einzige Figur der beigefügten
Zeichnung gegeben wird, die in schematischer Weise eine Ausführungsform
davon zeigt, die als nicht einschränkendes Beispiel angegeben wird.
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Wie
man in der Figur sieht, umfasst die Anlage: einen Koagulationsbereich 1,
in dem das Rohwasser mit einem Koagulans vermischt wird, welches
Koagulans in bestimmten Fällen
stromauf dieses Bereiches eingespritzt werden kann; einen Ausflockbereich 3,
der vom Koagulationsbereich durch ein Ableitsystem 2 getrennt
ist, einen Mischbereich 5, in dem das ausgeflockte Rohwasser,
das durch eine Zulauföffnung 4 geführt wird,
in einem aufsteigenden Strom mit Mikrobläschen vermischt wird, die durch
ein Druck-Entspannungs-System 8 erzeugt werden, und einen
Flotationsbereich 6. Der Flotationsbereich 6 ist
vom Mischbereich 5 durch eine geneigte Leitvorrichtung 11 getrennt.
In diesem Flotationsbereich 6 läuft eine Ansammlung von Mikrobläschen ab,
die in einem Abwärtsstrom
ein dickes Bett oder eine dicke Schicht bilden, wobei die im Rohwasser suspendierten
und von den Mikrobläschen
mitgerissenen Stoffe sich an der Oberfläche 7 ansammeln, um
bei 10 abgezogen zu werden, und das geklärte Wasser
im unteren Teil dieses Flotationsbereiches 6 nach Ablauf durch
einen Zwischenboden 9 oder ein gleichwertiges Mittel, das
das Arbeiten mit großen
Flotations-Geschwindigkeiten erlaubt, entnommen wird.
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Am
Zulauf des Ausflockbereichs 3 wird das Rohwasser durch
das Ableitsystem 2, welches beispielsweise in Form von
durchlaufenden oder gezackten Leitblechen, mit durchlöcherten
und/oder verzweigten Rohren gebildet sein kann, homogen über die
gesamte Breite dieses Bereiches verteilt. Dieses System 2 zum
Ableiten und homogenen Verteilen erlaubt es ggf., eine Beigabe eines
oder mehrerer Produkte wie Ausflockungs-Hilfsstoff(e) zu dem koagulierten
Rohwasser und deren Vermischung mit dem letzteren sicherzustellen,
wobei die eigentliche Ausflockung durch ein statisches System oder
durch horizontale Drehbarrieren sichergestellt wird. Die Kombination
des Verteilsystems 2 und Ausflockern statischer Bauart
oder mit horizontaler Drehachse stellt eine homogene Speisung des
Flotationsbereichs über
dessen gesamte Breite sicher. Die Ausflockung kann auch durch ein
System von mechanischen Rührwerken
mit vertikalen Achsen in Kombination mit kalibrierten Öffnungen
sichergestellt werden, die am Zulauf 4 des Mischbereichs 5 vorgesehen
sind. Diese letztere Vorrichtung erlaubt es, die Flüsse wieder
zu beruhigen und die hydraulischen Verwirbelungen und Drehbewegungen
zu kompensieren, die durch das Rühren
mit vertikaler Achse eingeführt
werden.
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In
dem Mischbereich 5 wird das ausgeflockte Rohwasser mit
Mikrobläschen
vermischt, die inmitten des unter Druck gesetzten Wassers aus dem
Druckbehälter 8 in
einem ausgehend vom Boden des Bereichs aufsteigenden Strom erzeugt
werden, wobei die Entspannung und die Bildung der Mikrobläschen durch
eine Anzahl von Einspritzsystemen für das unter Druck stehende
Wasser sichergestellt werden, die über die gesamte Breite des
Bereichs verteilt sind, wobei diesem aufsteigenden Strom ein absteigender
Strom bis zum Ablaufsystem folgt. Der absteigende Strom hat eine
geringere Geschwindigkeit als die des aufsteigenden Stroms, wobei
die von den Mikrobläschen
mitgerissenen, in Suspension befindlichen Stoffe zum großen Teil beim
Richtungswechsel des Stroms freigesetzt werden und sich bei 7 an
der Oberfläche
des Flotationsbereiches ansammeln.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Höhe
der Mikrobläschen-Schicht
auf Werten von mindestens 1 m bis 1,5 m gehalten, damit man die
Nutzeffekte der Mikrobläschen-Schicht
erhält,
welche die Rolle eines Filters und eines Koaleszenz-Starters dieser letzteren
spielt (die Schicht spielt die Rolle eines Beschleunigers der Aufstiegsgeschwindigkeit
der koaleszierten Mikrobläschen).
