DE3144885A1 - Vorrichtung zur begasung oder belueftung und/oder umwaelzung von bzw. erzeugung von stroemungen in fluessigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zur begasung oder belueftung und/oder umwaelzung von bzw. erzeugung von stroemungen in fluessigkeiten

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begasung
  • oder Belüftung und/oder Umwälzung von bzw. Erzeugung von Strömungen in Flüssigkeiten, insbesondere in Belebungsbecken zur biologischen Reinigung von Abwässern, mit wenigstens einer durch ein Antriebsaggregat antreibbaren Welle, an deren freiem, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende wenigstens ein Propeller angeordnet ist, durch dessen Steigung in Fortsetzungsrichtung der Welle eine starke Strömung erzeugbar und im Falle gleichzeitiger Begasung das eingetragene Gas (bspw. Luft) feinblasig verteilbar ist.
  • Vorrichtungen dieser Art sind bekannt. Bei der durch die US-PS 37 82 702 bekannt gewordenen Vorrichtung ist die Welle zwecks Gaszufuhr in die Flüssigkeit als Hohlwelle ausgebildet, und der Propeller setzt sich aus zwei Bereichen mit entgegengesetzt zueinander verlaufenden Wendeln zusammen, welche im Bereich ihrer größten radialen Ausdehnung in einen zylindrischen Teil übergehen, welcher an seinem Umfang mit Gasaustrittsöffnungen versehen ist. Bei Rotation des Propellers werden in bezug auf seinen zylindrischen Mittelteil zwei einander entgegengesetzte Strömungen erzeugt, die aufeinander zulaufen und dann in radialer Richtung abströmen, wobei das Gas zum Begasen der Flüssigkeit ebenfalls radial durch die am Umfang des zylindrischen Teils des Propellers vorgesehenen Öffnungen mitgerissen wird.
  • Die in der US-PS 29 28 661 beschriebene Vorrichtung weist ebenfalls eine Hohlwelle für die Gaszufuhr und am eingetauchten Ende der Hohlwelle zwei im Abstand zueinander auf derselben befestigte Propeller auf, die eine gegen den Boden des Behälters gerichtete Strömung in der Flüssigkeit erzeugen, wobei durch Rotation der Welle über senkrecht an ihr befestigte offene Rohrstücke Gas in radialer Richtung in den Flüssigkeitsstrom eingebracht wird. Der untere Propeller dient zur nochmaligen Beschleunigung des Flüssigkeitsstroms mit den Gasblasen, bevor die Strömungsgeschwindigkeit zu langsam wird, um den Gasblasen ein Ausbreiten unterhalb des unteren Propellers zu erlauben. Das untere Ende der Hohlwelle ist verschlossen.
  • Die DE-PS 24 61 032 weist eine an ihrem aus der Flüssigkeit ragenden und mit dem Antriebsaggregat verbundenen Endabschnitt mit Ansaugöffnungen versehene Hohlwelle auf, welche an ihrem freien Ende einen Propeller trägt und eine axiale Gasausströmöffnung vorgesehen ist. Der Propeller besteht aus zwei schraubenförmigen, um den Umfang der Welle gleichmäßig verteilten Wendeln, die längs wenigstens zwei Dritteln des Umfangs der Hohlwelle laufen und deren Radius gegen das eingetauchte Ende der Hohlwelle von Null an zunimmt. Mit Hilfe dieser besonderen Ausbildung des Propellers und der axialen Gasausströmöffnungen soll ein gegenüber den zuvor genannten Vorrichtungen eng gebündelter, weit reichender Strahl eines Flüssigkeit-Gas-Gemisches mit hoher Geschwindigkeit innerhalb der zu begasenden und umzuwälzenden Flüssigkeit erzielt werden.
  • Alle diese genannten Vorrichtung gehen von dem Prinzip aus, durch einen besonders konstruierten Propeller oder Impeller Strömungen in der Flüssigkeit zu erzeugen und durch den dabei sich innerhalb der Hohlwelle einstellenden statischen Unterdruck gleichzeitig Gase oder Luft durch die Hohlwelle anzusaugen, um sie mit der Flüssigkeit zu vermischen.
