DE2246187C2 - Verfahren zum Beeinflussen des Lösens von Sauerstoff in Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beeinflussen des Lösens von Sauerstoff in Wasser, insbesondere Abwasser, bei welchem das Wasser innerhalb eines Hohlraumes, der mit Sauerstoff gespeist wird, dem freien Fall unterworfen wird.

Aus der DE-PS 5 28 870 ist ein Verfahren zur Belüftung von Flüssigkeiten, insbesondere von Abwässern, bekannt, bei dem die in Fallrohren dem freien Fall unterworfene Flüssigkeit Luft bzw. Gas mitreißt Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß eine Regulierung der Gaszufuhr in Abhängigkeit von dessen Verbrauch nicht möglich ist, und daher bei unterschiedlichem Sauerstoffbedarf der Flüssigkeit nicht jeweils für eine ausreichende Gaszufuhr und intensive Mischung von Flüssigkeit und Gas gesorgt wird.

Den gleichen Nachtpil weist das aus der DE-OS 16 42 439 bekannte Verfahren ar ·. Bei diesem Verfahren wird das Wasser versprüht und dreimal von Luft durchströmt.

In Ulimanns Enzyklopädie der technischen Chemie, Band 1 (1951), Seite 700, wird ein Absorptionsturm gezeigt, bei dem aus einer Eintrittsleitung Lösungsmittel von oben in den Turm rieselt, während von unten Absorptionsgas zugeführt wird. Das nach unten rieselnde Lösungsmittel wird im Turm durch Riese'vorrichtungen zerteilt und mit dem aufströmenden Gas in Kontakt gebracht. Als fertige Lösung rieselt es auf den Boden und wird durch eine Leitung aus dem Turm geführt. Auch bei diesem Absorptionsturm sind keine Maßnahmen vorgesehen, unabhängig von dem jeweiligen Gasbedarf der Flüssigkeit jeweils eine schnelle Lösung des Gases in der Flüssigkeit zu erzielen.

Aus der FR-PS 5 52 365 ist eine Vorrichtung bekannt, in der Gas und Flüssigkeit in intensiven Kontakt gebracht werden. Dazu werden Gas und Flüssigkeit aus dem oberen Teil einer Kammer durch ein Rohr gesaugt, das als eine Art Siphon wirkt. Dieser Vorgang kann mehrmals wiederholt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann der obere Teil der Kammer, also der Gasraum, mit einem Manometerrohr in Verbindung stehen, das einen erweiterten Teil aufweist, der durch sein Volumen eine Regulierung erlaubt. Diese Ausführungsform erlaubt einen Ausgleich der Flüssigkeit in der Kammer. Ein Einstellen der freien Fallhöhe durch Regulierung der Gaszufuhr in Abhängigkeit des Verbrauchs ist damit jedoch nicht zu erreichen.

In Journal AWWA, November 1969, Seiten 592 bis 598 werden die Probleme behandelt, die durch den Eintritt von Luft in Transportleitungen für Wasser auftreten. Auch in dieser Druckschrift wird jedoch keine Regulierung der Gaszufuhr in Abhängigkeit von dessen Verbrauch vorgesehen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Sauerstoffzufuhr in Abhängigkeit von dessen Verbrauch reguliert wird, und das somit wirtschaftlich arbeitet und jeweils eine schnelle Lösung des Sauerstoffs im Wasser erlaubt

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man bei dem

ίο eingangs genannten Verfahren zur Erzeugung einer Schaumsäule hoher Turbulenz das Wasser dem freien Fall mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 bis 60 cm/sec unterwirft und die für die Sauerstoffsättigung wirksame Höhe des freien Falles in Abhängigkeit des gemessenen Druckes oder des Pegelstandes im Hohlraum einstellt

Durch das erfmdungsgemäße Verfahren ist es möglich, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Sauerstoffbedarf des zu behandelnden Wassers die Zufuhr an Sauerstoff in die Fallzone zu regulieren und damit eine für die Lösung des Sauerstoffs günstige Fallhöhe einzustellen. Dies ist insbesondere für die Behandlung von Abwässern von Bedeutung, die einen wechselnden Sauerstoffbedarf aufweisen können.

Der Hohlraum ist eine geschlossene Zone, der der Sauerstoff von außen zugeführt wird. Der in dieser Zone durch das dem freien Fall unterworfene Wasser zu einer stromabwärts gelegenen Stelle mitgerissene Sauerstoff kann in die Zone wieder zurückgeführt werden.