Die Höhe
des Flotationsbereiches 6 muss also größer als 1,5 oder 2 Meter sein,
und erfindungsgemäß liegt
das Verhältnis
zwischen der Höhe
(H) des über
dem Ablaufsystem 10 gelegenen Bereichs und der Länge (L)
dieses Bereiches zwischen 0,3 und 1 (0,3 < H/L < 1).
Dieses Merkmal, das im Gegensatz zu den Empfehlungen des Fachmanns
(Seite 1 des Artikels von K. J. KIURU, oben angegeben) steht, erlaubt
es, die Tiefe der Anlage zu beschränken, wobei die Fläche dieser
letzteren konstant bleibt und im allgemeinen einer Behandlungsgeschwindigkeit
(ausgedrückt
in Bezug auf die Fläche
Sp, d. h. die Fläche
des Flotationsbereichs, die der Länge L dieses Bereiches entspricht,
die in der Zeichnung angegeben ist) zwischen 15 und 60 m3/m2·h entspricht,
was eine merkliche Rückwirkung
auf die Baukosten der Anlagen hat. Diese Reduzierung der Tiefe der
Anlagen erlaubt es auch, die Übersättigungen mit
gelöster
Luft und deren Rückwirkungen
stromab der Behandlungskette, insbesondere auf die Sand- und/oder
Membranfilter, zu vermeiden.
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Nach
einem anderen Merkmal dieser Anlage gemäß der Erfindung muss das Verhältnis zwischen
der Oberfläche
Sa der Wasserschicht, die senkrecht zum Auslauf des Mischbereichs 5 gelegen
ist (d. h. die Fläche des
senkrechten Querschnitts, der zwischen dem oberen Rand der geneigten
Leitvorrichtung 11 und der Wasseroberfläche des Flotationsbereichs 6 liegt)
und der Oberfläche
SP des Flotationsbereichs 6 (Oberfläche dieses Bereichs entsprechend
der Länge
L) zwischen 0,05 und 0,5 (0,05 < Sa/Sp < 0,5), und vorzugsweise
zwischen 0,1 und 0,35 liegen (0,1 < Sa/Sp < 0,35). Dieses Merkmal
erlaubt es, eine Bandbreite von Geschwindigkeiten der Wasserschicht
senkrecht zum Ablauf des Mischbereichs derart zu definieren, dass
nicht überschritten
wird:
- – eine
Obergrenze der Geschwindigkeit, über
der einerseits eine allgemeine Drehbewegung erzeugt wird, welche
die Bläschenschicht
im Flotationsbereich 6 verwirbeln und sie mit dem behandelten
Ausfluss mittreiben würde
und andererseits die an der Oberfläche des Flotationsbereichs
gebildete Schlammschicht 7 gravierend abgetragen würde. Man
wird bemerken, dass eine Erhöhung
des Druckgrades, also der Menge der produzierten Mikrobläschen, die
Bläschenschicht
stabilisieren könnte,
einhergehend mit der Folge eines relativ bedeutenden, im Grenzbereich
also mit der durch die Erfindung definierten Anlagengeometrie unverträglichen
Zuwachses von deren Höhe;
- – eine
Untergrenze der Geschwindigkeit, unterhalb deren der turbulente
Strömungszustand
im Flotationsbereich 6 nicht ausreicht, um die Bildung
und die Stabilität
der Mikrobläschen-Schicht
zu gewährleisten, was
eine rasche Verschlechterung der Qualität des behandelten Wassers mit
sich bringt.
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Das
Abführungssystem 9 für das geklärte Wasser
wird von einem mit Perforationen oder mit Löcher aufweisenden Rohren versehenen
Zwischenboden wie in EP-A-0 659 690 beschrieben gebildet, wodurch
ein Widerstand der Strömung
durch diesen Zwischenboden geschaffen wird, der maximal am hinteren
Ende des Flotationsbereichs (Ablaufseite) ist und in Richtung zum
vorderen Ende (Zulaufseite) abnimmt. Dieses Merkmal erlaubt es,
einen turbulenten Strömungszustand
inmitten des Flotationsbereiches herzustellen, was den Erhalt einer
stabilen und genügend dicken
Mikrobläschen-Schicht
begünstigt,
was wiederum eine hohe Behandlungsgeschwindigkeit ermöglicht.