  • Messungen aus der Praxis haben gezeigt, daß diese Vorrichtungen bei der Anwendung in der biologischen Abwasserreinigung zwar die gewünschte Strömung erzeugen, daß jedoch der Gaseintrag, insbesondere im Verhältnis zur aufgewendeten Energie, außerordentlich unbefriedigend ist, daß also zu wenig Gas bzw. Luft und damit zu wenig Sauerstoff in das Belebtschlamm-Wassergemisch eingetragen wird. Desweiteren haben die bekannten Vorrichtungen den Nachteil, daß Strömungserzeugung und Gas- bzw. Luft eintrag nicht voneinander trennbar sind und damit der wahlweise Einsatz der Vorrichtungen für die Nitrifikation, d.h. aeroben Abbau organischer Substanz, wozu Strömungserzeugung bei gleichzeitigem Luft- bzw. Sauerstoffeintrag erforderlich ist, und für die Denitrifikation, d.h. anaeroben Abbau organischer Substanz, wozu Strömungserzeugung unter Ausschluß von Sauerstoff erforderlich ist, nicht möglich ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art eine möglichst energiesparende wirkungsvolle Begasung bzw. Belüftung der Flüssigkeit, d.h. hohe Gas- bzw. Sauerstoffeintragswerte im Verhältnis zur aufgewendeten Energie zu erreichen und das Gas bzw. die Luft möglichst feinblasig in die Flüssigkeit einzubringen und mit ihr zu vermischen. Außerdem sollen Strömungserzeugung und Gas- bzw. Lufteintrag unabhängig, d.h. voneinander getrennt erfolgen können, um z.B. einen wahlweisen Einsatz der Vorrichtung für die Nitrifikation und die Denitzifikation bei der biologischen Abwasserreinigung zu ermöglichen.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine oder mehrere Gas- bzw. Luftzuführungsleitungen im Bereich des Propellers enden, durch die Gas bzw. Luft bedarfsweise und ohne ursächlichen Zusammenhang mit dem Antrieb des Propellers unter Druck einleitbar ist.
  • Der Gas- bzw. Lufteintrag wird also nicht mehr wie nach dem Stand der Technik durch den bei der Strömungserzeugung gleichzeitig erzeugten Unterdruck bewirkt, was einerseits sehr energieverzeh,rend war, andererseits nur einen unbefriedigenden Gas- bzw. Lufteintrag erbrachte; vielmehr wird das Gas bzw. die Luft mit Druck an den Propeller herangeführt, der neben der Strömungserzeugung ein Zerschlagen des unter Druck herangeführten Gases (Luft) in feinste Bläschen bewirkt, die dann von der erzeugten Strömung mitgerissen werden und wegen ihrer feinen Verteilung leichter in Lösung gehen. So konnte einerseits der Gas- bzw. Lufteintrag bei gleichzeitiger Verminderung der erforderlichen Energie wesentlich erhöht werden und andererseits ein außerordentlich feinblasiger und damit effektiver Gas- bzw. Lufteintrag in' die Flüssig: keit erreicht werden. Da nach der Erfindung der Gas-bzw. Lufteintrag nicht mehr ursächlich im Zusammenhang steht mit der Strömungserzeugung, ist sowohl eine Strömungserzeugung mit gleichzeitigem Gas- bzw. Lufteintrag, als auch eine#Strömungserzeugung ohne Gas-bzw. Lufteintrag möglich. So ist die erfindungsgemäße Vorrichtung wahlweise oder abwechselnd z.B. für die aerobe Bedingungen erfordernde Nitrifikation und für die anaerobe Bedingungen erfordernde Denitrifikation in Kläranlagen einsetzbar.
  • Zu diesem Zweck sind vorzugsweise der Antrieb der (Propeller-) Welle und der Antrieb der den Druck in der oder den Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) erzeugenden Vorrichtung voneinander getrennt.
  • Die den Druck in der oder den Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) erzeugende Vorrichtung kann jeweils ein Niederdruckverdichter (Ventilator oder Gebläse) sein; denn da der bei der Strömungserzeugung durch den Propeller im Propellerbereich gleichzeitig erzeugte Unterdruck den Gas- oder Luft eintrag durch die Zuführungsleitungen unterstützt, kann mit nur geringer tlberdruckleistung und damit energiesparend ein zufriedenstellender Gas- oder Luft eintrag erreicht werden.
  • Vorzugsweise sind auf dem freien, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende der Welle zwei Propeller mit gleichsinniger Steigung in geringem Abstand (einige cm) hintereinander angeordnet. Die zwei Propeller haben vorzugsweise den gleichen Durchmesser und können eine unterschiedliche Steigung aufweisen, wobei vorteilhaft die Steigung des ersten, dem freien Ende der Welle näher gelegenen Propellers größer ist als die des zweiten Propellers. Außerdem können die Flügel der beiden Propeller zueinander verschränkt sein.
  • Der zweite Propeller verstärkt in vorteilhafter Weise die erzeugte Strömung und die Saugwirkung; er bewirkt auch eine noch feinblasigere Zerschlagung der in den Propellerbereich eingeführten Luft, so daß ein feinstblasiger Gas- bzw. Lufteintrag in die Flüssigkeit erzielt werden kann; der Gas-Lösungsvorgang wird so nochmals verstärkt. Außerdem verhindert der zweite Propeller Verzopfungen oder schlägt sie weg und wirkt damit der Gefahr einer Blockierung der Rotationswegung entgegen.
