WO2004101123A1 - Vorrichtung und verfahren zum einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem medium in flüssigmedium - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem medium in flüssigmedium Download PDF

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Andreas Schmid
Wolfgang Geier
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    • B01F25/312533—Constructional characteristics of the diverging discharge conduit or barrel, e.g. with zones of changing conicity

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for introducing gaseous and / or liquid medium into liquid medium.
  • gaseous medium in liquid medium is an essential process step, especially in biological processes.
  • wastewater containing microorganisms in settling tanks is such a liquid medium, into which air or oxygen is preferably introduced as the gaseous medium.
  • air or oxygen is preferably introduced as the gaseous medium.
  • the air or oxygen introduced into the wastewater in the clarifier forms bubbles there that rise to the surface of the wastewater. Oxygen diffuses from the air or oxygen bubbles into the wastewater, but a considerable part of the oxygen escapes unused into the atmosphere.
  • the feed point of the air or oxygen can be arranged near the bottom of the clarifier, so that the oxygen bubbles have to travel a long way to the surface of the waste water, which improves the mass transfer of the oxygen into the waste water.
  • the mass transfer is also improved if the smallest possible gas bubbles are generated because small gas bubbles have a high volume-specific surface and remain in the liquid medium for longer.
  • a disadvantage is that the conventional methods, based on the effective entry of gas, usually air, in wastewater, for example, require a high amount of energy, so that as a rule 70% of the electricity consumption of a sewage treatment plant has to be used for the entry of air.
  • liquid medium which may contain, for example, flocculants and / or precipitants
  • the object of the present invention is to provide a device and a method for introducing gaseous and / or liquid medium into liquid medium which avoids these disadvantages.
  • this object is achieved with a device for introducing gaseous and / or liquid medium into liquid medium with a
  • Pipe system solved in which the pipe system has at least a first pipe section and a second pipe section and a constriction arranged between the first and second pipe sections, the constriction being designed as a cavitation nozzle, the second pipe section being connected to a supply for the gaseous and / or liquid medium and the device can be connected to a device for conveying the liquid medium through the piping system.
  • the object on which the invention is based is further achieved by a method for introducing gaseous and / or liquid medium into liquid medium, in which the liquid medium is supplied through a pipe system, the at least one first pipe section and a second pipe section and one arranged between the first and the second pipe section Cavitation nozzle has, is passed through with a sufficient flow rate, so that in the second pipe section downstream forms a vapor jacket from vaporized liquid medium from the cavitation nozzle between the pipe wall and the liquid medium and the gaseous and / or liquid medium is introduced into this vapor jacket.
  • a pipeline system with at least a first pipeline section and a second pipeline section with a constriction between the first and the second pipeline section, which as
  • Cavitation nozzle is formed, used with a supply connected to the second pipe section for a gaseous and / or liquid medium for introducing the gaseous and / or liquid medium into the liquid medium.
  • the liquid medium is passed through the pipeline system at a sufficient flow rate so that a vapor jacket of vaporized liquid medium is formed in the second pipeline section downstream of the cavitation nozzle between the pipeline wall and the liquid medium, into which the gaseous and / or liquid medium is introduced.
  • Cavitation is the effect of the formation of vapor bubbles on profiles in a liquid medium. Individual vapor bubbles form in the low pressure area on the top of the profile when the vapor pressure of the liquid medium is reached there. After the vapor bubbles have been transported to the rear edge of the profile, at which a high pressure is developed, the vapor bubbles collapse. When the flow velocity of the profile increases, stronger cavitation effects occur until a coherent layer of vapor is finally formed. By further increasing the inflow velocity, the cavitation layer can extend beyond the rear edge of the inflow profile. This phenomenon is called super cavitation. This means that the liquid medium evaporates as it flows through the cavitation nozzle to form a steam jacket and thus from supercavitation along the inner wall of the second pipe section.
  • This vapor jacket made of liquid medium has a negative pressure compared to atmospheric pressure.
  • gaseous and / or liquid medium preferably self-sucking, is introduced into the steam jacket from a supply for gaseous and / or liquid medium connected to the second pipeline section.
  • the gaseous and / or liquid medium to be introduced into the steam jacket from evaporated liquid medium must therefore be extremely advantageously not under excess pressure.
  • the gaseous medium can be a mixture of several gases, e.g. Air is.
  • the gas component contained in the gaseous medium and to be introduced into the liquid medium has a comparatively high partial pressure compared to the partial pressure of the same gas component in the vapor of the liquid medium, it is assumed that a partial pressure equalization takes place by diffusion of this gas component from the gaseous medium into the vapor of the liquid medium ,
  • the liquid medium is a wastewater to be purified in a biological clarifier and the gas component to be introduced is oxygen
  • the gaseous medium can be ambient air.
  • Liquid media that can be introduced into the steam jacket are, for example, flocculants, for example dissolved polymers, and / or precipitants, for example aluminum sulfate or iron (III) sulfate.
  • flocculants for example dissolved polymers
  • precipitants for example aluminum sulfate or iron (III) sulfate.
  • the liquid medium is introduced into the steam jacket - in particular when it emerges from the second pipe section and after the collapse Cavitation - a highly turbulent mixing with the liquid medium, for example the wastewater to be treated.
  • the device according to the invention or the method according to the invention an extremely efficient and uniform introduction and distribution of the liquid medium, for example a flocculant and / or precipitant, into or in the waste water is therefore possible.
  • the liquid medium for example a flocculant and / or precipitant
  • the feed for the gaseous and / or liquid medium in the second pipe section is advantageously arranged at a distance from the cavitation nozzle.
  • the feed is preferably arranged essentially vertically to the longitudinal axis of the second pipe section.
  • the feed for the gaseous and / or liquid medium further preferably encompasses the second pipeline section along the circumference of the second pipeline section, the second pipeline section having openings in the connection area for feeding in the gaseous and / or liquid medium.
  • openings are preferably arranged at a uniform distance from one another, which enable a preferably radial feed of gaseous and / or liquid medium into the steam jacket.