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Diese
Dimensionierungsmerkmale erlauben es in für den Fachmann überraschender
Weise, Behandlungsgeschwindigkeiten zu erreichen, die von 15 bis
60 m/h reichen können,
und dies mit „flachen" Anlagen (Verhältnis H/L
zwischen 0,3 und 1 liegend).
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Aus
der Erfindung ergibt sich eine gewisse Anzahl von Vorteilen, unter
denen man erwähnen
kann:
- – die
Möglichkeit,
Anlagen mit hoher Behandlungskapazität bei begrenzter Höhe zu schaffen.
So ermöglicht es
die Erfindung zum Beispiel, eine Anlage mit einer Länge von
7 m bei einer Höhe
von 3 m (anstelle einer Höhe
von 7 m oder mehr, wie es der frühere
Stand der Technik empfiehlt) auszuführen;
- – die
Höhen-Begrenzung
der Abmessungen der Anlage führt
einerseits zu einer Reduzierung der Baukosten, und andererseits
zu einer Begrenzung der Übersättigungen
mit gelösten
Gasen, die sich abträglich
auf die stromab des Flotationsbereiches liegenden Filtersysteme
auswirken.
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In
dem hiervor erwähnten
Beispiel reduziert die Annahme einer auf 3 m begrenzten Höhe die Übersättigung
des geklärten
Wassers beträchtlich,
da sie nur etwa 30% höher
als das Sättigungsmaß sein kann,
während
sie mit einer Höhe
von 7 m nach dem früheren
Stand der Technik 70% erreichen kann.
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Hiernach
werden zwei Anwendungsbeispiele angegeben, die dazu bestimmt sind,
das Interesse an der erfindungsgemäßen Auswahl eines Verhältnisses
Sa (Fläche
der Wasserschicht in der Senkrechten des Ablaufs aus dem Mischbereich 5)
geteilt durch die Fläche
Sp des Flotationsbereiches 6 (d. h. die Fläche des Abführungssystems 9)
in dem Bereich zwischen 0,05 und 0,5 hervorzuheben.
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Diese
Beispiele wurden an einer Piloteinheit durchgeführt, die einen Koagulator,
einen Ausflocker des statischen Typs und eine Flotationszelle mit
einer Zwischenbodenlänge
(L) von 2,50 m und einer Höhe
(H) über dem
Zwischenboden (Abführungssystem 9)
von 3,6 m umfasst. Die Höhe
der Wasserschicht über
dem Mischbereich (Ha) war variabel zwischen 0,07 m und 1,50 m. Die
Behandlungsgeschwindigkeit lag bei 35 m3/m2·h. Die
Piloteinheit umfasste außerdem
einen Druck- (mit
5·105 Pa) und Entspannungskreislauf, der es ermöglichte,
einen Druckwasserstrom zwischen 10 und 20% des behandelten Produkts
einzuspeisen. Um eine hydraulische Verwirbelung zu simulieren, konnte
der Zulauf 4 des Flotationsbereiches teilweise versperrt
werden, und bei Versuchen wurden 50% des Durchlasses neutralisiert.
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Diese
Versuche wurden an einem wenig belasteten Flusswasser durchgeführt. Der
Zulaufstrom wurde geregelt, um eine Geschwindigkeit auf dem Zwischenboden 9 von
40 m/h zu erhalten.
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Die
Zielsetzungen dieser Versuche waren, die hydraulischen Bedingungen,
die notwendig zum Bilden und für
die Stabilität
der Mikrobläschen-Schicht
sind, und die Bedingungen für
die minimale Höhe
dieser Mikrobläschen-Schicht
zu untersuchen, um deren Stabilität zu erhalten.
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Die
beiden untersuchten Haupt-Parameter waren die Höhe der Wasserschicht über dem
höchsten Punkt
des Mischbereiches und die Homogenität oder Inhomogenität der Verteilung
stromauf dieses Bereiches. Der optimale Prozentsatz oder Anteil
von unter Druck stehendem Wasser liegt bei etwa 10%, und um die
Stabilisierung zu erhalten, wurde er auf 15 und 20% erhöht.
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Die
Qualitätskriterien
sind die Bildung der Mikrobläschen-Schicht,
deren Höhe
und schließlich
die Qualität
des flottierten Wassers, die hier durch die Trübung in NTU (nephelometrische
[Streulicht-]Trübungs-Einheit)
ausgedrückt.