  • Der oder die Propeller sind vorzugsweise handelsübliche Schiffspropeller für leichte Motorboote. Indem nicht wie nach dem Stand der Technik besonders ausgebildete Propeller, die teilweise nur in Sonderanfertigung oder geringen Stückzahlen hergestellt werden, sondern handelsübliche Propeller verwendet werden, vermindern sich die Herstellungskosten der Vorrichtung.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung läuft die Welle innerhalb eines auf der Seite des Antriebsaggregats gegenüber der Welle abgedichteten (Schutz-) Rohres um, der oder die Propeller unmittelbar vor der Öffnung des anderen, in die Flüssigkeit eintauchenden Endes des (Schutz-) Rohres auf der Welle angeordnet, und eine oder mehrere Gas- bzw.
  • Luftzuführungsleitungen, durch die Gas bzw. Luft bedarfsweise und ohne ursächlichen Zusammenhang mit dem Antrieb des oder der Propeller unter Druck einleitbar ist, enden im Bereich des oder der Propeller.
  • Die Abdichtung des (Schutz-) Rohres auf der Seite des Antriebsaggregats gegenüber der Welle verhindert, daß die in den Propellerbereich eingeleitete Luft wieder nach hinten zur Atmosphäre entweicht.
  • Vorzugsweise ist der Durchmesser des (Schutz-) Rohres deutlich größer als der der Welle, und der Durchmesser der Öffnung des (Schutz-) Rohres ist geringfügig größer als der des oder der Propeller(s).
  • Durch diese Ausgestaltung wird die Strömungserzeugung und der Gas- oder Lufteintrag unterstützt.
  • Die Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) können innerhalb des (Schutz-) Rohres verlaufen und an dessen Öffnung enden; dies ist einer kompakten Bauweise der Vorrichtung zuträglich.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der oben genannten Ausführungsform sind die eine oder mehrere Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) als Gas- bzw.
  • Luftzuführungsrohr(e) ausgebildet, das oder die unmittelbar hinter der Öffnung des (Schutz-) Rohres im spitzen Winkel in das (Schutz-) Rohr einmündet bzw.
  • einmünden. Indem so das einzutragende Gas bzw. die einzutragende Luft unmittelbar hinter dem bzw. den die Strömung erzeugenden Propeller(n) in die Flüssigkeit eingeblasen wird, wird die zu überwindende Flüssigkeitssäule am Austritt des Gases (der Luft) niedrig gehalten, was sich energiesparend auswirkt.
  • Vorzugsweise beträgt der Winkel, in dem das oder die Gas- bzw. Luftzuführungsrohr(e) in das (Schutz-) Rohr einmündet bzw. einmünden, 300 bis 450.
  • Diese Ausgefaltung erleichtert die technische Realisierung der Gas- bzw. Lufteinleitung unter Vermeidung von Wirbelbildungen.
  • Vorzugsweise münden zwei in einer Ebene liegende Gas-bzw. Luftzuführungsrohre symmetrisch im spitzen Winkel in das (Schutz-) Rohr ein.
  • Damit wird gegenüber nur einem Gas- bzw. Luftzuführungsrohr der erreichbare Gas- bzw. Lufteintrag wesentlich gesteigert (verdoppelt). Die symmetrische Anordnung der Gas- bzw. Luftzuführungsrohre zum (Schutz-) Rohr bewirkt eine Stabilisierung der Lage der Vorrichtung während des Betriebes.
  • In dem oder den Gas- bzw. Luftzuführungsrohr(en) kann je ein Ventilator oder Gebläse mit geringem Energieverbrauch und hoher Förderleistung eingebaut sein, durch den Gas oder Luft mit nur geringem ueberdruck an den oder die Propeller heranführbar ist.
  • Der Ventilator kann beispielsweise eine Leistungsaufnahme von etwa 140 Watt und eine Förderleistung von etwa 530 m3 Luft/Stunde ohne Gegendruck haben. Versuche und Messungen haben ergeben, daß damit bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gegenüber den bekannten Vorrichtungen bis zu 20-fache Gas- oder Luftmenge bei gleichem oder sogar geringerem Energieaufwand in die Flüssigkeit eingetragen werden können.
  • Der Antrieb des oder der Ventilatoren und der der Welle sind erfindungsgemäß voneinander getrennt und unabhängig betätigbar. Dabei kann der Antrieb des oder der Ventilatoren über eine Zeitschaltuhr oder einen Impulsgeber betätigbar sein.
  • So kann bedarfsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl zur Erzeugung einer Nitrifikation in Belebungsbecken von Kläranlagen, d.h. zur Strömungserzeugung mit gleichzeitigem Lufteintrag, als auch zur Einleitung einer Denitrifikation, d.h. zur Strömungserzeugung ohne Lufteintrag verwendet werden.
  • An der Öffnung des (Schutz-) Rohres kann unterhalb des oder der Propeller(s) eine Ieitschale montiert sein, wodurch sich eine Möglichkeit zur zusätzlichen Richtung und Bündelung des Strömungsstrahles ergibt.
  • Die gesamte Vorrichtung ist vorzugsweise auf Schwimmer(n) montiert, um sich verändernden Flüssigkeitsspiegeln höhenmäßig selbsttätig anpassen zu können.
