DRUCKENTSPANNUNGSFLOTATION
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trennung von Substanzen aus einem Fluid mittels Druckentspan¬ nungsflotation.
Es sind die verschiedensten technischen Vorrichtungen und Verfahren zur Trennung von fester und flüssiger Phasen mit¬ tels Druckentspannungsflotation bekannt, beispielsweise aus B. Eppler: "Flotation als modernes Verfahren in industriellen und kommunalen Kläranlagen" in 3R international 32 (1993) H.4, S. 210-215. Dabei wird unter erhöhtem Druck Gas in dem Fluid gelöst, aus dem die Substanzen abgetrennt werden sol¬ len. Nach einer bestimmten Verweilzeit wird das gesättigte Gemisch auf einen niedrigeren Druck entspannt, wobei Gasüber¬ sättigung des flüssigen Mediums eintritt und das nicht mehr gelöste Gas in Form von feinen Mikroblasen frei wird.
Durch Zugabe von Fällungs- und Flockungshilfsmitteln werden die abzuscheidenden Feststoffe aus dem Fluid in eine flocken¬ artige Form übergeführt und die bereits auf diese Weise vor¬ behandelte Suspension wird weiterhin mit dem entspannten Fluid-Gas-Gemisch durchmengt und anschließend einem Flotati¬ onsbehälter zugeführt. Das Fluid-Gasblasen-Gemisch wird dann einem Flotationsbehälter zugeführt, in dem das Aufschwimmen (Flotieren) der abzuscheidenden Feststoff- Flockenverbände erfolgt. Für die Flotationsbehälter sind rechteckige und runde Bauformen bekannt, wobei für runde Flotationsbehälter verschiedene Einströmungsgeometrien benutzt werden, die sich grundsätzlich folgendermaßen unterscheiden lassen:
Die EP 0 442 463 AI beschreibt eine gattungsgemäße Vorrich¬ tung, bei der die Entspannung des unter erhöhtem Druck ste¬ henden Fluid-Gas-Gemisches außerhalb des Flotationstankes in der Zuleitung für das die abzutrennenden Partikel enthaltende Fluid stattfindet, und das bereits entspannte Gemisch über eine Zuleitung im Zentrum des Bodenbereiches des Flotations¬ tankes radial nach oben einströmt.
Die DE 27 13 088 C2 und EP 0 228 396 B2 beschreiben Vorrich- tungen, bei der die Zuleitung des Fluid-Gas-Gemisches in Form eines in dem Flotationstank umfahrenden, radialen Einström¬ rohres ausgebildet ist. Wesentlich dabei ist, daß das gesamte Gemisch aus dem Fluid mit den abzutrennenden Stoffen und den Gasblasen zusammen in den Flotationstank einströmt. Dabei kann entweder das gasgesättigte, unter erhöhtem Druck stehen¬ de Fluid vorher dem Hauptstrom unter Entspannung und Blasen¬ bildung zugemengt werden, ähnlich wie bei der oben erwähnten EP 0 442 463 AI, oder es findet eine Entspannung und Blasen¬ bildung zugleich mit der Einleitung in den Flotationsbehälter statt, wobei die Einleitungsöffnungen jedoch, wie oben er¬ wähnt, im Flotationsbehälter umlaufen.