  • a uniform introduction of gaseous and / or liquid medium into the steam jacket is thus possible.
  • the efficiency of the method according to the invention or the device according to the invention can be increased.
  • the feed is arranged in an area in which the second pipe section has a substantially constant pipe diameter.
  • the gaseous medium preferably air, and / or liquid medium is supplied when an essentially stable and preferably essentially closed steam jacket, more preferably closed steam jacket, has formed in the second pipe section.
  • the device according to the invention can also have more than one feed for gaseous and / or liquid medium, for example two or three feeds.
  • gaseous medium for example air or pure oxygen
  • liquid medium for example flocculant and / or precipitant
  • the liquid medium can also be introduced in the first feed and the gaseous medium in the second feed into the second pipe section.
  • the cavitation nozzle is advantageously detachably connected to the first pipe section and the second pipe section.
  • the cavitation nozzle can therefore be exchanged for another cavitation nozzle with a larger or smaller diameter at the narrowest point of the nozzle passage or for a cavitation nozzle with a different nozzle geometry.
  • the cavitation nozzle can also be unsolvable with the first and second
  • Pipe section to be connected For example.
  • the cavitation nozzle and the first and second pipe sections can be formed as a one-piece casting.
  • the device according to the invention can thus be easily adapted to the respective conditions of use by exchanging the cavitation nozzle, for example to the nature or viscosity of the liquid medium, e.g. Waste water in a biological clarifier.
  • the cavitation nozzle for example to the nature or viscosity of the liquid medium, e.g. Waste water in a biological clarifier.
  • Liquid medium has an increased solids content.
  • This proportion of solids can also be expanded sludge, floating sludge, activated sludge or a mixed biocoenosis in a clarifier.
  • This swelling or swimming mud can contain flaky and filamentous microorganisms.
  • the solids content in the wastewater can also be of a different nature.
  • the cavitation nozzle preferably has the geometry analogous to a Laval nozzle.
  • the length of the second pipe section can be variably adjusted.
  • the duration of action of the supercavitation on the liquid medium to be treated can be controlled over the length of the second pipe section.
  • the mass transfer from the gaseous medium, for example oxygen, into the liquid medium can be controlled.
  • the inside diameter of the first pipeline section on the upstream side in front of the cavitation nozzle is larger than the inside diameter of the second pipeline section after the cavitation nozzle.
  • the ratio of the inside diameter of the first pipe section and the inside diameter of the second pipe section is preferably approximately 5: 1 to approximately 1.2: 1, more preferably approximately 3: 1 to approximately 1.5: 1, even more preferably 2: 1.
  • the cavitation nozzle can comprise a section with a converging and diverging inside diameter, the section with a converging inside diameter being arranged on the upstream side and the section with a diverging inside diameter being arranged on the downstream side.
  • the length of the section with a converging inside diameter is advantageously shorter than the length of the section with a diverging inside diameter.
  • the device for conveying the liquid medium is a pump.
  • the pump can be submerged in one Be arranged shaft. In this way, any gas bubbles entrained in the liquid medium can be separated off. It has been shown that it is advantageous for the formation of supercavitation if entrained gas bubbles are separated from the liquid medium before being passed through the cavitation nozzle.
  • the pump for connection to the first pipeline section has a sliding flange which can be pivoted about the longitudinal axis, i.e. a device that makes it possible to adjust the angle enclosed between the longitudinal axis of the piping system and the surface of the liquid medium.
  • a directional system can be arranged, which forms the emerging liquid medium flow.
  • the inner wall of the directional system is advantageously designed as a surface of revolution with an increasing inner diameter.
  • the surface line for generating the surface of revolution can be designed as a straight line or as a continuous curve.
  • the method according to the invention for introducing gaseous medium into liquid medium can be carried out in such a way that the liquid medium is passed through such a flow rate through a pipeline system which has an at least first pipeline section and a second pipeline section and a cavitation nozzle arranged between the first and the second pipeline section that a preferably closed or gapless vapor jacket of vaporized liquid medium is formed in the second pipe section downstream of the cavitation nozzle between the pipe wall and the liquid medium as a result of supercavitation, and the gaseous and / or liquid medium is introduced into this steam jacket.
  • a pipeline system which has an at least first pipeline section and a second pipeline section and a cavitation nozzle arranged between the first and the second pipeline section that a preferably closed or gapless vapor jacket of vaporized liquid medium is formed in the second pipe section downstream of the cavitation nozzle between the pipe wall and the liquid medium as a result of supercavitation, and the gaseous and / or liquid medium is introduced into this steam jacket.
  • the duration of the cavitation ie the length of the steam jacket, can be adjustable over the length of the second pipe section arranged downstream of the cavitation nozzle.
  • the steam jacket preferably envelops the liquid medium essentially concentrically, preferably concentrically.
  • gaseous and / or liquid medium is under excess pressure. Rather, the gaseous and / or liquid medium can be introduced into the steam jacket in a self-priming manner. An effective and energetically favorable introduction of gaseous medium, preferably air, and / or liquid medium into the formed steam jacket is therefore possible.
  • the pipeline system is advantageously arranged submerged in the liquid medium.
  • the gaseous medium is air and the liquid medium is preferably biological wastewater
  • Waste water containing microorganisms it is preferred to arrange the pipe system at a shallow depth below the surface of the waste water.
  • a very effective mass transfer takes place, for example of oxygen from the air introduced into the liquid medium.
  • the method according to the invention is surprisingly characterized in that the oxygen transfer from the air introduced into the liquid medium, preferably wastewater containing microorganisms, is greater than 60%, preferably greater than 80%, even more preferably greater than 90%. An almost complete oxygen transfer from the air into the liquid medium is extremely preferred.
  • the gas emerging from the device according to the invention can or is almost free of oxygen, the oxygen dissolved in the waste water can diffuse again into the air bubbles rising to the surface of the waste water.
  • the gas emerging from the device according to the invention can essentially only contain nitrogen and noble gases.