  • An der Halterung der Vorrichtung kann ein Verstellsegment vorgesehen sein, durch das der Eintauchwinkel der Welle und damit auch die Richtung der erzeugbaren Strömung verstellbar ist, wodurch sich die Verteilung der feinen Gas- bzw. Luftblasen in der Flüssigkeit optimieren läßt.
  • In dem oder den Gas- bzw. Luftzuführungsrohr(en) kann unterhalb des Ventilators ein Heizgitter vorgesehen sein, so daß sich bei niedrigen Außentemperaturen ein Einfrierendes Ventilators verhindern läßt.
  • Sämtliche Teile der Vorrichtung sind vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material.
  • Besondere Bedeutung hat in der Abwassertechnik das Verhältnis von 1 kg eingetragenem und gelöstem Sauerstoff zu 1 Kilowattstunde als Maß für eine wirtschaftliche Belüftung. Der Sauerstoff ist beim aeroben Abbau organischer Substanz zur Veratmung durch die Mikroorganismen unbedingt notwendig. Die zukünftige Entwicklung geht bei der Bemessung von Abwasserreinigungsanlagen zu immer geringer werdenden Belastungen, um das Reinigungsergebnis zu steigern. Damit wird aber das Sättigungsdefizit im Belebtschlamm-Wasser-Gemisch immer geringer, d.h. der Sauerstoffeintrag immer aufwendiger. Bei Abwasserteichen ist das Sättigungsdefizit für Sauerstoff am geringsten.
  • Die hier beschriebene Vorrichtung wird diesen Bedingungen besser gerecht und kann hohe Luftmengen bei geringem Energieaufwand in das Abwasser eintragen.
  • Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber nicht auf die Abwasserreinigung beschränkt; sie eignet sich auch zum Einsatz bei der Flußbelüf-tung und Begasung von Flüssigkeiten und Flüssigkeiten mit Feststoffen allgemein, auch zwecks Einleitung chemischer Reaktionen.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der anhängenden Zeichnung.
  • Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Draufsicht, teilweise im Längsschnitt.
  • Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Gemäß Fig. 1 treibt ein Elektromotor 1 eine Welle 2 an. Die Welle 2 ist umgeben von einem Schutzrohr 3 mit gegenüber der Welle 2 deutlich größerem Durchmesser (beispielsweise 250 mm), das mit der Aufhängung 4 der Vorrichtung verbunden ist und bei 5 an seinem dem Elektromotor 1 zugewandten Ende gegen die Welle 2 abgedichtet, an seinem anderen, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende mit der Öffnung 6 dagegen offen ist, so daß hier ein offener Endbereich3' des (Schutz-) Rohres 3 gebildet ist, durch welchen bis etwa zur oder bis vor die Öffnung 6 ebenfalls die Welle 2 ragt.
  • Unmittelbar vor der Öffnung 6 des (Schutz-) Rohres 3 ist auf dem freien Ende der Welle 2 mindestens ein Propeller 7, in der dargestellten bevorzugten Ausführungsforin sind zwei Propeller 7 und 8 in geringem Abstand zueinander (im Bereich von wenigen cm) hintereinander auf der Welle 2 befestigt, wobei der zweite Propeller 8 im Bereich oder, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, unmittelbar hinter der Öffnung 6 auf der Welle 2 sitzt. Die Propeller 7 und 8 haben einen Durchmesser, der um weniges kleiner ist als der der Öffnung 6, sie sind vorzugsweise zueinander verschränkt und weisen eine unterschiedliche, aber gleichsinnige Steigung auf.
  • Dabei ist die Steigung des zweiten, der Öffnung 6 des (Schutz-) Rohres 3 näherliegenden Propellers 8 geringer als die des ersten Propellers 7. Der zweite Propeller 8 unterstützt, wie weiter unten noch beschrieben wird, die Wirkung des ersten Propellers 7 und verhindert Verzopfungen. Es können für den hier beschriebenen Zweck normale Schiffspropeller verwendet werden, wie sie im Handel für leichte Motorboote (Motorboote für Binnengewässer) angeboten werden.
  • Unmittelbar hinter der Öffnung 6 münden im Ausführungsbeispiel in symmetrischer Anordnung zwei in einer Ebene liegende Gas- bzw. Luftzuführungsrohre 9 beiderseits im spitzen Winkel (vorzugsweise 300 bis 450) in den (offenen) Endbereich 3' hinter der Öffnung 6 des (Schutz-) Rohres 3. Hinter den Einmündungen der Gas-bzw. Luftsuführungsrohre 9 in den Endbereich3' des (Schutz-) Rohres 3 befindet sich eine weitere Abdichtung 5', dunh welche das Schutzrohr 3 (zur Öffnung 6 hin) ebenfalls gegen die Welle 2 abgedichtet und der (offene) Endbereich 3' zum übrigen (Schutz-) Rohr 3 abgegrenzt ist.