Diese bekannten obengenannten Vorrichtungen weisen folgende Nachteile auf. Beim Einmischen des Gasblasenstromes in den Hauptfluidstrom mit den abzuscheidenden Feststoffen lassen sich Einströmungsturbulenzen nicht vermeiden, was zu einer Scherkraftbelastung der als Flocken konditionierten abzu¬ scheidenden Feststoffe führt und damit den Chemikalienver¬ brauch von Flockungs- und Flockungshilfsmitteln erhöhen kann. Außerdem erfolgt die Entspannung des gasgesättigten Fluid- Gas-Gemisches in dem Prozeßablauf deutlich vor der Flotation (d.h. dem Aufschwimmen der abzutrennenden Feststoffe mit Hilfe der Gasblasen) , was einen nicht optimalen Wirkungsgrad zu Folge hat, da die Gasblasen bereits vor dem Flotationspro- zeß zu größeren Blasen agglommerieren und/oder entgasen kön¬ nen. Dadurch ergeben sich erhöhte Prozeßverluste. Zudem bil-
det sich in den Anlagen mit zentralstatischem Einlauf und Zu¬ führung des Gasgemisches vor Einlauf in den Flotationstank aufgrund des Druckunterschiedes eine hauptsächlich vertikal gerichtete Strömung aus, was zu Wallungen führt und eine un- genügende Verteilung der Gasblasen im Randbereich des Flota¬ tionsbehälters zur Folge hat.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Druckentspannungsflo- tation anzugeben, die die obengenannten Nachteile vermeidet und eine verbesserte Trennung von Feststoffen bzw. lipophilen Stoffen aus dem Fluid unter geringerem Energieverbrauch der gesamten Vorrichtung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 14 gelöst.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß durch die Einleitung des Fluid-Gas-Gemisches in den Flotati- onstank unterhalb der Schicht, in der das von Substanzen zu separierende Fluid strömt, ein effektiverer Flotationsprozeß bewirkt wird, insbesondere wenn mindestens ein Teil der Ent¬ spannung im Gemischeinlaß erfolgt. Es lassen sich also die Verluste nach der Entspannung bzw. Übersättigung gering hal- ten, bzw. die entstehenden Gasblasen sofort zur Flotation verwenden. Die Strömungskonfiguration ist so geartet, daß keine Turbulenzen entstehen, die die Flockenstruktur des vor¬ behandelten Abwassers beeinträchtigen, was einen geringstmög¬ lichen Verbrauch an Flockungsche ikalien sicherstellt, und damit die Umweltbelastung reduziert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine verbesserte Beschickung der Randbereiche des Flotations¬ bereiches erzielbar ist, wodurch eine insgesamt verbesserte Abscheidung erfolgen kann. Dabei erfolgt die Entspannung zu¬ mindest teilweise direkt in den Flotationsbehälter, was den
Vorteil hat, daß eine Agglomeration von kleinen Gasblasen verhindert wird, da die Entspannung nicht, wie bei den her¬ kömmlichen Anordnungen, vor der Einleitung des zu separieren¬ den Fluids in den Flotationstank erfolgt. Dadurch ergibt sich ein verbesserter Ausnutzungsgrad der gebildeten Gasblasen. Weiterhin wird nur ein Teil des von den Substanzen zu sepa¬ rierenden Fluides komprimiert und mit Gas gesättigt und an¬ schließend direkt im Flotationstank entspannt und zur Gasbla¬ senbildung benutzt. Damit werden bei dem gesamten Flotations- prozeß Verluste reduziert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Fluideinlaß zentral im unteren Bodenbereich des Flotations¬ tanks angeordnet und enthält eine nach oben ausgerichtete Mündung, wobei oberhalb der Mündung ein Leitblech angeordnet ist, das eine Umlenkung der Fluidströmung in radiale Richtung bewirkt. Dadurch läßt sich eine gleichmäßige Einleitung des die Feststoffe und/oder lipophilen Stoffe enthaltenden Flui¬ des erzielen. Vorzugsweise hat der Gemischeinlaß eine Mün- düng, die einen im wesentlichen radialen Strömungsaustritt des Fluid-Gas-Gemisches bewirkt. Damit läßt sich insbesondere bei kreisrunder Ausbildung des Floationstankes eine gleichmä¬ ßige Verteilung der Gasblasen erreichen. Vorzugsweise enthält der Gemischeinlaß entweder ein ringförmiges Druckentspannung- sele ent an seiner Mündung oder mehrere als Ringsegmente aus¬ gebildete Druckentspannungselemente.