  • the device according to the invention is arranged at a shallow depth, the path of the escaping gas to the surface is short. In this respect, a substantial depletion of the oxygen-enriched liquid medium, preferably waste water, is largely avoided.
  • the immersion depth for an air or oxygen entry is usually 3 to 4 m. According to the invention, it is preferred to choose an immersion depth of approximately 0.5 m to 2 m, preferably approximately 1 m to 1.5 m.
  • the pump for connection to the first pipeline section has the sliding flange which has already been described and can be pivoted about the longitudinal axis. In this way it is possible at any time to set the angle enclosed between the longitudinal axis of the piping system and the surface of the liquid medium.
  • the liquid medium is preferably at least partially freed of entrained or contained gas bubbles before being introduced into the pipeline system.
  • the liquid medium can advantageously be conveyed from a submerged shaft.
  • the Reynolds number which depends on the viscosity, the flow rate and the geometry of the pipeline, is advantageously at least 100,000, preferably at least 250,000, more preferably at least 500,000, when passing through the cavitation nozzle at the narrowest nozzle diameter.
  • Any liquid that is to be enriched with a gas component and / or mixed with a liquid medium is suitable as the liquid medium.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can also be used, for example, to increase the oxygen content of standing water, for example of ponds or fish tanks.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a piping system according to the invention
  • 2 shows a schematic view of an exemplary embodiment
  • Fig. 3 is an oxygen and power consumption diagram of an embodiment
  • FIG. 1 is a pipeline system 10 with a first pipeline section 12, a cavitation nozzle 14, which has a constriction 16, and a second pipeline section 18, which in a biological sewage treatment plant for introducing air or oxygen into the organic components contaminated and revitalized by microorganisms 20 is used.
  • the flow direction of the waste water 20a flowing through the piping system 10 (in the
  • a feed 30 for air 32 is arranged in the second pipeline section 18 at a distance from the cavitation nozzle 14 vertically to its longitudinal axis.
  • the feed 30 is connected to the second pipe section 14 in an area in which it has a constant diameter.
  • the flow-side end of the second pipe section 18 is connected to a directional system 40, the inner wall of which is designed as a surface of revolution with increasing diameter.
  • the axis of rotation of the jacket line generating the surface of revolution is aligned with the longitudinal axis of the second pipe section 18.
  • the jacket line is designed as a continuous curve which merges tangentially into the cylindrical second pipe section 18.
  • the emerging wastewater stream is shaped in this way.
  • the directional system is not necessary.
  • the device according to the invention can also be used without the directional system 40.
  • a homogeneous steam jacket 22 envelops the flowing waste water 20a up to the flow-side end of the second pipe section 18, which forms a tear-off edge, after which the cavitation suddenly collapses and leads to the formation of finely dispersed gas bubbles.
  • the flowing waste water 20a in the vicinity of the tear-off edge and behind the tear-off edge is predominantly penetrated by gas bubbles 34.
  • the pipeline system 10 is completely immersed in waste water 20b, which is grayed out in the illustration.
  • the waste water 20b as shown in more detail in FIG. 2, is sucked in by a pump 50 and leaves it as flowing waste water 20a.
  • the pump 50 is arranged in a submerged shaft 52. Waste water 20b flows into the shaft 52 from a region near the surface (denoted by the arrows 20 "). In the submerged shaft 52, air bubbles entrained or enclosed in the waste water can at least partially be separated off.
  • the device shown in Fig. 1 can also be used to introduce liquid
  • the outlet of the pump 50 designed as a submersible pump is connected to the inlet of a sliding flange 54 which extends horizontally through the vertical wall of the shaft 52.
  • the output of the sliding flange 54 is connected to a pipe section 56.
  • the tube piece 56 is closed at its end opposite the exit of the sliding flange 54 with a plate 56a, on which an unequal-angle right-angled angle lever 58 can be arranged.
  • the short leg of the angle lever 58 is fixedly connected to the plate 56a, the longitudinal axes of the tube piece 56 and the short leg of the angle lever 58 being aligned with one another.
  • a handle 58a can be arranged above the waste water surface. In this way, the pipe section 56 arranged on the sliding flange 54 can be pivoted about its longitudinal axis, identified by a double arrow 56 '.
  • an angle lever 58 is not necessary.
  • the device according to the invention can also be designed without an angle lever 58.
  • Perpendicular to the longitudinal axis of the pipe section 56 for example, two pipe systems 10, as described above in FIG. 1, can be arranged at an angle 60, in the illustrated embodiment of approximately 30 °. Of course, only one pipe system 10 or three, four or more pipe systems 10 can also be arranged.
  • the inlets of the piping systems 10 penetrate the pipe section 56.
  • the angle enclosed between the longitudinal axes of the piping systems 10 and the wastewater surface can be set so that it is approximately 10 ° greater than the setting angle determined by experiment for the optimal propagation length of the oxygen input.
  • the setting angle can be changed at any time by means of the angle lever 58 and can thus be adapted to changing operating conditions.
  • the air supply 30 can be designed as a rigid tube of suitable length or as a bendable tube, for example as a metal or plastic hose, so is dimensioned that its entrance is always arranged above the wastewater surface.
  • the outlet of the air supply is fork-shaped from two pipe sections which are connected to the pipe systems 10 in the manner shown in FIG. 1 and penetrate the wall of their second pipe sections.
  • FIG. 3 shows a diagram which compares the parameters of pure oxygen consumption in m 3 / day and power consumption in kWh of a ventilation device according to the prior art and a ventilation device according to the invention. It can be seen from FIG. 3 that the average pure oxygen consumption has dropped from approx. 1,200 m 3 / day to approx. 500 m 3 / day, the power consumption only increasing by approx. 7%. However, this representation does not take into account the energy consumption for pure oxygen production, which has a significant influence on the overall energy balance. The method according to the invention consequently, as shown in this example, significantly improves the efficiency of the introduction of oxygen into the wastewater. The daily pure oxygen requirement decreased by approx. 60%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium mit einem Rohrleitungssystem (10), bei der das Rohrleitungssystem (10) wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt (12) und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) und eine zwischen dem ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitt (12, 18) angeordnete Verengung aufweist, wobei die Verengung als Kavitationsdüse (14) ausgebildet, der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) mit einer Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium verbunden ist und die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums durch das Rohrleitungssystem (10) verbindbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium.
