Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Begasungsflotation.

Abgesehen von der flotativen Aufarbeitung von Erzen, wo die Flotation seit Jahrzehnten ein konkurrenzloses Verfahren zur selektiven Klassierung darstellt, hat sich die Flotation nur noch in der Abwasserreinigung eingeführt, wo sie im wesentlichen zur Eindickung des Überschuß-Klärschlammes verwendet wird.

Zu diesem Zweck sind feinste Gasbläschen und ein Ausbleiben der Turbulenz in der Strömung nötig. Beides wird mittels einer sog. Druckentspannungsflotation (engl. Dissolved Air Flotation) bewirkt. Dazu werden etwa 30% des vom Belebtschlamm gereinigten Abwassers im Kreislauf über einen Druckbehälter geführt und dort bei ca. 6 bar mit Luft bis zu 70% der Gaslöslichkeit gesättigt. Dieser Flüssigkeitskreislauf wird anschließend im Flotationstrog über einen Druckventil entspannt. Es entstehen feinste Gasblasen (Bläschendrm. 40-60 µm), die die Oberfläche der Belebtschlamm-Flocken besetzen und sie zur Oberfläche tragen, flotieren.

Um der Flotation als einem interessanten mechanischen Trennverfahren für das System fest/flüssig auch zur Reinigung von Prozeßwasser in der chem. Industrie eine Chance zu geben, wurde die sog. Begasungsflotation (engl.: Induced Air Flotation) entwickelt. Zu diesem Zweck wurde eine neue, selbstansaugende und radialstrahlende Trichterdüse entwickelt (EU - 0 035 243), die relativ feine Gasblasen (ca. 200 µm) erzeugt und sie gleichmäßig über dem Boden der Flotationszelle verteilt. Diese Technik hat sich bei vielen Betriebsaufgaben bewährt, vgl. z. B. Zlokarnik, M., Chem.-Ing.-Techn. 53 (1981) 8, 600-606 und Kem. Ind. (Zagreb) 34 (1985) 1, 1-6. Als Beispiel einer großtechnischen Anwendung dieser Technik ist die flotative Entfernung von Silbersalzen aus dem Waschwasser einer großen Filmfabrik zu nennen (EU-0 059 227).

Wenn bei der biol. Abwasserreinigung der sog. Belebungsraum als Grube oder als Turm von > 10 m Höhe ausgeführt wird, wird anschließend die sedimentative Trennung des Belebtschlammes vom gereinigten Abwasser stark beeinträchtigt, weil das gereinigte Abwasser gelöstes CO₂ enthält, das entgast und die Flocken am Sedimentieren hindert. In diesen Fällen ist die Flotation sicherlich die Trennmethode der Wahl.

Für diese Aufgabe mußte die Flotation als ein kontinuierlich laufendes Verfahren ausgeführt werden, was ein völlig neues Konzept der Flotationszelle erforderlich machte. Die Flotationszelle wurde zweigeteilt, indem in ihr ein zweiter Behälter konzentrisch angebracht wurde. Dieser Behälter ist mit der Trichterdüse versehen und dient als der eigentliche Flotationsraum. Zwischen dem inneren und äußeren Behälter ist aber ein Ringraum entstanden, der vom Flüssigkeitsdurchsatz von oben nach unten laminar durchflossen wird. Dieser Ringraum erfüllt die Aufgabe eines Beruhigungsraumes, in dem noch feinste, von der Flüssigkeit mitgerissene Flocken nach oben aufrahmen und ausgetragen werden können, vgl. Zlokarnik, M., Korresp. Abwasser 32 (1985) 7, 598-603. Diese Technik wurde in einigen Kläranlagen der Bierbrauereien verwirklicht und hatte sich sehr gut bewährt, vgl. Schmidt, E., Brauwelt 123 (1983) 42, 1830-1841 und Kühbeck, G., Forum der Brauerei 6 (1984), 126-131.

Bei weiteren möglichen Anwendungsfällen hatte sich jedoch öfters herausgestellt, daß sowohl die Begasungsvorrichtung (die Trichterdüse) als auch die beschriebene Flotationszelle einige Nachteile aufweisen, die einer universellen Anwendung dieses Konzeptes im Wege stehen.