Gemäß noch einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind weitere Gemischeinlaßöffnungen konzentrisch außerhalb des Fluideinlasses im Flotationstank angeordnet. Diese Ausbildung eignet sich insbesondere bei großen Flotationsbehältern, da wegen der Auftriebskraft der Gasblasen in den radial äußeren Behälterbereichen die Wirksamkeit der Flotation nachläßt. Durch die zusätzliche Gaseinblasung wird dieser Nachteil überwunden.
Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß oberhalb der Mündung des Gemischeinlasses ein Leitblech für das Fluid- Gas-Gemisch angeordnet ist. Dadurch läßt sich eine wirksame Einleitung des direkt beim Eintritt in den Flotationsbereich entspannten Gas-Fluid-Gemisches erzielen. Es läßt sich im Flotationsbereich eine vom Zentrum nach außen gerichtete ra¬ diale Zweischichtströmung erzielen, wobei die untere Schicht im wesentlichen das Fluid-Gas-Gemisch und die obere Schicht im wesentlichen das Fluid enthält. Die Zweischichtströmung erfolgt dabei vorzugsweise horizontal vom Zentrum nach außen gerichtet.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für die Klärung von Abwasser. Andererseits sind auch andere Anwen- dungsbereiche möglich, wie beispielsweise im Brauereiwesen. Die Erfindung ist dabei nicht auf die Abtrennung von Fest¬ stoffen aus einer Flüssigkeit beschränkt, sondern ist genauso für die Entfernung lipophiler Komponenten wie Öle, Wachse etc. geeignet.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Fig . 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das das Arbeits- prinzip der Flotationsvorrichtung erläutert,
Fig . 2 ist ein Längsschnitt des Flotationsbehälters mit Einströmvorrichtung und Abschöpfvorrichtung,
Fig . 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 2, und
Fig . 4 ist eine Aufsicht und eine Ansicht in Umfangsrich- tung des Flotationstankes.
Die nachfolgende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbei- spiels bezieht sich auf die Ausbildung der Erfindung zur Ab¬ wasserklärung, ohne daß damit eine Beschränkung auf diesen Bereich erfolgen soll.
Das von Feststoffen oder lipophilen Stoffen zu separierende Fluid, vorzugsweise Rohwasser 1 wird, wie in Fig. 1 schemati¬ sch dargestellt, mittels einer Zulaufpumpe 2 über die Zulei¬ tung 13 in die Flotationsvorrichtung 3 gepumpt, in der eine Trennung in eine feste und eine flüssige Phase erfolgt, so daß zwei Teilströme entstehen, nämlich die flüssige annähernd feststoffreie Klarphase 4 und die feste Phase 5, die auch als Flotat bezeichnet wird und den größten Anteil der Feststoffe enthält. Vor oder nach der 'Zulaufpumpe 2 können eine oder mehrere Chemikalien 6, 7 zur Fällung und/oder Flockung zuge¬ geben werden, die dazu dienen, gelöste bzw. teilgelöste, kol¬ loidal vorliegende und freie Feststoffe in Flockenform über¬ zuführen. Das so vorbehandelte Rohwasser 1 wird der Flotati¬ onsvorrichtung 3 zugeführt.
Zur Bildung von Gasblasen wird ein Fluid in eine Vorrichtung 8 eingeleitet, wo unter einem vorzugsweise deutlich über dem Umgebungsdruck liegenden Druck ein Gas 9 in dem Fluid gelöst wird und vorzugsweise eine Sättigung des Fluides mit dem Gas angestrebt wird. Hierzu wird vorzugsweise über das Ventil 54 ein Teil des feststoff-freien Fluides, das über die Leitungen 55 die Flotationsvorrichtung 3 verläßt, über die Leitung 57 zur Vorrichtung zurückgeführt. Alternativ kann anstelle des geklärten Fluides auch Wasser aus anderen Quellen verwendet werden.