Das Einbringen von gasförmigem Medium in Flüssigmedium ist insbesondere bei biologischen Prozessen ein wesentlicher Verfahrensschritt. Beispielsweise ist Mikroorganismen-haltiges Abwasser in Klärbecken ein solches Flüssigmedium, in das vorzugsweise Luft oder Sauerstoff als gasförmiges Medium eingebracht wird. Auf diese Weise werden für die zum Abbau von im Abwasser enthaltenen organischen Bestandteilen eingesetzten Mikroorganismen optimale Lebensbedingungen geschaffen. Die in das Abwasser im Klärbecken eingeleitete Luft bzw. der Sauerstoff bilden dort Blasen, die zur Oberfläche des Abwassers aufsteigen. Dabei diffundiert zwar Sauerstoff aus den Luft- bzw. Sauerstoffblasen in das Abwasser, doch ein beträchtlicher Teil des Sauerstoffs entweicht ungenutzt in die Atmosphäre. Zur Verbesserung der Effizienz des Sauerstoffeintrags kann der Einspeisungsort der Luft bzw. des Sauerstoffs in Bodennähe des Klärbeckens angeordnet werden, so dass die Sauerstoffbläschen eine große Wegstrecke zur Oberfläche des Abwassers zurücklegen müssen, wodurch die Stoffübergang des Sauerstoffs in das Abwasser verbessert wird.
Der Stoffübergang wird auch verbessert, wenn möglichst kleine Gasblasen erzeugt werden, weil kleine Gasblasen eine hohe volumenspezifische Oberfläche aufweisen und länger im Flüssigmedium verweilen. Von Nachteil ist, dass die herkömmlichen Verfahren, bezogen auf den effektiven Eintrag von Gas, üblicherweise Luft, in beispielsweise Abwasser einen hohen Energieaufwand erfordern, so dass in der Regel 70% des Stromverbrauchs einer Kläranlage für den Lufteintrag aufgewandt werden muss.
Bei biologischen Kläranlagen besteht im Stand der Technik weiterhin das Problem, flüssiges Medium, das beispielsweise Flockungsmittel und/oder Fällungsmittel enthalten kann, effizient und gleichmäßig in das zu klärende Abwasser einzubringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium anzugeben, das diese Nachteile vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium mit einem
Rohrleitungssystem gelöst, bei der das Rohrleitungssystem wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt und eine zwischen dem ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Verengung aufweist, wobei die Verengung als Kavitationsdüse ausgebildet, der zweite Rohrleitungsabschnitt mit einer Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium verbunden ist und die Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums durch das Rohrleitungssystem verbindbar ist.
Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 20 angegeben.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium gelöst, bei dem das Flüssigmedium durch ein Rohrleitungssystem, das wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Kavitationsdüse aufweist, mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit durchgeleitet wird, so dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt abströmseitig von der Kavitationsdüse zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium ein Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet und in diesen Dampfmantel das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen 22 bis 35 angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Rohrleitungssystem mit wenigstens einem ersten Rohrleitungsabschnitt und einem zweiten Rohrleitungsabschnitt mit einer Verengung zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt, die als
Kavitationsdüse ausgebildet ist, mit einer mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt verbundenen Zuführung für ein gasförmiges und/oder flüssiges Medium zum Einbringen des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums in das Flüssigmedium verwendet. Dabei wird das Flüssigmedium mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohrleitungssystem durchgeleitet, so dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt abströmseitig von der Kavitationsdüse zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium ein Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet, in den das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.
In dem erzeugten Dampfmantel entsteht Kavitation bzw. Superkavitation.
Als Kavitation wird der Effekt der Ausbildung von Dampfblasen an umströmten Profilen in einem Flüssigmedium bezeichnet. Dabei entstehen im Niedrigdruckgebiet auf der Oberseite des Profils einzelne Dampfblasen, wenn dort der Dampfdruck des Flüssigmediums erreicht ist. Nach dem Transport der Dampfblasen zur Hinterkante des Profils, an der ein hoher Druck ausgebildet ist, kollabieren die Dampfblasen. Bei Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit des Profils treten stärkere Kavitationseffekte auf, bis sich schließlich eine zusammenhängende Dampfschicht ausbildet. Durch weitere Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit kann sich die Kavitationsschicht bis jenseits der Hinterkante des angeströmten Profils erstrecken. Dieses Phänomen wird als Superkavitation bezeichnet. Das heißt, das Flüssigmedium verdampft beim Durchströmen der Kavitationsdüse unter Ausbildung eines Dampfmantels und mithin von Superkavitation entlang der Innenwandung des zweiten Rohrleitungsabschnitts. Dieser Dampfmantel aus Flüssigmedium weist gegenüber dem atmosphärischen Druck einen Unterdruck auf. Infolgedessen wird aus einer mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt verbundenen Zuführung für gasförmiges und/oder flüssiges Medium in den Dampfmantel gasförmiges und/oder flüssiges Medium, vorzugsweise selbstsaugend, eingetragen.
Das in den Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium einzutragende gasförmige und/oder flüssige Medium muß mithin äußerst vorteilhaft nicht unter Überdruck stehen.
Das gasförmige Medium kann ein Gemisch aus mehreren Gasen sein, wie es z.B. Luft ist. Wenn in diesem Fall die im gasförmigen Medium enthaltene und in das Flüssigmedium einzubringende Gaskomponente einen vergleichsweise hohem Partialdruck gegenüber dem Partialdruck der gleichen Gaskomponente im Dampf des Flüssigmediums aufweist, wird vermutet, daß ein Partialdruckausgleich durch Diffusion dieser Gaskomponente vom gasförmigen Medium in den Dampf des Flüssigmediums erfolgt.