Wenn die Trübung
geringer als 2 NTU ist, wird sie als annehmbar angesehen, und wenn
sie geringer als 1 NTU ist, kann sie als ausgezeichnet betrachtet
werden.
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Die
erhaltenen Ergebnisse wurden in Form zweier Tabellen hiernach genauer
dargestellt.
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Die
erste Tabelle stellt die auf das Beispiel 1 bezogenen Ergebnisse
dar, und sie zeigt den Einfluss der Geschwindigkeit der Wasserschicht
am Auslauf des Mischbereiches 5 (wobei dieser Auslauf einer
Wasserschicht mit einer Höhe
Ha und einer Fläche
Sa entspricht) auf die Stabilität
der Bläschen-Schicht
und auf die Trübung
des behandelten Wassers.
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Die
zweite Tabelle stellt die beim Ausführen des zweiten Beispiels
erzielten Ergebnisse dar, und sie hebt den Einfluss der Homogenität der Verteilung
stromauf des Mischbereiches 5 für ein Verhältnis Sa/Sp gleich 0,15 hervor.
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Erste
Versuchsreihe Einfluss
der Geschwindigkeit am Auslauf des Mischbereiches
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Die
Ergebnisse dieser Versuche erlauben es, die folgenden Schlüsse vorzutragen:
- – eine
zu hohe Geschwindigkeit im Querschnitt der Höhe Ha bei kleinem Verhältnis Sa/Sp
hat die Neigung, die Mikrobläschen-Schicht
stark zu verwirbeln und dadurch deren Stabilisierung und folglich
ihre Ausbildung zu behindern. Jedoch ist es möglich, durch Erhöhen der
Druckaufbaurate dieser Bewegung entgegenzuwirken und eine Bläschenschicht
zu erhalten. So war es mit einer Rate von 15% möglich, die Bläschenschicht
zu stabilisieren (4. und 6. Fall der vorstehenden Tabelle), aber
unter Inkaufnahme einer bedeuteten Vergrößerung dieser Mikrobläschen-Schicht
(jeweils 3,3 m und 2,3 m anstelle von 1,5 m);
- – eine
zu geringe Geschwindigkeit bei großem Verhältnis Sa/Sp (10. Fall der Tabelle)
führt nicht
zu der erforderlichen Verwirbelung, der turbulente Strömungszustand
wird nicht erreicht und die Bläschenschicht kann
sich nicht bilden. Ein Überschuss
an Luft ist hier wirkungslos;
- – Die
korrekten Verhältnisse
Sa/Sp liegen in dem Bandbereich zwischen 0,05 und 0,5 und erlauben
es, eine Bläschenschicht
von begrenzter Höhe
zu erhalten (Verhältnis
H/L < 1). Außerhalb
dieser Bandbreite wird die Bläschenschicht
nicht ausgebildet, oder die Höhe
der Bläschenschicht
ist zu groß.
Im 4. Fall der Tabelle: Höhe
der Schicht 3,3 m (also H/L = 1,32).
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In
der zweiten Versuchsreihe, deren Ergebnisse in der nachfolgenden
Tabelle angegeben sind, wurde das Verhältnis Sa/Sp von 0,15 konstant
gehalten. Zwei Versuche wurden ausgeführt, der eine mit einer homogenen
Einspeisung, die durch ein Leitsystem am Zulauf des Ausflockungsbereichs
und eine statische Ausflockung sichergestellt wurde, der andere,
indem 50% des Zulaufs 4 der Flotationszelle neutralisiert
wurden (niedrige Speisung der Flotationszelle).
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Zweite
Versuchsreihe: Einfluss
der Verteilungs-Homogenität
stromauf des Mischbereiches.
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Die
von diesen Versuchen erbrachten Ergebnisse erlauben es, die folgenden
Schlüsse
vorzutragen:
- – eine nicht auf der Breite
der Flotationszelle homogene Speisung erlaubt es nicht immer, eine
Bläschenschicht
auszubilden.
- – Im
vorliegenden Fall musste die Druckaufbaurate erhöht werden. Die Höhe der Bläschenschicht
ist dann bedeutend, hier 3,1 m, und das Verhältnis H/L der Flotationszelle
wäre höher als
1, und
- – eine
homogene Einspeisung ist notwendig zum Erhalten einer Bläschenschicht
von geringer Höhe.
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Es
bleibt wohlverstanden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die hiervor beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist,
sondern dass sie alle deren Abwandlungen umfasst.