Die Erzeugung des erforderlichen Druckniveaus erfolgt über die Pumpe 10. Die flüssige Phase mit dem gelösten Gas wird unter Beibehaltung des hohen Drucks in die Flotationsvorrich- tung 3 eingeführt. In der Flotationsvorrichtung 3 selbst er- folgt die Entspannung, was eine Übersättigung der Flüssigkeit an Gas zur Folge hat und feine Mikrobläschen entstehen läßt.
Die Entspannung des Fluid-Gas-Gemisches bzw. die Strömungs- führung ist derart ausgebildet, daß in der Flotationsvor¬ richtung 3 eine vorzugsweise horizontale Zweischichtströmung
entsteht; im unteren Bereich eine Gasblasenströmung 11 des Fluid-Gas-Gemisches, im oberen Bereich eine Rohwasserströmung 12 mit den Feststoffen in geflockter Form. Die entstandenen Gasblasen können an den abzuscheidenden Feststoffen/Flocken anheften und ein Abscheiden dieser durch Aufschwimmen (Flotation) erreichen.
Zur Herstellung des gasgesättigten Fluid-Gas-Gemisches in der
Vorrichtung 8 wird vorzugsweise ein Teil der Klarphase 4 über die Pumpe 10 an die Vorrichtung 8 zur Begasung zurückgeführt.
Die Ausströmleitung 55 aus der Flotationsvorrichtung 3 ist mit einem Niveauregelventil 56 versehen, um den Flüssigkeits¬ spiegel in der Flotationsvorrichtung 3 konstant zu halten.
Vorzugsweise beträgt der gasgesättigte Volumenstrom, der über die Mündung 19 in den Flotationstank 14 eintritt, etwa 15 bis 45, besonders bevorzugt 25 bis 35% des Volumenstroms der sub¬ stanzbehafteten Strömung 1.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird als Flotationsvorrichtung 3 vorzugsweise ein kreisrunder Flotationstank 14 mit annähernd flachem Boden und senkrechten Außenwänden verwendet. Durch¬ messer und Bauhöhe des Flotationstankes 14 werden abhängig vom Einsatzfall, gewünschtem Separationsgrad, Feststoffmenge sowie hydraulischer Beschickungsmenge gewählt.
In einem in Fig. 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsbei- spiel sind zentral im Flotationstank 14 folgende Elemente konzentrisch angeordnet. Zentral angebracht ist das Zulauf¬ rohr 15, über das das Rohwasser 1 mit den geflockten Fest¬ stoffen zugeführt wird, konzentrisch außerhalb davon ist der sogenannte Gemischeinlaß 16 angebracht. Der mit Gas zu sätti¬ gende Flüssigkeitsstrom 17 wird mit Hilfe einer Pumpe 10 in eine Vorrichtung 8 zur Gassättigung gepumpt (Fig. 1) , wobei der Druck in dieser Vorrichtung 8 über dem Umgebungsdruck
liegt. Es erfolgt eine Gassättigung der Flüssigkeit bei dem vorhandenen Prozeßdruck. Von dort aus wird das mit Gas gesät¬ tigte Gas-Fluid-Gemisch unter Beibehaltung des erhöhten Pro¬ zeßdrucks über den konzentrisch angeordneten Gemischeinlaß 16 eingeführt, wobei der Austritt des Flüssigkeitsstroms radial nach außen in den runden Flotationstank 14 durch ein oder mehrere Einlaßelemente 18 erfolgt.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführung der Erfindung erfolgt zumindest ein Teil der Entspannung über eine Mündung 19 mit einem einstellbaren Ringspalt, während unter Umständen in ei¬ ner in Fig. 1 dargestellten Vorentspannungseinrichtung 51 ei¬ ne Vorentspannung erfolgt. Die Spaltöffnung kann durch verti¬ kale Verschiebung des Einlaßelementes 18 angepaßt werden, welches über die Versteileinrichtungen 18a axial verstellt werden kann. Möglich ist auch die Anordnung mehrerer ringför¬ mig angeordneter Entspannungskammern, die auch als Teilseg¬ mente ausgeführt sein können. Über dem Ringspalt sind zen¬ trisch angeordnet ein oder mehrere vorzugsweise runde, telle- rartige, bzw. ringartige Leitbleche 20, die dazu dienen, den Gasblasenstrom in eine radiale nach außen gerichtete, gleich¬ mäßige, horizontale Gasblasenströmung 11 überzuführen.