Bei einem bevorzugten Beispiel, bei dem das Flüssigmedium ein zu reinigendes Abwasser in einem biologischen Klärbecken und die einzubringende Gaskomponente Sauerstoff ist, ist es vorteilhafterweise bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig, als gasförmiges Medium Reinsauerstoff zu verwenden. Vielmehr kann das gasförmige Medium Umgebungsluft sein.
Flüssige Medien, die in den Dampfmantel eingebracht werden können, sind beispielsweise Flockungsmittel, beispielsweise gelöste Polymere, und/oder Fällungsmittel, beispielsweise Aluminiumsulfat oder Eisen(lll)sulfat. Nach
Einbringung des flüssigen Mediums in den Dampfmantel erfolgt - insbesondere beim Austritt aus dem zweiten Rohrleitungsabschnitt und nach Zusammenbrechen der Kavitation - eine hochturbulente Durchmischung mit dem Flüssigmedium, beispielsweise dem zu klärenden Abwasser.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ist mithin eine äußerst effiziente und gleichmäßige Einbringung und Verteilung des flüssigen Mediums, beispielsweise eines Flockungs- und/oder Fällungsmittels, in das bzw. in dem Abwasser möglich.
Vorteilhafterweise ist die Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium im zweiten Rohrleitungsabschnitt von der Kavitationsdüse beabstandet angeordnet. Vorzugsweise ist die Zuführung im wesentlichen vertikal zur Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts angeordnet.
Weiter bevorzugt umgreift die Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium den zweiten Rohrleitungsabschnitt entlang des Umfangs des zweiten Rohrleitungsabschnitts, wobei der zweite Rohrleitungsabschnitt im Verbindungsbereich Durchbrechungen zur Einspeisung des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums aufweist.
In dem Verbindungsbereich zwischen Zuführung für das gasförmige und/oder flüssige Medium und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt sind vorzugsweise in gleichmäßigem Abstand voneinander Öffnungen, beispielsweise Schlitze, angeordnet, die eine vorzugsweise radiale Einspeisung von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in den Dampfmantel ermöglichen. Somit ist eine gleichmäßige Einbringung von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in den Dampfmantel möglich. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführung in einem Bereich angeordnet, in dem der zweite Rohrleitungsabschnitt einen im wesentlichen konstanten Rohrleitungsdurchmesser aufweist. Bei dieser bevorzugten Variante wird das gasförmige Medium, vorzugsweise Luft, und/oder flüssige Medium zugeführt, wenn sich ein im wesentlichen stabiler und vorzugsweise im wesentlichen geschlossener Dampfmantel, weiter vorzugsweise geschlossener Dampfmantel, in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt ausgebildet hat.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als eine Zuführung für gasförmiges und/oder flüssiges Medium, beispielsweise zwei oder drei Zuführungen aufweisen. Beispielsweise kann in einer ersten Zuführung gasförmiges Medium, beispielsweise Luft oder Reinsauerstoff, und in einer am zweiten Rohrleitungsabschnitt stromabwärts angeordneten zweiten Zuführung flüssiges Medium, beispielsweise Flockungs- und/oder Fällungsmittel, in den Dampfmantel eingebracht werden. Selbstverständlich kann auch in der ersten Zuführung das flüssige Medium und in der zweiten Zuführung das gasförmige Medium in den zweiten Rohrleitungsabschnitt eingebracht werden.
Vorteilhafterweise ist die Kavitationsdüse mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt lösbar verbunden. Die Kavitationsdüse kann mithin gegen eine andere Kavitationsdüse mit größerem oder kleinerem Durchmesser an der engsten Stelle des Düsendurchgangs oder gegen eine Kavitationsdüse mit einer anderen Düsengeometrie ausgetauscht werden.
Die Kavitationsdüse kann aber auch unlösbar mit dem ersten und zweiten
Rohrleitungsabschnitt verbunden sein. Bspw. können die Kavitationsdüse und der erste und zweite Rohrleitungsabschnitt als einstückiges Gußteil ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch einen Austausch der Kavitationsdüse somit ohne weiteres an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden, beispielsweise an die Beschaffenheit oder Viskosität des Flüssigmediums, z.B. Abwasser in einem biologischen Klärbecken.
Eine Kavitationsdüse mit größerem Durchmesser an der Stelle des engsten Düsendurchmessers kann von Vorteil sein, wenn das zu behandelnde
Flüssigmedium einen erhöhten Feststoffanteil aufweist. Dieser Feststoffanteil kann beispielsweise auch Blähschlamm, Schwimmschlamm, Belebtschlamm oder eine Mischbiozönose in einem Klärbecken sein. Dieser Bläh- oder Schwimmschlamm kann flockenbildende und fädige Mikroorganismen enthalten. Der Feststoffanteil im Abwasser kann aber auch anderer Natur sein.
Die Kavitationsdüse weist vorzugsweise die Geometrie analog einer Lavaldüse auf.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Länge des zweiten Rohrleitungsabschnitts variabel einstellbar ist. Über die Länge des zweiten Rohrleitungsabschnitts kann die Einwirkdauer der Superkavitation auf das zu behandelnde Flüssigmedium gesteuert werden. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise der Stoffübergang aus dem gasförmigen Medium, beispielsweise von Sauerstoff, in das Flüssigmedium gesteuert werden.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Innendurchmesser des ersten Rohrleitungsabschnitts anströmseitig vor der Kavitationsdüse größer ist als der Innendurchmesser des zweiten Rohrleitungsabschnitts nach der Kavitationsdüse. Bevorzugt beträgt das Verhältnis des Innendurchmessers des ersten Rohrleitungsabschnitts und des Innendurchmessers des zweiten Rohrleitungsabschnitts etwa 5:1 bis etwa 1 ,2:1 , weiter bevorzugt etwa 3:1 bis etwa 1 ,5:1 , noch weiter bevorzugt 2:1.
Es hat sich gezeigt, daß bei den vorstehend angegebenen Verhältnissen der Innendurchmesser des ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitts die gewünschte Superkavitation ohne weiteres erzeugbar ist.