  • Die im spitzen Winkel in den Endbereich 3' des (Schutz-) Rohres 3 einmündenden Gas- bzw. Lufttuführungsrohre 9 können, wie in Fig. 1 gezeigt, über eine Krümmung 9' alsdann parallel zum (Schutz-) Rohr 3 geführt, aber auch, wie in. Fig. 2 gezeigt, gerade ausgeführt sein. An den den Einmündungen der Gas- bzw.
  • Luftsuführungsrohre 9 in den Endbereich3' des (Schutz-) Rohres 3 entgegengesetzten, freien Enden der Gas- bzw.
  • Buftsuführungsrohre 9 ist jeweils ein (handelsüblicher) Ventilator 10 befestigt. Beide Ventilatoren 10 werden im Sinne eines Verdichters betrieben, d.h. sie saugen Luft von außen an, verdichten die in den Buftzuführungsrohren 9 stehende Luftsäule und drücken so die Luft mit leichtem Uberdruck aus der Öffnung 6 des (Schutz-) Rohres 3. Beide Gas- bzw. ~luftzu!tilirungsrohre 9 sind durch Halterungen mit der Aufhängung 4 verbunden. Die gesamte Vorrichtung ist mit ihrer Aufhängung 4 an einem Schwimmer 12 (Fig. 2) befestigt, so daß sie sich selbsttätig dem Flüssigkeitsstand der zu begasenden und/oder umzuwälzenden Flüssigkeit z.B.
  • in einem Belebungsbecken anpaßt. Dabei ist an der Aufhängung 4 vorzugsweise ein Verstell- oder Einrastsegment mit mehreren Einraststufen oder kontinuierlicher Verstellmöglichkeit vorgesehen, so daß der Eintauchwinkel der gesamten Vorrichtung in Bezug auf die Flüssigkeitsoberfläche verstellbar ist.
  • Der Elektromotor 1 und die Ventilatoren 10 werden aus Gründen, die weiter unten noch dargelegt werden, vorzugsweise über getrennte Kabel mit Strom versorgt. Um bei niedrigen Außentemperaturen ein Einfrieren der Ventilatoren 10 zu verhindern, kann in den Gas- bzw. Buftzuführungsrohren 9 unterhalb der Ventilatoren 10 jeweils ein Heizgitter vorgesehen sein. An der Öffnung 6 des (Schutz-) Rohres 3 kann unterhalb der Propeller 7, 8 eine in der Zeichnung nicht dargestellte Leitschale befestigt sein, um die beim Betrieb der Vorrichtung von den Propellern erzeugte Strömung zu richten.
  • Alle Teile der Vorrichtung sind selbstverständlich vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material, insbesondere das (Schutz-) Rohr 3 und die Gas- bzw.
  • Luftzuführungsrohre 9; die Propeller 7, 8 können aus Kunststoff, z.B. PVC, bestehen.
  • Bei einer praxisnahen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Elektromotor 1 ein Drehstrommotor mit einer Leistungsaufnahme von etwa 2,4 kW; in Anpassung an die verwendeten Propeller 7, 8 kann die Leistungsaufnahme aber auch um etwa 1,1 kW über oder unter diesem Wert liegen. Die oberste Grenze wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit bei 5 bis 7 kW gesehen. Die Ventilatoren 10 sind vorzugsweise Niederdruckventilatoren mit einer Leistungsaufnahme von jeweils 140 Watt und einer nur geringen Uberdruckleistung von jeweils etwa 50 mm WS und einer Luftfördermenge von jeweils 530 m3 pro Stunde ohne Gegendruck. Der Durchmesser des (Schutz-) Rohres 3 liegt bei 250 mm, der der Gas- bzw. Luftzuführungsrohre 9 bei 200 mm. An den beiden Gas- bzw. Luftzuführungsrohren 9 können Manschetten zur Abdichtung der Nahtstellen aufgezogen werden.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird die Welle 2 direkt durch den Elektromotor 1 angetrieben; selbstverständlich ist auch ein Antrieb mit Uber- oder Untersetzung möglich, wenn eine höhere oder niedrigere Tourenzahl der Propeller 7, 8 gewünscht wird.
  • Wirkungsweise der Vorrichtung: Für den Betrieb der Vorrichtung wird diese auf der Oberfläche der zu begasenden und/oder umzuwälzenden Flüssigkeit, z.B. des Belebungsbeckens einer Kläranlage, schwimmend befestigt, und sie taucht unter einem bestimmten, einstellbaren Winkel mit ihrem von dem Elektromotor 1 abgewandten Ende, also mit der Öffnung 6 und den Propellern 7 und 8,in nicht zu großer Tiefe in die Flüssigkeit ein. Der Elektromotor 1 und die Ventilatoren 10 werden über getrennte Stromkabel angetrieben.