Vorzugsweise wird das Wasser in mehreren Zonen hintereinander dem freien Fall unterworfen.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer für das erfindungsgemäße Verfahren geeigneten Vorrichtung und

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer für das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugten Voi richtung, bei der mehrere Fallzonen hin'ereinander angeordnet sind.

Gemäß Fig. 1 wird das mit Sauerstoff zu behandelnde Wasser durch eine geschlossene Leitung 1, beispielsweise ein Rohr, geführt. Die Strömungsrichtung ist durch den Pfeil 2 angegeben. Die Leitung 1 kann Teil eines Rohrleitungs-Abwasser-Systems sein, durch das das Abwasser mit aktiviertem Schlamm geleitet wird. Die Leitung 1 besteht aus drei hintereinander geschalteten Abschnitten 3 bis 5. Der Abschniu 3 verläuft im wesentlichen horizontal, kann jedoch auch aufwärts ansteigend verlaufen, wie in F i g. 2 gezeigt. Das Wasser 6 kann im wesentlichen das gesamte Volumen des Abschnittes 3 ausfüllen oder, wie in F i g. 1 gezeigt, Gastaschen 7 mit sich führen. Die Bildung derartiger Gastaschen hängt von einer Anzahl von

=>) Faktoren ab, beispielsweise von der Rate der Sauerstoffzugabe, der Anordnung des Rohres, der Art der Sauerstoffeinbringung usw. In Sauerstoffeingabesystemen der dargestellten Art ist es wünschenswert, die Möglichkeit der Ausbildung großer Blasen möglichst

to weitgehend zu vermeiden. Kleine Blasen werden bevorzugt, da sie eine größere Sauerstoffabsorption ermöglichen. Es hat sich gezeigt, daß aufwärts geneigte Rohre, wie sie in der F i g. 2 dargestellt sind, leichter die Tendenz aufweisen, die dargestellten, auf Abstand

hi voneinander angeordneten und sich bewegenden Blasen entlang der oberen Oberfläche zu bilden.

Wenn das Wasser den Abschnitt 3 der Leitung 1 durchströmt hat, fällt das Wasser in dem vertikal

angeordneten Abschnitt 4 durch Gravitation nach unten. In dem in diesem Abschnitt befindlichen Gasraum 8 wird das Wasser also dem freien Fall unterworfen. Dieser Abschnitt 4 wird im folgenden auch als Fallzone bezeichnet

Vom Boden des Abschnitts 4 strömt das Wasser dann in den im wesentlichen horizontal verlaufenden Abschnitt 5 der Leitung 1. Das Wasser füllt das Volumen dieses Abschnittes im wesentlichen aus, kann jedoch nichtgelösteü Sauerstoff in Form von Gdstaschen 7 in mitführen, wie in F i g. 1 gezeigt.

In der Fallzone wird ein hohes Maß an Sauerstoffabsorption erreicht Der Sauerstoff wird der Failzone bzw. dem Gasraum 8 durch die Gastaschen 7 sowie durch die Leitung 9 zugeführt Der Gasraum 8 wird in der gezeigten Höhe erhalten bleiben, wenn genügend Sauerstoff der Fallzone zugeführt wird, um den Sauerstoff auszugleichen, der in dem Wasser gelöst wird oder mit dem Wasser im Abschnitt 5 in Form von Gastaschen 7 fortgeführt wird. Gemäß der Darstellung fällt das Wasser infolge Gravitation von der Höhe des Abschnitts 3 hinunter, wobei die Fallhöhe durch die Höhe des Gasraumes 8 bestimmt wird. Das fallende Wasser erzeugt eine Schaumsäule hoher Turbulenz, welche auf der Höhe D beginnt Durch diese Schaumsäule hoher Turbulenz wird ein hohes Ausmaß an Sauerstoffübergang in die flüssige Phase erreicht. In dieser Schaumsäule sind Gasblasen jeweils von Flüssigkeit umgeben.

Derjenige Sauerstoff, der die Fallzone verläßt, ist entweder im Wasser gelöst oder wird in Form von Blasen, die sich in Gastaschen sammeln, mit dem Wasser fortgeführt Wenn genügend ungelöster Sauerstoff in die Fallzone eintritt oder eingeleitet wird, so bleibt die Höhe D der Schaumsäule konstant, und zwar unter der Voraussetzung, daß in dem System keine anderen Veränderungen vorgenommen werden.