Die Kavitationsdüse kann einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfassen, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums eine Pumpe ist. Dabei kann die Pumpe in einem getauchten Schacht angeordnet sein. Auf diese Weise können im Flüssigmedium gegebenenfalls mitgeführte Gasblasen abgetrennt werden. Es hat sich gezeigt, daß es für die Ausbildung der Superkavitation von Vorteil ist, wenn mitgeführte Gasblasen vor der Durchleitung durch die Kavitationsdüse von dem Flüssigmedium abgetrennt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die Pumpe zur Verbindung mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt einen um die Längsachse verschwenkbaren Gleitflansch aufweist, d.h. eine Einrichtung, die es ermöglicht, den zwischen der Längsachse des Rohrleitungssystems und der Oberfläche des Flüssigmediums eingeschlossenen Winkel einzustellen.
Am abströmseitigen Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts kann ein Richtungssystem angeordnet sein, das den austretenden Flüssigmediumstrom formt. Die Innenwandung des Richtungssystems ist vorteilhafterweise als Rotationsfläche mit zunehmendem Innendurchmesser ausgebildet. Dabei kann die Mantellinie zur Erzeugung der Rotationsfläche als Gerade oder als stetige Kurve ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einbringen von gasförmigem Medium in Flüssigmedium kann so durchgeführt werden, dass das Flüssigmedium durch ein Rohrleitungssystem, das einen wenigstens ersten Rohrleitungsabschnitt und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Kavitationsdüse aufweist, mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit durchgeleitet wird, dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt abströmseitig von der Kavitationsdüse zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium infolge Superkavitation ein vorzugsweise geschlossener oder lückenloser Dampfmantel aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet und in diesen Dampfmantel das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.
Dabei kann die Dauer der Kavitation, d.h. die Längenerstreckung des Dampfmantels über die Länge des abströmseitig nach der Kavitationsdüse angeordneten zweiten Rohrleitungsabschnitts einstellbar sein. Vorzugsweise umhüllt der Dampfmantel das Flüssigmedium im wesentlichen konzentrisch, vorzugsweise konzentrisch.
Es ist für das erfindungsgemäße Verfahren nicht erforderlich, dass das gasförmige und/oder flüssige Medium unter Überdruck steht. Vielmehr kann das gasförmige und/oder flüssige Medium selbstansaugend in den Dampfmantel eingebracht werden. Mithin ist eine wirksame und energetisch günstige Einbringung von gasförmigem Medium, vorzugsweise Luft, und/oder flüssigem Medium in den ausgebildetem Dampfmantel möglich.
Vorteilhafterweise ist das Rohrleitungssystem in dem Flüssigmedium untergetaucht angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der das gasförmige Medium Luft und das Flüssigmedium biologisch zu klärendes Abwasser, vorzugsweise
Mikroorganismen-haltiges Abwasser ist, ist es bevorzugt, das Rohrleitungssystem in geringer Tiefe unter der Oberfläche des Abwassers anzuordnen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein sehr effektiver Stoffübergang, beispielsweise von Sauerstoff aus eingetragener Luft in das Flüssigmedium.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist überraschenderweise dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffübergang aus der eingebrachten Luft in das Flüssigmedium, vorzugsweise Mikroorganismen-haltiges Abwasser, größer als 60%, bevorzugt größer als 80%, noch weiter bevorzugt größer als 90% ist. Äußerst bevorzugt erfolgt ein nahezu vollständiger Sauerstoffübergang aus der Luft in das Flüssigmedium.
Es wird vermutet, daß infolge der Superkavitation bereits im Dampfmantel ein sehr effektiver Sauerstoffübergang stattfindet.
Da das aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung austretende Gas nahezu sauerstofffrei sein kann oder ist, kann der im Abwasser gelöste Sauerstoff wieder in die zur Oberfläche des Abwassers aufsteigenden Luftblasen diffundieren. Bei Verwendung von Luft als eingetragenem gasförmigem Medium kann das aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung austretende Gas im wesentlichen nur noch Stickstoff und Edelgase enthalten.
Bei Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in geringer Tiefe ist der Weg des austretenden Gases bis zur Oberfläche kurz. Insofern wird eine wesentliche Abreicherung des mit Sauerstoff angereicherten Flüssigmediums, vorzugsweise Abwasser, weitgehend vermieden.
Im Unterschied dazu ist es bei der herkömmlichen Sauerstoffeinspeisung von Vorteil, wenn der Sauerstoff am Boden des Klärbeckens eingebracht wird, so dass die Sauerstoffbläschen einen langen Weg bis zur Oberfläche des Abwassers zurücklegen müssen. Bei herkömmlichen Verfahren beträgt die Eintauchtiefe für einen Luft- oder Sauerstoffeintrag üblicherweise 3 bis 4 m. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, eine Eintauchtiefe von etwa 0,5 m bis 2 m, vorzugsweise etwa 1 m bis 1 ,5 m, zu wählen.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Pumpe zur Verbindung mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt den bereits beschriebenen um die Längsachse verschwenkbaren Gleitflansch aufweist. Auf diese Weise ist es jederzeit möglich, den zwischen der Längsachse des Rohrleitungssystems und der Oberfläche des Flüssigmediums eingeschlossenen Winkel einzustellen.
Vorzugsweise wird das Flüssigmedium vor dem Einbringen in das Rohrleitungssystem wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit. Vorteilhafterweise kann dazu das Flüssigmedium aus einem getauchten Schacht gefördert werden.