  • Durch die Rotation der Propeller 7 und 8 werden eine starke, im wesentlichen nach vorn, also in Fortsetzungsrichtung der Welle 2 gerichtete Strömung und durch die dabei auftretende Sogwirkung im Bereich zwischen der Öffnung 6 und dem vordersten Propeller 7 ein gewisser Unterdruck erzeugt. In diesen Bereich wird, unterstützt durch den erzeugten Unterdruck, von den Ventilatoren 10 aus der Atmosphäre angesaugte Luft mit geringem Uberdruck durch die Gas- bzw. Luftzuführungsrohre 9 eingebracht. Die so in den Unterdruck- bzw. Propellerbereich eingebrachte Luft wird durch die sich hochtourig drehenden Propeller 7 und 8 sehr fein zerschlagen und unter Uberwiiang des Gegendrucks der Wassersäule durch die erzeugte Strömung in die Flüssigkeit mitgerissen und durch starke Turbulenz innig mit der Flüssigkeit vermischt, so daß der Lufteintrag im wesentlichen außerordentlich feinblasig (ca. 1 mm Durchmesser der Luftblasen) und damit für die Begasung der Flüssigkeit außerordentlich effektiv erfolgt und eine hohe Rate an Lösung von Gas in der Flüssigkeit erzeugt wird. Die motorseitige Abdichtung 5 des (Schutz-) Rohres 3 gegenüber der Welle 2 verhindert, daß die eingeleitete Luft statt in den Propellerbereich und die Flüssigkeit einzutreten, auf dem Weg des geringsten Widerstandes wieder in die Atmosphäre entweicht. Die durch die Propeller 7, 8 erzeugte Strömung reicht 1 bis5 m tief, und die durch sie bewirkte ~Verwirbelung der Luftblasen ist außerordentlich intensiv und weitreichend. Wegen der unterstützenden Wirkung des im Propellerbereich erzeugten Unterdrucks genügt eine geringe Kraft, d.h.
  • ein geringer Ueberdruck, um die Luft einzubringen und eventuell die vor Inbetriebnahme der Vorrichtung in den Gas- bzw. Luftzuführungsrohren 9 stehende Flüssigkeit zu verdrängen, so daß, wie bereits gesagt, die Ventilatoren 10 Niederdruckventilatoren sein können.
  • Wenn die Ventilatoren 10, wie oben beispielhaft angegeben, bei einer Leistungsaufnahme von jeweils 140 Watt eine Buftförderleistung von 530 m3/Stunde ohne Gegendruck aufweisen, so leisten sie mit Gegendruck (etwa 50 mm Wassersäule), also bei (um 5 cm) eingetauchter Vorrichtung, etwa 300 m3/Stunde. Insgesamt läßt sich also mit beiden Ventilatoren 10 ein Bufteintrag von 600 m3/Stunde bei einer ~leistungsaufnahme von 280 Watt erreichen. Damit konnte das gesteckte Ziel eines Sufteintrags von 600 m3/Stunde bei 2,4 -2,5 kW sogar weit übertroffen werden und eine gegenüber dem Stand der Technik fast 20-fache Luftmenge bei geringerer Leistungsaufnahme erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zur Anwendung bei großen Wasserflächen in kreisrunden oder ovalen Belebungsbecken und kreisrund oder oval verlaufenden Oxydationsgräben von Kläranlagen und bei Teichanlagen, in denen eine umlaufende Strömung erzeugt werden kann.
  • So wurde in einem Oxydationsgraben von 99 m Umfang einer Kläranlage, in dem bisher das Belebtschlamm-Wassergemisch durch zwei Bürstenwalzen von jeweils 6 kW Leistungsaufnahme rund gepumpt wurde, beim versuchweisen Einsatz eines Prototyps der erfindungsgemäßen Vorrichtung an der Bufteintragungsstelle nach einer Betriebszeit von 1/2 Stunde. ein Sauerstoffgehalt von 6 mg 02/Liter gemessen, und das, darauf sei ausdrücklich hingewiesen, ohne zusätzliche Pumpvorrichtung zur Bewegung des Belebtschlamm-Wassergemisches; denn die erfindungsgemäße Vorrichtung treibt einerseits das Wasser bzw. das Belebtschlamm-Wassergemisch rund und deckt andererseits den Sauerstoffbedarf der Verunreinigungen (aerob) abbauenden Mikroorganismen, und dies bei einem geringeren Energieaufwand.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich aber auch für die Flußbelüftung (also ohne rundlaufende Strömung), für die Nachbelüftung, u.a. die thermophile Behandlung des Überschußschlammes aus Kläranlagen, und für die Begasung von Flüssigkeiten oder Flüssigkeit-Schlainmgemischen allgemein. Selbstverständlich können bei Bedarf in einem Belebungsbecken, einem Oxydationsgraben oder einem Flußlauf mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen vorgesehen werden.
  • Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde oben in Verbindung mit der Reinigung von Abwässern für den Fall der Nitrifikation, d.h. der Oxidation von Ammoniumverbindungen, durch Mikroorganismen beschrieben. Bei der Abwasserreinigung ist aber neben der Nitrifikation auch die Denitrifikation, d.h. der anaerobe Abbau des bei der Nitrifikation entstehenden Nitrats durch eine andere Art von Mikroorganismenfvon Bedeutung, die einsetzt, wenn das weitgehend gereinigte Abwasser dann sauerstofffrei gehalten wird und Wasserstoffdonatoren in Form von unbehandelten Abwasser zur Verfügung stehen.
  • Da nach der vorliegenden Erfindung der Elektromotor 1 für den Antrieb der Propeller 7 und 8 und die Ventilatoren 10 für' den Gas- bzw. Lufteintrag über getrennte Stromkreisläufe antreibbar sind und der Gas- bzw. Bufteintrag nicht wie beim Stand der Technik ursächlich mit der Strömungserzeugung zusammenhängt, bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den besonderen Vorteil, wahlweise und wechselnd für die Nitrifikation und die Denitrifikation einsetzbar zu sein. Für die Nitrifikation werden der Elektromotor 1 und die Ventilatoren 10 gleichzeitig angetrieben und damit gleichzeitig mit der Strömung oder Umwälzung in der Flüssigkeit oder dem Belebtschlamm-Wassergemisch der Sauerstoffeintrag erreicht, um die für die Nitrifikation erforderliche aerobe Bedingung zu schaffen. Für die Denitrifikation wird nur der Elektromotor 1 angetrieben; damit wird eine Strömung ohne Lufteintrag erzeugt, so daß sich in der Flüssigkeit bzw. dem Belebtschlamm-Wassergemisch der dafür erforderliche anaerobe Zustand einstellt. Der Antrieb der Ventilatoren 10 kann den Erfordernissen entsprechend über eine Zeitschaltuhr oder einen Impulsgeber gesteuert erfolgen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde anhand der Zeichnung in der Ausführung mit zwei auf der Welle'2 hintereinander angeordneten Propellern 7 und 8 und zwei seitlich in das (Schutz-) Rohr 3 einmündenden Gas-bzw. Buftzuführungsrohren (9) beschrieben. Grundsätzlich genügt für die Erzeugung der Strömung auch ein unmittelbar vor der Öffnung 6 des (Schutz-) Rohres 3 auf der Welle 2 angeordneter Propeller 7 und für den Gas- oder Lufteintrag ein seitlich in das (Schutz-) Rohr 3 einmündenes Gas- bzw. Luftzuführungsrohr 9.
  • Durch den zum ersten Propeller 7 verschränkten zweiten Propeller 8 mit gleichsinniger, aber vorzugsweise geringerer Steigung werden jedoch die den Gas- oder Lufteintrag unterstützende Saugleistung erhöht und die Strömungserzeugung verstärkt. Außerdem werden durch den zweiten Propeller 8 Verzopfungen verhindert oder weggeschleudert und damit der Gefahr einer Blockierung des Motors 1 entgegengewirkt. Durch die symmetrische Anordnung zweier (oder mehrerer), vorzugsweise in einer Ebene liegender, seitlich in das (Schutz-) Rohr 3 einmündender Gas- bzw. Luftzuführungsrohre 9 werden die Lage der Vorrichtung während des Betriebes stabilisiert und der Gas- bzw. Lufteintrag erhöht. Eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung mit nur einem Propeller und nur einem Gas- bzw. Luftzuführungsrohr ist aber möglich. Auch eine Ausführungsform mit innerhalb des (Schutz-) Rohres 3 verlaufenden Gas- bzw. Luftzuführungsleitungen ist denkbar.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde im Vorstehenden beispielhaft für den Einsatz in Kläranlagen zur biologischen Reinigung von Abwässern beschrieben; ihre Anwendung ist jedoch nicht auf dieses Gebiet beschränkt.
  • Sie kann auch zur Belüftung stehender oder fließender Gewässer und darüber hinaus überall dort Anwendung finden, wo in flüssigen Medien oder Mischungen von Flüssigkeiten mit Feststoffen eine Strömung bzw. Umwälzung erzeugt werden soll oder wo gasförmige Medien wie Luft, Sauerstoff, andere Gase oder deren Gemische möglichst feinblasig in flüssige Medien (oder Mischungen von Flüssigkeiten mit Feststoffen) eingebracht werden sollen, insbesondere auch zur Herbeiführung chemischer Reaktionen.