So erzeugt die Trichterdüse für viele Feststoff-Dispersionen zu große Gasblasen, um sie zufriedenstellend flotieren zu können. Um diese Aufgabe optimal zu erfüllen, müßte der Flüssigkeits-Treibstrahldurchsatz im ringförmigen Mischraum der Trichterdüse auf eine maximale und gezielte Scherwirkung getrimmt werden; dies ist durch die Steigerung der Sogwirkung allein nicht zu bewerkstelligen, zumal es wenig Sinn macht, für eine starke Sogwirkung der Trichterdüse zu sorgen und gleichzeitig den angesaugten Gasdurchsatz zu drosseln, wie dies bei der Trichterdüse mit konstantem hydraulischen Querschnitt erfolgt; vgl. Zlokarnik, M. und J. Su ≙a, Chem.Ing.-Techn 68 (1996) 12, 1572-1574.

Die bisherige Konzeption der Flotationszelle, wonach der eigentliche Flotationsraum konzentrisch vom Ringraum umgeben ist (DE 33 47 525 A1), in dem der Flüssigkeitsdurchsatz bei laminarer Strömung von oben nach unten beruhigt und von restlichen Feststoff-Partikeln befreit wird, birgt bei technischen Zellenausführungen (D ≥ 4 m) zwei gravierende Nachteile in sich:

Der erste Nachteil besteht darin, daß das Flotat vom Räumer über den ganzen Zellenquerschnitt geschoben werden muß, was den Strömungszustand im Ringraum beeinträchtigt und die Gefahr in sich birgt, daß Teile des kompaktierten Schlammes im Ringraum sedimentieren, bevor sie über den Zellenrand aus der Zelle entfernt werden.

Der zweite Nachteil betrifft den Beruhigungsraum. Seine Dimensionierung erfolgt nach der im Modellversuch ermittelten Leerrohrgeschwindigkeit v (meist v ≈ 10 m/h) und zusätzlich nach der Forderung nach laminarer Strömung, also Re ≈ 2000. Beide Forderungen lassen sich gleichzeitig nur dann erfüllen, wenn die Abmessungen des Ringraumes durch den Einbau eines beliebig geformten Beruhigungsgitters verkleinert werden. Man muß dabei allerdings in Kauf nehmen, daß die Flocken die Oberfläche des Gitters belegen und somit auch den Querschnitt einengen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, apparative Veränderungen an der Trichterdüse und an der Flotationszelle zu schaffen, die die genannten Nachteile beseitigen.

Die erfindungsmäßige Veränderung der Trichterdüse besteht darin, daß im Strömungskanal der Trichterdüse 1-5 Stolperkanten am Umfang des Kegels und ggf. auch des Trichtergehäuses angebracht werden, vgl. Fig. 1, die dafür sorgen, daß die laminare Grenzschicht sowohl auf dem kegelförmigen Umlenkelement als auch auf dem Gehäuse abreist und es zur voll ausgebildeten turbulenten Strömung im ganzen Kanal kommt.

Durch diese Maßnahme wird die Sogwirkung einer beliebig ausgeführten Trichterdüse verbessert. Noch wichtiger ist es, daß damit die höchstmögliche Scherwirkung der Strömung im Kanal erzeugt wird, die Voraussetzung zur Bildung allerfeinster Gasbläschen ist.

In Fig. 2 ist die Sog-Charakteristik einer Trichterdüse (Durchmesser der Trichterbasis D_b = 160 mm; Treibstrahldüsendrm. d = 20 mm; Flüssigkeitsüberdeckung der Düse H' = 800 mm) in Abhängigkeit von der Spaltweite s (hydr. Durchmesser D_h des Spaltes) sowie von der Anwesenheit der Stolperkante am Kegel dargestellt und belegt, welche Bedeutung der Aufspreizung des Flüssigkeitstreibstrahles über den gesamten Ringkanal zukommt.

Die Prozeß-Kennzahl hier ist die erweiterte Froude-Kennzahl

Bei Trichterdüsen mit Basis-Durchmessern > 500 mm und noch vertretbarer kleinster Spalthöhe von 15 mm resultieren Strömungsquerschnitte, die bei einem Flüssigkeitsdurchsatz von ca. 100 m³/h Freistrahl-Geschwindigkeiten < 1,5 m/s liefern. Bei größeren Trichterdüsen wird man u. U. gezwungen sein, eine Aussparung des Trichterkanals durch seine Segmentierung vorzunehmen, damit die Geschwindigkeit des austretenden Freistrahls der Dispersion Gas/Flüssigkeit nicht wesentlich unter diesen Wert abfällt.