Vorteilhafterweise beträgt die Reynoldszahl, die von der Viskosität, der Strömungsgeschwindigkeit und der Geometrie der Rohrleitung abhängt, beim Durchgang durch die Kavitationsdüse am engsten Düsendurchmesser wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000. Als Flüssigmedium kommt jede Flüssigkeit in Frage, die mit einer Gaskomponente angereichert und/oder mit einem flüssigem Medium versetzt werden soll.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung können beispielsweise auch zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts von stehenden Gewässern, beispielsweise von Teichen oder Fischbecken, verwendet werden.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rohrleitungssystems; Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 ein Sauerstoff- und Strom-Verbrauch-Diagramms eines Ausführungsbeispiels
Bei der schematischen Darstellung in Fig. 1 handelt es sich um ein Rohrleitungssystem 10 mit einem ersten Rohrleitungsabschnitt 12, einer Kavitationsdüse 14, die eine Verengung 16 aufweist, und einem zweiten Rohrleitungsabschnitt 18, das in einer biologischen Abwasserkläranlage zum Einbringen von Luft oder Sauerstoff in mit organischen Bestandteilen belastetem und von Mikroorganismen belebtem Abwasser 20 eingesetzt ist. Die Strömungsrichtung des durch das Rohrleitungssystem 10 strömenden Abwassers 20a (in der
Darstellung grau hinterlegt) ist mit einem Pfeil 20' gekennzeichnet. Eine Zuführung 30 für Luft 32, deren Strömungsrichtung mit einem Pfeil 32' bezeichnet ist, ist im zweiten Rohrleitungsabschnitt 18 vertikal zu dessen Längsachse von der Kavitationsdüse 14 beabstandet angeordnet. Dabei ist die Zuführung 30 mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt 14 in einem Bereich verbunden, in dem dieser einen konstanten Durchmesser aufweist. Das strömungsseitige Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts 18 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Richtungssystem 40 verbunden, dessen Innenwandung als Rotationsfläche mit zunehmendem Durchmesser ausgebildet ist. Dabei fluchtet die Rotationsachse der die Rotationsfläche erzeugendenden Mantellinie mit der Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts 18. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mantellinie als stetige Kurve ausgebildet, die tangential in den zylinderförmigen zweiten Rohrleitungsabschnitt 18 übergeht. Auf diese Weise wird der austretende Abwasserstrom geformt.
Das Richtungssystem ist jedoch nicht notwendig. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch ohne das Richtungssystem 40 verwendet werden.
Infoige des Superkavitationseffekts umhüllt hinter der Verengung 16 ein homogener Dampfmantel 22 das strömende Abwasser 20a bis zum strömungsseitigen Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts 18, das eine Abrisskante bildet, wonach die Kavitation schlagartig zusammenbricht und zur Entstehung feindispergierter Gasblasen führt. Infolgedessen ist das strömende Abwasser 20a in der Umgebung der Abrisskante und hinter der Abrisskante vorwiegend von Gasblasen 34 durchsetzt.
Das Rohrleitungssystem 10 ist vollständig in Abwasser 20b eingetaucht, das in der Darstellung grau hinterlegt ist. Das Abwasser 20b wird, wie in Fig. 2 näher dargestellt, von einer Pumpe 50 angesaugt und verlässt diese als strömendes Abwasser 20a. Die Pumpe 50 ist in einem getauchten Schacht 52 angeordnet. In den Schacht 52 strömt Abwasser 20b aus einem oberflächennahen Bereich nach (mit den Pfeilen 20" bezeichnet). In dem getauchten Schacht 52 können im Abwasser mitgeführte oder eingeschlossene Luftblasen wenigstens teilweise abgetrennt werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann auch zur Einbringung von flüssigem
Medium, beispielweise von Flockungs- und/oder Fällungsmittel verwendet werden. In diesem Fall kommt es kaum zur Entstehung von Gasblasen beim Austritt des Abwassers 20b aus dem zweiten Rohrleitungsabschnitt 18. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist der Ausgang der als Tauchpumpe ausgebildeten Pumpe 50 mit dem Eingang eines Gleitflansches 54 verbunden, der die vertikale Wandung des Schachtes 52 horizontal durchgreift. Der Ausgang des Gleitflansches 54 ist mit einem Rohrstück 56 verbunden. Das Rohrstück 56 ist an seinem dem Ausgang des Gleitflansches 54 gegenüberliegenden Ende mit einer Platte 56a verschlossen, an der ein ungleichschenkliger rechtwinkliger Winkelhebel 58 angeordnet sein kann. Der kurze Schenkel des Winkelhebels 58 ist bei dieser Ausführungsform mit der Platte 56a fest verbunden, wobei die Längsachsen des Rohrstücks 56 und des kurzen Schenkels des Winkelhebels 58 miteinander fluchten. Am Ende des langen Schenkels des Winkelhebels 58 kann oberhalb der Abwasseroberfläche ein Griffstück 58a angeordnet sein. Auf diese Weise kann das am Gleitflansch 54 angeordnete Rohrstück 56 um seine Längsachse verschwenkt werden, gekennzeichnet durch einen Doppelpfeil 56'.
Die Anordnung eines Winkelhebels 58 ist jedoch nicht erforderlich. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch ohne Winkelhebel 58 ausgebildet sein.
Senkrecht zur Längsachse des Rohrstücks 56 können beispielsweise zwei Rohrleitungssysteme 10, wie in Fig. 1 vorstehend beschrieben, unter einem Winkel 60, im dargestellten Ausführungsbeispiel von ca. 30°, angeordnet sein. Selbstverständlich kann auch nur ein Rohrleitungssystem 10 oder können aber auch drei, vier oder mehr Rohrleitungssysteme 10 angeordnet sein. Dabei durchdringen die Eingänge der Rohrleitungssysteme 10 das Rohrstück 56. Der zwischen den Längsachsen der Rohrleitungssysteme 10 und der Abwasseroberfläche eingeschlossene Winkel kann so eingestellt sein, dass er um ca. 10° größer ist als der durch Versuch ermittelte Einstellwinkel für die optimale Ausbreitungslänge des Sauerstoffeintrags. Vorteilhafterweise kann der Einstellwinkel mittels des Winkelhebels 58 jederzeit verändert werden und so wechselnden Betriebsbedingungen angepasst werden.