Der Gaseintritt ist gleich dem Gasaustritt, und somit bleibt der Pegel konstant. Veränderungen in den Eigenschaften des Wassers, z. B. dem Sauerstoffbedarf, w der Durchflüsse oder der Gasdrücke, welche die Rate der Sauerstofflösung oder -mitführung verändern würden, würden auch die Höhe des Falles verändern, und zwar aufgrund einfacher Materialgleichgewichtsbetrachtungen.

Wenn nicht genügend Sauerstoff zugeführt wird, um die Summe desjenigen Sauerstoffes auszugleichen, welcher gelöst oder mit dem Wasser fortgeführt wird, so steigt der Schaumpegel an. Wenn zuviel Sauerstoff zugeführt wird, wird der Pegel abnehmen. Dieses 5n einfache Ergebnis des hier erreichten Materialgleichgewichtes bietet die Möglichkeit für ein Verfahren der Steuerung der Wirksamkeit des Falles.

Es hat sich gezeigt, daß die Mengen des gelösten und mitgeführten Sauerstoffes prinzipiell Funktionen der a Fallhöhe und der Strömungsgeschwindigkeit sind. Somit kann durch Steuerung der Fallhöhe die Menge des gelösten oder mitgeführten Sauerstoffes konstant gehalten werden. Die Fallhöhe ist leicht steuerbar, indem die Schaumhöhe oder ihr Äquivalent als noch w> vc'rhandener Flüssigkeitspegel in der Fallzone ermiitelt werden, und zwar direkt oder durch Ermittlung des statischen Druckes der Säule und durch Regelung der Sauerstoffzufuhr zur Fallzone.

Die direkte Ermittlung der Fallhöhe kann z. B. durch eine Fühlereinrichtung in Form eines einfachen durchsichtigen Rohres erfolgen, das jeweils oben und unten mit der Fallzobe verbunden ist. Der Pegelstand kann dann entweder direkt beobachtet oder mittels einer Fotozelle ermittelt werden und eine entsprechende Regulierung der Sauerstoffzufuhr in die FaHzone vorgenommen werden.

In der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform wird jedoch eine Differenzdruckmessung vorgenommen. Mit 10 ist die Meßeinrichtung für diese Differenzdruckmessung bezeichnet Sie besitzt Fühleranschlüsse 11 und 12 zum Vergleich des Druckes unten und oben in der Fallzone.

Die Meßeinrichtung 10 ist derart ausgebildet, daß sie über die Regelschleife 13 ein Signal an eine Sauerstoffmeß-Ventileinrichtung 14 liefert, welche ihrerseits eine Steuerung für den Sauerstoff liefert, welcher in das System über die Leitung 9 eintritt Es ist offensichtlich, daß die Meßeinrichtung 10 so eingestellt werden kann, daß sie dann geeignete Steuersignale liefert, wenn der Differenzdruck einen vorgegebenen Pegel verläßt, wodurch die Strömung von Sauerstoff in das System verstärkt oder vermindert werden kann, und zwar gemäß der Verbrauchsrate· de'r.elben, wodurch eine automatische und einfache Steuerung zur Anpassung der Rate des Sauerstoffes gebildet ist welche dem in dem System stattfindenden besonderen Verfahren Rechnung trägt

Die in F i g. 1 veranschaulichte Leitungsanordnung zur Erzeugung der Failzone kann auch andere Ausgestaltungen aufweisen. Beispielsweise kann ein U-förmiger Fall verwendet werden. Außerdem können sowohl der horizontal angeordnet; als auch der leicht vertikal ansteigende Rohrabschnitt dazu verwendet werden, um die Flüssigkeit in die Fallzone einzuführen und aus der Failzone abzuführen. Die Fallzone ist vorzugsweise vertikal angeordnet; das System arbeitet jedoch auch mit einem Fallsystem, welches etwas gegenüber der vertikalen geneigt ist

Die F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung mit Sägezahnprofil, welche hintereinander eine Vielzahl von Leitungsabschnitten aufweist, die jeweils fallende Leitungsabschnitte besitzen, die der in F i g. 1 beschriebenen Fallzone ähnlich sind. Es muß nicht bei jeder Failzone Sauerstoff eingegeben werden. So ist. F i g. 2 zu entnehmen, da3 Sauerstoff nur in den Fallzonen 16, 18 und 21 aus der Sauerstoffleitung 23 eingeführt wird, während die Fallzonen 15, 17, 19, 20 und 22, die keine Sauerstoffeinführutig oder Schaumhöhensteuerung aufweisen, nur dazu verwendet werden, um die Rate der Sauerstoffabsorption zu erhöhen. Die Fig. 2 veranschaulicht auch die Reihe der Fallzonen schematisch in einem System mit aktiviertem Schlamm. Eine Leitung 24 führt gegebenenfalls den Schlamm von der Kläreinrichtung zurück, wo er mit einem Sekundärausfiuß in der Leitung 25 gemischt wird. Die gemischte Flüssigkeit wird dann mittels einer Pumpe 26 durch das System zur Behandlung mit Sauerstoff hindurchgepumpt, und der gereinigte Ausfluß wird von der Kläreinrichtung abgezogen.