Diese Ausführungsform einer Trichterdüse ist bereits mit DE 26 34 496 C2 geschützt worden, nur handelt es sich dort um einen trichterförmigen Injektor zur Flüssigkeitsbegasung, der dadurch in einen "Injektor-Büschel" verwandelt wird.

Im vorliegenden Fall bedeuten die Segmente einen zusätzlichen geometrischen Freiheitsgrad und bewirken einen dreifachen Nutzen:

• a) Bei einer vertretbaren Mindest-Spalthöhe des Kanals kann auch bei großen Trichterdurchmessern eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Freistrahls gewährleistet werden.
• b) Die Segmente können so ausgeführt werden, daß bei konstanter Spalthöhe beliebige Kanalquerschnitte erzielt werden: Konfusor, Diffusor, "Venturi"-Kanal, usw. Auf diese Weise ist es möglich, die Sogwirkung im Ringspalt jeder Aufgabe optimal anzupassen. In Regelfall werden 4 bis 8 Segmente genügen.
• c) Die Segmente erlauben es, den trichterförmigen Kegel fest mit dem Gehäuse zu verbinden, womit eine zentrierte, leichte und dennoch steife Verbindung zwischen den beiden Teilen entsteht. Eine Ausführung einer solchen Trichterdüse zeigt Fig. 3.

Die erfindungsmäßige Veränderung der Flotationszelle besteht darin, daß der Ringraum als Flotationsraum ausgeführt wird und der innere zylindrische Behälter den Beruhigungsraum bildet. Dieses erfinderische Konzept ist in Fig. 4 vorgestellt. Diese Ausführung der Flotationszelle bietet gleichzeitig mehrere bedeutende Vorteile:

• 1. Der Düse steht der ganze Zellenquerschnitt zur Verfügung; somit wird der Freistrahl G/L aus der Düse großflächig verteilt, was die Turbulenz im anschließenden Ringraum herabsetzt und eine gleichmäßige Verteilung der Gasblasen über den gesamten Querschnitt der Flotationszelle ermöglicht.
• 2. Die Hauptmenge der flotierten Flocken rahmt in der Nähe der äußeren Zellenwand auf und kann somit vom Räumer unmittelbar und ohne Aufwirbelung der Oberfläche über den Zellenrand geschoben werden.
• 3. Im oberen Teil des zylindrischen Beruhigungsraumes bildet sich ein Flockenfilter aus, der für eine weitgehende Flockenfreiheit im Zylinder sorgt (ähnlich wie bei der Sedimentation im sog. Dortmund-Brunnen). Dieser Flockenfilter wird bei diesem Konzept vom Räumer praktisch nicht gestört, was seiner ungehinderten Ausbildung zugute kommt.
• 4. Der innere Zylinder erhält auf der unteren 1/2 bis 2/3 Höhe einen kreuz- oder ringförmigen Beruhigungseinsatz. Da dies bei einem kreisförmigen Querschnitt eine äußerst einfache Maßnahme ist, kann der Zylinderquerschnitt je nach Flotationsbedingungen sogar so weit wie möglich auf Kosten des Ringraumquerschnitts vergrößert werden.

Das neue, erfinderische Konzept der Aufteilung des Begasungs- und des Beruhigungsraumes ermöglicht eine problemlose Beherrschung großer Zellendurchmesser und beinhaltet einen weiteren, 5. Vorteil, der genutzt werden kann, wenn die Flotationszellen übereinander gestapelt werden sollen. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß eine bereits durchschnittliche Flotationsgeschwindigkeitskonstante von k = 1 min^-1 in Verbindung mit den oben genannten Auslegungs-Kriterien für den Beruhigungsraum (Re = 2.000; v = 10 m/h) eine Zellenhöhe von H ≈ 2 m nach sich zieht. Für eine Feststoffabmagerung in der Flüssigkeit von c_t/c₀ = 10^-3 sind dann lediglich 1,15 m, für c_t/c₀ = 10^-4 nur 1,53 m erforderlich.

Daraus folgt, daß große Flotationszellen bei dieser Technik Pfannenform besitzen werden, wodurch sie parallelgeschaltet und übereinander gestapelt werden können. Bei 2 bis 3 Zellen übereinander ermöglicht dies eine intensive Nutzung der Betriebsfläche.

Nun kommt der 5. Vorteil der Zellenaufteilung zum tragen. Weil der Flotat im Ringraum aufsteigt, erlaubt sie es nämlich, ihn über einen um dem Zellenumfang rotierenden Schlammsauger abzusaugen.