Die Luftzuführung 30 kann als ein starres Rohr geeigneter Länge oder als ein biegbares Rohr, z.B. als Metall- oder Kunststoffschlauch, ausgebildet sein, das so dimensioniert ist, dass sein Eingang stets über der Abwasseroberfläche angeordnet ist. Der Ausgang der Luftzuführung ist gabelförmig aus zwei Rohrstücken ausgebildet, die in der in Fig. 1 dargestellten Weise mit den Rohrleitungssystemen 10 verbunden sind und die Wandung von deren zweiten Rohrleitungsabschnitte durchdringen.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Parameter Reinsauerstoffverbrauch in m3/Tag und Stromverbrauch in kWh einer Belüftungsvorrichtung nach dem Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Belüftungseinrichtung miteinander vergleicht. Dabei ist aus Fig. 3 zu erkennen, dass der durchschnittliche Reinsauerstoffverbrauch von ca. 1.200 m3/Tag auf ca. 500 m3/Tag gesunken ist, wobei der Stromverbrauch lediglich um etwa 7 % angestiegen ist. Bei dieser Darstellung ist allerdings der Energieverbrauch für die Reinsauerstoffgewinnung nicht berücksichtigt, der die Gesamtenergiebilanz erheblich beeinflusst. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird folglich, wie an diesem Beispiel gezeigt, die Effizienz des Sauerstoffeintrags in das Abwasser deutlich verbessert. Der tägliche Reinsauerstoffbedarf sank um ca. 60%.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in
Flüssigmedium mit einem Rohrleitungssystem (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (10) wenigstens einen ersten
Rohrleitungsabschnitt (12) und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) und eine zwischen dem ersten und zweiten Rohrleitungsabschnitt (12, 18) angeordnete Verengung aufweist, wobei die Verengung als Kavitationsdüse (14) ausgebildet, der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) mit einer Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium verbunden ist und die Vorrichtung mit einer
Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums durch das Rohrleitungssystem
(10) verbindbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium im zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) von der Kavitationsdüse (14) beabstandet angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium im wesentlichen vertikal zur Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium den zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) entlang des Umfangs des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) umgreift, wobei der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) im Verbindungsbereich Durchbrechungen zur Einspeisung des gasförmigen und/oder flüssigen Mediums aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (30) für das gasförmige und/oder flüssige Medium mit dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) in einem Bereich verbunden ist, in dem der zweite Rohrleitungsabschnitt (18) einen im wesentlichen konstanten Rohrleitungsdurchmesser aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsdüse (14) mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt (12) und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) lösbar verbunden ist oder unlösbar verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des ersten Rohrleitungsabschnitts (12) anströmseitig vor der Kavitationsdüse (14) größer ist als der Innendurchmesser des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) nach der
Kavitationsdüse (14).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitationsdüse (14) einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfasst, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer ist als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Innendurchmessers des ersten
Rohrleitungsabschnitts (12) vor der Kavitationsdüse (14) und des Innendurchmessers des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) nach der Kavitationsdüse (14) etwa 5:1 bis etwa 1,2:1 beträgt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis etwa 3:1 bis etwa 1,5:1 , bevorzugt 2:1 beträgt.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) variabel einstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Fördern des Flüssigmediums eine Pumpe (50) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (50) in einem getauchten Schacht (52) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (50) zur Verbindung mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt (12) einen um die Längsachse verschwenkbaren Gieitflansch (54) aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Längsachse des Rohrleitungssystems (10) und der Oberfläche des Flüssigmediums eingeschlossene Winkel einstellbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am abströmseitigen Ende des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) ein den austretenden Flüssigmediumstrom formendes Richtungssystem (40) angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung des Richtungssystem (40) als Rotationsfläche mit zunehmendem Durchmesser ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantellinie der Rotationsfläche als Gerade ausgebildet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantellinie der Rotationsfläche als Kurve ausgebildet ist.
21. Verfahren zum Einbringen von gasförmigem und/oder flüssigem Medium in Flüssigmedium, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium durch ein Rohrleitungssystem (10), das wenigstens einen ersten Rohrleitungsabschnitt (12) und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) und eine zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordnete Kavitationsdüse (14) aufweist, mit einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit durchgeleitet wird, so dass sich in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (18) abströmseitig von der Kavitationsdüse (14) zwischen Rohrleitungswand und Flüssigmedium ein Dampfmantel (22) aus verdampftem Flüssigmedium ausbildet und in diesen Dampfmantel (22) das gasförmige und/oder flüssige Medium eingebracht wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Kavitation über die Länge des abströmseitig nach der
Kavitationsdüse (14) angeordneten zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) einstellbar ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der engste Innendurchmesser der Kavitationsdüse (14) durch Austausch der Kavitationsdüse (14) variierbar ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfmantel (22) im wesentlichen konzentrisch ist und das Flüssigmedium umhüllt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige und/oder flüssige Medium selbstansaugend in den Dampfmantel (22) eingebracht wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (10) in dem Flüssigmedium angeordnet ist, vorzugsweise unterhalb der Oberfläche.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das gasförmige und/oder flüssige Medium radial in den Dampfmantel (22) eingebracht wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrleitungssystem (10) so angeordnet wird, dass die Längsachse des zweiten Rohrleitungsabschnitts (18) in Bezug auf die Oberfläche des Flüssigmediums einen Winkel einschließt, der zwischen 0° und 90° liegt.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium Abwasser (20b), vorzugsweise Mikroorganismen haltiges Abwasser (20b), ist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebrachte gasförmige Medium Luft (32) oder Sauerstoff ist.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffübergang aus der eingebrachten Luft (32) in das Flüssigmedium größer als 60%, bevorzugt größer als 80%, noch weiter bevorzugt größer als 90%, ist.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium vor dem Einbringen in das Rohrleitungssystem (10) wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigmedium durch Fördern aus einem getauchten Schacht (52) wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das eingebrachte flüssige Medium Flockungsmittel und/oder Fällungsmittel enthält.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Reynoldszahl des Flüssigmediums in dem Rohrleitungssystem (10) wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000 beträgt.
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