Die Fig. 2 veranschaulicht weiterhin eine alternative Möglichkeit zur Steuerung der Sauerstoffzuführung zu dem System, dese Ausführungsform verwendet Druckregler i.i der Gaszuführung zu den Fallzonen wie bei 16a, 18a und 21a. Diese Regler ermitteln den Gasdruck in der Failzone und geben automalisch zusätzlichen Sauerstoff zu oder schließen, wenn es erforderlich ist, um den gewünschten eingestellten Gasdruck zu halten. Der Druck in jeder geregelten Zone ist im allgemeinen gleich der Summe der Druckabfälle, welche in den stromabwärtigen Fallzonen auftreten. Die hydrauli-

sehen Reibungsverluste sind sehr gering und können daher im wesentlichen vernachlässigt werden.

Verschiedene Veränderliche beeinflussen die Gesamtsauerstoffmenge, welche in der erfindungsgemäßen Fallzone dem Wasser zugeführt wird:

1. die Fallhöhe des Wassers,

2. die Strömungsgeschwindigkeit (die volumetrische Wasserdurchflußrate, geteilt durch die Querschnittsfläche des vertikalen Rohres) des Wassers,

3. die Höhe der Schaumsäule,

4. der Partialdruck des Sauerstoffes im Gas und

5. die Eigenschaften des Wassers.

Bei dem Entwurf eines Systems, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, muß man auf die Vorteile achten, die durch Vergrößern der Fallhöhe erreicht werden sollen, unter gleichzeitiger Beachtung der Energie, die erforderlich ist, um das Wasser auf größere Fallhöhen _»i» h*»K*»n Fvr»£rimi»nt<»jlp iinri anajvlisphp MntprQljphlingen haben ergeben, daß sich das beste Gesamtergebnis dadurch erzielen läßt, daß man das mit Sauerstoff zu behandelnde Wasser durch mehrere aufeinanderfolgende Fallzonen fallen läßt, anstatt durch eine einzelne Fallzone, deren Höhe gleich der Summe der verschiedenen kleineren Fälle ist. Beispielsweise wurde bei Versuchen mit Rohren von 15.24 cm und 25,40 cm bei wechselnden Strömungsgeschwindigkeiten ermittelt, daß die pro theoretischer kWh gelösten Sauerstoffmengen mit abnehmender Fallhöhe zugenommen haben. Diese Versuche haben gezeigt, daß mit abnehmender Fallhöhe eine bessere Energieausbeute zu erreichen ist. Andere Versuche wurden zu dem Zweck durchgeführt, um zu bestimmen, welche Auswirkungen sich im Hinbück auf die absolute gelöste Sauerstoffmenge ergeben, wenn die Fallhöhe verändert wird. Dies läßt sich als Sauerstoffwirkungsgrad bezeichnen und ist ein Maß der Veränderung in der Sauerstoffkonzentration beim Durchgang durch eine Fallzone als prozentualer Wert des anfänglichen Sauerstoff-Fehlbetrages. Es hat sich gezeigt, daß im allgemeinen der Sauerstoffwirkungsgrad mit der Höhe anwächst. Bei Zusammenfassung der Ergebnisse ist somit offensichtlich, daß ein Kompromiß gefunden werden sollte, indem ein bestimmter Betrag erhöhter gelöster Sauerstoffmenge zugunsten einer guten Ausbeute an gelöster Sauerstoffmenge, bezogen auf die für das Anheben des Wassers eingesetzte Energie, geopfert werden muß. Dies bedeutet in der Praxis, daß eine überlegene Gesamtanordnung in einer Einrichtung, d. h. in einer Konfiguration, erreichbar ist, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist. wenn eine Reihe von verhältnismäßig niedrigen Fallzonen hintereinander geschaltet werden, und zwar im Gegensatz zu der Verwendung einer geringeren Anzahl von Zonen, die insgesamt dieselbe Gesamtfallhöhe aufweisen.