In einer anderen vorzugsweisen Anordnung ist das Leitblech 20 direkt auf dem als Druckentspannungselement wirkenden Einlaß- element 18 befestigt. Die Zuführung des Rohwassers 1 erfolgt vorzugsweise über ein vertikales, zentrisch in der Mitte des
Flotationstankes 14 eingebautes Zulaufröhr 15, das oberhalb der Druckentspannungszelle 16 oder, soweit vorhanden, ober- halb des tellerförmigen Leitbleches 20 endet. Das senkrecht einströmende Rohwasser 1 muß nun in eine radial nach außen gerichtete Strömung übergeführt werden, wobei zu diesem Zweck in einem vorzugsweisen Ausführungsbeispiel zentrisch über dem
Zulauf ein nach oben öffnendes, kegelförmiges Leitblech 21 installiert ist. Mit zunehmendem Radius ergeben sich somit für das einströmende Rohwasser 1 größere Strömungsquerschnit-
te, was eine Verlangsamung der Geschwindigkeit des einströ¬ menden Rohwassers 1 sicherstellt. Durch diese Anordnung ist sichergestellt, daß sich eine horizontale, radial nach außen gerichtete Zweischichtströmung 11,12 einstellt.
Am Ende des tellerförmigen Leitbleches 20 ergibt sich eine Mischzone, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sich die unten horizontal nach außen strömende Gasblasenströmung 11 mit der darüber nach außen strömenden RohwasserStrömung 12 mischt, da die Gasblasenströmung eine geringere Dichte hat. Gasblasen heften sich an die Feststoffe in geflockter Form und bilden Verbände, die zur Flüssigkeitsoberfläche aufschwimmen (flotieren) .
Je nach Größe des Behälters können zusätzlich ein oder mehre¬ re Ringentspannungselemente mit unterschiedlichem Abstand zum Zentrum eingebaut werden, die bei größerem Abstand als seg- mentierte Ringelemente ausgeführt werden können. Die auf¬ schwimmenden Feststoffe bilden an der Oberfläche eine Schlamm- oder sog. Flotatschicht 23, die durch eine Abschöpf¬ vorrichtung ausgetragen und in einem zentrisch plazierten Schlammbehälter 24 gesammelt wird, der über ein vertikal nach unten gerichtetes Fallrohr 25 entleert wird. Ein in Fig. 2 gezeigter Schöpfmechanismus ist in einer umfahrenden Rahmen- konstruktion 26 gelagert. Zum Austragen der Flotatschicht 23 wird ein sogenannter rotierender Flotatschöpfer 31 verwendet. Die Drehachse des Flotatschöpfers 31 ist leicht zur Mitte hin geneigt, wo sich ein Schlammbehälter 24 befindet. Als Achse wird ein Rohr 32 verwendet, an dem zwei Spiralschaufeln 33 so befestigt sind, daß nach dem Abschöpfen der Flotatschicht 23 diese über das Rohr 32 in den Schlammbehälter 24 gelangt.
Während bei bisherigen Bauausführungen die Spiralschaufeln 33 des Flotatschöpfers 31 so ausgebildet waren, daß ein zur Was- ser- Schlammoberfläche paralleles Abschöpfen, also ein Ab¬ schöpfen mit gleicher Tiefe, vorgesehen war, soll bei der er-
findungsge äßen Ausführung der Schöpfer so ausgeführt werden, daß von innen nach außen mit zunehmendem Radius auch die Schöpftiefe der Spiralschaufeln 33 steigt, um die nach außen hin dicker werdende Flotatschicht 23 so abzuschöpfen, daß möglichst wenig von der flüssigen Phase ausgetragen wird.