  • Leerseite

Claims (27)

  1. Vorrichtung zur Begasung oder Belüftung und/oder Umwälzung von bzw. Erzeugung von Strömungen in Flüssigkeiten Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Begasung oder Belüftung und/oder Umwälzung von bzw. Erzeugung von Strömungen in Flüssigkeiten, insbesondere in Belebungsbecken zur biologischen Reinigung von Abwässern, mit wenigstens einer durch wenigstens ein Antriebsaggregat antreibbaren Welle, an deren freiem, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende wenigstens ein Propeller angeordnet ist, durch dessen Steigung in Fortsetzungsrichtung der Welle eine Strömung erzeugbar und bei gleichzeitiger Begasung das eingetragene Gas (beispielsweise Luft) feinblasig verteilbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Gas- bzw. Luftzuführungsleitungen (9) im Bereich des Propellers (7) enden, durch die Gas (bspw. Luft) bedarfsweise und ohne ursächlichen Zusammenhang mit dem Antrieb des Propellers (7) unter Druck einleitbar ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Welle (2) und der Antrieb der den Druck in der oder den Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) (9) erzeugenden Vorrichtung (10) voneinander getrennt sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Druck in der oder den Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) '9) erzeugende Vorrichtung jeweils ein Niederdruckverdichter (Ventilator, Gebläse 10) ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem freien, in die Flüssigkeit eintauchenden Ende der Welle (2) zwei Propeller (7, 8) mit gleichsinniger Steigung in geringem Abstand (einige cm) hintereinander angeordnet sind.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller (7, 8) gleichen Durchmesser haben.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel der beiden Propeller (7, 8) gegeneinander verschränkt sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Propeller (7, 8) eine unterschiedliche Steigung aufweisen.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des ersten, dem freien Ende der Welle (2) näher gelegenen Propellers (7) größer ist als die des zweiten Propellers (8).
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Propeller (7, 8) handelsübliche Schiffspropeller für leichte Motorbate sind.
  10. 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) innerhalb eines (Schutz-) Rohres (3) umläuft, daß der oder die Propeller (7, 8) unmittelbar vor (und in oder hinter) der Öffnung (6) des in die Flüssigkeit eintauchenden Endbereichs (3') des (Schutz-) Rohres (3) auf der Welle (2) angeordnet sind und daß eine oder mehrere Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) (9), durch die Gas bzw. Luft bedarfsweise und ohne ursächlichen Zusammenhang mit dem Antrieb des oder der Propeller(s) (7, 8) unter Druck einleitbar ist, im Bereich des oder der Propeller(s) (7, 8) oder unmittelbar hinter ihnen in den Endbereich (3') des (Schutz-) Rohres (3) münden.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das (Schutz-) Rohr (3) auf der Seite des Antriebsaggregats(1) gegen die Welle (2) abgedichtet ist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das (Schutz-) Rohr (3.) hinter den Einmündungen der Gas- bzw. Luftzuführungsrohre (9) in seinen Endbereich(3') gegen die Welle (2) abgedichtet ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des (Schutz-) Rohres (3) deutlich größer ist als der der Welle (2).
  14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnung (6) des (Schutz-) Rohres (3) geringfügig größer ist als der des oder der Propeller(s) (7, 8).
  15. 15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) innerhalb des (Schutz-) Rohres (3) verlaufen und an dessen Öffnung (6) enden.
  16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder mehrere Gas- bzw. Luftzuführungsleitung(en) als Gas- bzw.
    Luftzuführungsrohr(e) (9) ausgebildet sind, das oder die unmittelbar hinter der Öffnung (6) des (Schutz-) Rohres (3) im spitzen Winkel in das (Schutz-) Rohr (3) einmündet bzw. einmünden.
  17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, in dem das oder die Gas- bzw. Luftzuführungsrohr(e) (9) in das (Schutz-) Rohr (3) einmündet bzw. einmünden, 300 bis 450 beträgt.
  18. 18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einer Ebene liegende Gas-bzw. Luftzuführungsrohre (9) symmetrisch in das (Schutz-) Rohr (3) einmünden.
  19. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oder den Gas-bzw. Luftzuführungsrohr(en) (9) je ein Ventilator (10) oder Gebläse mit geringem Energieverbrauch und hoher Förderleistung eingebaut ist, durch den Gas oder Luft mit nur geringem ttberdruck an den oder die Propeller (7, 8) heranführbar ist.
  20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator (10) eine Leistungsaufnahme von etwa 140 Watt und eine Förderleistung von etwa 530 m3/Stunde ohne Gegendruck hat.
  21. 21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des oder der Ventilatoren (10) und der der Welle (2) voneinander getrennt und unabhängig betätigbar sind.
  22. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb des oder der Ventilatoren (10) über eine Zeitschaltuhr oder einen Impulsgeber betätigbar ist.
  23. 23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß an der Öffnung (6) des (Schutz-) Rohres (3) unterhalb des oder der Propeller(s) (7 8) eine Leitschale montiert ist.
  24. 24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Vorrichtung auf Schwimmer#(n) (12) montiert ist.
  25. 25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß an der Halterung (4) der Vorrichtung ein Verstellsegment vorgesehen ist, durch das der Eintauchwinkel der Welle (2) und damit auch die Richtung der erzeugbaren Strömung verstellbar ist.
  26. 26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß in dem oder den Gas- bzw. Luftzuführungsrohr(en) (9) unterhalb des Ventilators (10) ein Heizgitter (11) vorgesehen ist.
  27. 27. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Teile der Vorrichtung aus korrosionsbeständigem Material sind.
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