Bei Versuchen bezüglich des Einflusses der Strömungsgeschwindigkeit des der Fallzone zugeführten Wassers zeigte sich, daß mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit zusätzliche Turbulenz zu erwarten ist welche wiederum höhere Sauerstoffübergangsraten bewirkt Mit erhöhter Geschwindigkeit wird jedoch die Aufenthaltszeit des Wassers verkürzt, und damit wird die Zeit für den Sauerstoffübergang vermindert. Somit besteht für eine bestimmte Fallhöhe ein optimaler Bereich der Strömungsgeschwindigkeit. Es hat sich gezeigt, daß eine Strömungsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 15 cm/sec bis zu etwa 60 cm/sec zu guten Ergebnissen geführt hat. Ein Bereich von etwa 22 cm/sec bis etwa 45 cm/sec hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen. Diese Bereiche führten zu einem maximalen energetischen Wirkungsgrad und zugleich zu hohen Übergangsraten.

Wie oben bereits im Zusammenhang mit der F i g. 1 diskutiert wurde, geht ein nennenswerter Anteil des den Fallzonen zugeführten Sauerstoffs als aus der Zone mitgeführte Blasen verloren, welche in den stromabwärtigen Teil des Systems geführt werden, von wo der Sauerstoff ohne besonderen Wirkungsgrad aus dem System ausgetragen wird. Da das Lösen des Sauerstoffes gemäß der Erfindung vor allem in der Schaumsäule «tattfindpt. Hie am Boden der Fallzonen vorhanden ist. kann es vorteilhaft sein, den Sauerstoff in dieser Zone zu halten. Dies kann dadurch geschehen, daß der in Gasblasen, die sich im oberen Bereich des Abschnittes 5 der Leitung t ansammeln, aus der Fallzone mitgeführte Sauerstoff über ein Rohr der Fallzone wieder erneut zugeführt wird.

Ob eine solche Rückführung vorteilhaft ist, hängt von dein zu behandelnden Wasser ab. In einigen Fällen ist kein Mitführen von Gasblasen erwünscht; in anderen kann dies jedoch der Fall sein. Bei der Sauerstoffbeladung von Frischwasser, welches gewöhnlich mit Stickstoff gesättigt ist, kann der Stickstoff seinem Partialdruck entsprechend i.n der Fallzone durch Sauerstoff ausgetrieben werden. Wird er nun nicht aus der Fallzone entfernt, baut sich eine Stickstoffatmosphäre im Gasraum der Fallzone auf. Dies vermindert den Wirkungsgrad des Falls, da die Sauerstoffübergangsraten vom Sauerstolfpartialdruck im Gasraum der Fallzone abhängen. Somit ist eine gewisse Mitführung von Gasblasen aus der Fallzone durch das abfließende Wasser wünschenswert.

Wenn kein Gas ausgetrieben wird, ist andererseits der ausgeschwemmte Sauerstoff verloren. Es muß dann Sauerstoff zugesetzt werden, um den Verlust auszugleichen, indem entweder eine Rezirkulation vorgesehen wird, oder frischer Sauerstoff zugesetzt wird, um eine konstante Fallhöhe aufrecht zu erhalten. In diesem Fall ist eine Rückführung vorteilhaft und insbesondere dann wünschenswert, wenn die Fallhöhe groß ist und die Höhe der Schaumsäule darunter gering ist da derartige Eigenschaften zu einer ansteigenden Durchspülung von Gas führen.

Wenn in der vorangehenden Beschreibung von Sauerstoff die Rede ist, so ist darunter nicht nur reiner Sauerstoff zu verstehen. In den meisten Fällen wird die Verwendung von handelsüblichem Sauerstoff bevorzugt Es ist jedoch auch möglich, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder andere Sauerstoff enthaltende Gase zu verwenden, und zwar einschließlich von Ozon-Sauerstoff-Gemischen, um die obigen Ergebnisse zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Beeinflussen des Lösens von Sauerstoff in Wasser, insbesondere Abwasser, bei welchem das Wasser innerhalb eines Hohlraumes, der mit Sauerstoff gespeist wird, dem freien Fall unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Erzeugung einer Schaumsäule hoher Turbulenz das Wasser dem freien Fall mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 15 bis 60 cm/sec unterwirft und die für die Sauerstoffsättigung wirksame Höhe des freien Falles in Abhängigkeit des gemessenen Druckes oder des Pegelstandes im Hohlraum einstellt