Die Drehgeschwindigkeit des Flotatschöpfers 31 steht in einem festen Verhältnis zu der Umfahrgeschwindigkeit der Rahmenkon¬ struktion 26, wobei die Spiralschaufelgeschwindigkeit so ein- gestellt wird, daß das Eingreifen bzw. Abschöpfen der Spiral¬ schaufel 33 dort beginnt, wo zuvor eine andere Spiralschaufel 33 den Schöpf organg beendet hat.
An der umfahrenden Rahmenkonstuktion 26 ist ein Bodenräumer 35 befestigt, der den durch Sedimentation abgeschiedenen Schwerschmutz in eine Sedimentmulde räumt, aus der der Schwerschmutz über ein zeitgetaktetes Ablaßventil abgezogen bzw. ausgespült wird.
Während sich im oberen Bereich der Anlage eine Flotatschicht 23 aus den abzuscheidenden Substanzen bildet, erhält man im unteren Bereich die Flüssigphase 38, die annähernd feststof- frei ist (Klarwasser) . In einer in Fig. 4 dargestellten vor¬ zugsweisen Ausführung ist eine äußere vertikale Außenwand 39 der Flotationsanlage im unteren Bereich mit horizontalen schlitzartigen Öffnungen 40 versehen. An der Außenseite der geschlitzten Behälterwand befinden sich ein oder mehrere Sam¬ melgefäße 41 mit Sammelrohren 42, über die das Klarwasser aus dem Flotationstank 14 abgeführt wird. Über den Umfang ver- teilt befinden sich mehrere solcher Klarwassersammelgefäße 41, wobei die schlitzartigen Öffnungen 40 in der Außenwand 39 des Flotationstankes 14 so gestaltet sind, daß ein gleichmä¬ ßiges Abfließen über den ganzen Umfang der Außenwand 39 ge¬ währleistet ist. Wie in der Ansicht von Fig. 4 in Richtung des Pfeiles A dargestellt, weisen die Öffnungen 40 in der Au¬ ßenwand 39 einen um so größeren Querschnitt auf, je weiter
sie vom jeweiligen Sammelrohr 42 entfernt sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Anzahl der Öffnungen 40 entsprechend festgelegt werden.
Wie in Fig. 4 dargestellt, können radial außerhalb des ei¬ gentlichen Gemischeinlasses weitere Gemischeinlässe 50 ange¬ ordnet werden, um auch im Randbereich des Flotationstankes 14 die erhöhte Gasblasenkonzentration zu erhalten. Diese weite¬ ren Gemischeinlässe 50 können Teil eines ringförmigen Zufüh- relementes sein oder, wie in Fig. 4 gezeigt, als Einzelele¬ mente ausgeführt werden. Die zusätzlichen Gemischeinlässe 50 sind vorteilhafterweise ebenfalls als Drosselstellen zur di¬ rekten Entspannung des Fluid-Gas-Gemisches in den Flotati¬ onstank 14 ausgebildet.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann in der Leitung von der Gaser¬ zeugungsvorrichtung 8 zum Gemischeinlaß eine Vorentspannungs¬ vorrichtung 51 angeordnet werden, die eine Teilentspannung bewirkt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die als Drosselstelle dargestellte Vorentspannungsvorrichtung 51 als Turbine ausge¬ bildet ist, die über eine Welle mit der Pumpe 10 gekoppelt ist. Hierdurch läßt sich die erforderliche Leistung zum Be¬ trieb der Pumpe erheblich herabsetzen. Dabei ist es zweckmä¬ ßig, wenn zur Versorgung der oben erwähnten zusätzlichen Ge- mischeinlässe 50 hinter der Vorentspannungsvorrichtung 51 ab¬ gezweigt wird.