Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Behandeln von Wässern, die eine Flotationszelle umfasst, in welche das Rohwasser eingeführt wird, das im Vorlauf ausgeflockt und dann mit unter Druck gesetztem Wasser vermischt und derart entspannt wurde, dass die in dem Rohwasser in Suspension befindlichen Stoffe durch die Mikrobläschen, die sich bei der Entspannung bilden, mitgeschleppt und an der Oberfläche der in der Zelle enthaltenen Flüssigkeit abgeführt werden, wobei das behandelte Wasser am Boden der besagten Zelle abgeführt wird.

Eine Anlage des vorstehend erwähnten Typs ist bekannt (EP-A-0 659 690), welche einen Ausflockbereich, einen Bereich zum Mischen des ausgeflockten Rohwassers in aufsteigendem Strom mit unter Druck gesetztem Wasser, das von einem Druck-Entspannungs-System geliefert wird, und einen Flotationsbereich umfasst, in dessen oberem Teil die im Rohwasser in Suspension enthaltenen Stoffe durch die Mikrobläschen an die Oberfläche mitgenommen werden, wobei dieser Flotationsbereich in seinem unteren Teil mit einer perforierten Ablaufvorrichtung (Zwischenboden mit oder ohne Düsen, Sammler, etc...) derart versehen ist, dass die gesamte Fläche des Flotationsbereiches einen einheitlichen und identischen Strömungsfluss der geklärten Flüssigkeit aufweist.

Ein Charakteristikum dieser Flotationsvorrichtungen besteht in der Bildung einer dicken Schicht von Mikrobläschen, dank deren die Ausflockung in zwei Stadien abläuft, zunächst im Ausflockungsbereich, dann inmitten der Mikrobläschenschicht dank der bedeutenden Kontaktmasse der Mikrobläschen, welche außerdem die Abscheidung der in Suspension befindlichen Stoffe durch Flotation sicherstellt.

Eine der Einschränkungen bei der Verwendung solcher Anlagen liegt in ihrer Dimensionierung. Nach „H. J. KIURI, in einem Artikel mit dem Titel „Development of dissolved air flottation technology from the first generation to the newest (third) one (DAF in turbulent flow conditions [Entwicklung der Technologie der Flotation mit gelöster Luft von der ersten Generation zur neuesten (dritten) (DAF in turbulenten Fließbedingungen]", veröffentlicht in „Water Science and Technology" Band 43, N° 8, Seiten 1 bis 7, IWA Publishing 2001, ist eine Grundregel der Dimensionierung von Flotationszellen, dass das Verhältnis der Tiefe (oder Höhe H) des Flotationsbereiches, über dem Abflusssystem angeordnet, geteilt durch die horizontale Länge L zwischen dem Zulauf des Wassers und der gegenüber liegenden Wand (Verhältnis H/L) höher als 1 sein soll. Das Einhalten dieser Regel führt zur Konstruktion von sehr teuren Anlagen mit großer Höhe.

Eine andere Schwierigkeit, die im industriellen Betrieb dieses Anlagentyps aufgetreten ist, betrifft die Bildung eines Betts oder einer Schicht von Mikrobläschen von großer Höhe in der Flotationszelle (Höhe dieser Mikrobläschen-Schicht oft mehr als 3 Meter).

Diese Höhe muss einerseits größer als ein Minimalwert sein, um einen guten Abschluss der Ausflockung sicherzustellen, um die Verbindung zwischen den Mikrobläschen und den Flocken zu optimieren und auch, um das Auftreten von Koaleszenz oder Agglomeration, die am Anfang der Größenzunahme der Mikrobläschen stehen, und damit das Erhöhen von deren Aufstiegsgeschwindigkeit (30 bis 60 m/h) zu ermöglichen, und andererseits muss diese Höhe begrenzt sein, um die Tiefe (d. h. die Höhe) dieser Anlagen, und damit deren Kosten, sowie hohe Übersättigungen mit Gas zu reduzieren. So kommt es, dass eine Höhe von 1,5 m zu einer Übersättigung von +15% führen kann, während eine Höhe von 4 m eine Übersättigung von +40% herbeiführen kann, was einen größeren Nachteil dann darstellt, wenn die Flotationszelle stromauf eines Bereichs zur Filtrationsbehandung z. B. durch Sandbett oder Membranen errichtet ist.

Faktoren, die zur Vergrößerung der Höhe der Mikrobläschen-Schicht führen können, sind insbesondere die folgenden:

• – eine hydraulische Speisung schlechter Qualität (heterogen), die z. B. dazu führt, dass der Druckerhöhungsgrad zunimmt, um die Höhe der Mikrobläschen-Schicht zu vergrößern, um diese stabiler zu machen, und
• – eine bedeutende Länge der Flotationszelle, die zu großen Höhen führt (H/L > 1 gemäß dem früheren Stand der Technik).

Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einerseits das Problem der großen, zum Erhalten der Mikrobläschen-Schicht benötigten Tiefe und andererseits das Problem der Stabilität der besagten Mikrobläschen-Schicht in solchen Behandlungsanlagen zu lösen.

Folglich betrifft diese Erfindung eine Anlage zum Reinigen von Wässern, mit einem Koagulationsbereich, einem Ausflockungsbereich, einem Bereich zum Mischen von mit Flocken vermischtem Wasser in einem aufsteigenden Strom mit unter Druck gesetztem Wasser, das von einem Druckaufbau- und Entspannungssystem als Erzeuger von Mikrobläschen geliefert wird, und mit einem Flotationsbereich, in dessen oberem Abschnitt die in Suspension befindlichen Stoffe abgeführt werden, die durch die Mikrobläschen an die Oberfläche mitgenommen werden, wobei dieser Flotationsbereich in seinem unteren Abschnitt ein Mittel zum Abführen des geklärten Wassers umfasst, wobei diese Anlage dadurch gekennzeichnet ist, dass

• – die Geometrie des Flotationsbereichs so gestaltet ist, dass das Verhältnis zwischen der Höhe des oberhalb des Mittels zum Abführen des geklärten Wassers gelegenen Bereichs und der Länge des besagten Bereichs zwischen 0,3 und 1 liegt; und
• – das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Wasserschicht am Ausgang des Mischbereichs und der Oberfläche des eigentlichen Flotationsbereichs zwischen 0,05 und 0,5 und vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,35 liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus der folgenden Beschreibung ergeben, die hiernach unter Bezug auf die einzige Figur der beigefügten Zeichnung gegeben wird, die in schematischer Weise eine Ausführungsform davon zeigt, die als nicht einschränkendes Beispiel angegeben wird.

Wie man in der Figur sieht, umfasst die Anlage: einen Koagulationsbereich 1, in dem das Rohwasser mit einem Koagulans vermischt wird, welches Koagulans in bestimmten Fällen stromauf dieses Bereiches eingespritzt werden kann; einen Ausflockbereich 3, der vom Koagulationsbereich durch ein Ableitsystem 2 getrennt ist, einen Mischbereich 5, in dem das ausgeflockte Rohwasser, das durch eine Zulauföffnung 4 geführt wird, in einem aufsteigenden Strom mit Mikrobläschen vermischt wird, die durch ein Druck-Entspannungs-System 8 erzeugt werden, und einen Flotationsbereich 6. Der Flotationsbereich 6 ist vom Mischbereich 5 durch eine geneigte Leitvorrichtung 11 getrennt. In diesem Flotationsbereich 6 läuft eine Ansammlung von Mikrobläschen ab, die in einem Abwärtsstrom ein dickes Bett oder eine dicke Schicht bilden, wobei die im Rohwasser suspendierten und von den Mikrobläschen mitgerissenen Stoffe sich an der Oberfläche 7 ansammeln, um bei 10 abgezogen zu werden, und das geklärte Wasser im unteren Teil dieses Flotationsbereiches 6 nach Ablauf durch einen Zwischenboden 9 oder ein gleichwertiges Mittel, das das Arbeiten mit großen Flotations-Geschwindigkeiten erlaubt, entnommen wird.

Am Zulauf des Ausflockbereichs 3 wird das Rohwasser durch das Ableitsystem 2, welches beispielsweise in Form von durchlaufenden oder gezackten Leitblechen, mit durchlöcherten und/oder verzweigten Rohren gebildet sein kann, homogen über die gesamte Breite dieses Bereiches verteilt. Dieses System 2 zum Ableiten und homogenen Verteilen erlaubt es ggf., eine Beigabe eines oder mehrerer Produkte wie Ausflockungs-Hilfsstoff(e) zu dem koagulierten Rohwasser und deren Vermischung mit dem letzteren sicherzustellen, wobei die eigentliche Ausflockung durch ein statisches System oder durch horizontale Drehbarrieren sichergestellt wird. Die Kombination des Verteilsystems 2 und Ausflockern statischer Bauart oder mit horizontaler Drehachse stellt eine homogene Speisung des Flotationsbereichs über dessen gesamte Breite sicher. Die Ausflockung kann auch durch ein System von mechanischen Rührwerken mit vertikalen Achsen in Kombination mit kalibrierten Öffnungen sichergestellt werden, die am Zulauf 4 des Mischbereichs 5 vorgesehen sind. Diese letztere Vorrichtung erlaubt es, die Flüsse wieder zu beruhigen und die hydraulischen Verwirbelungen und Drehbewegungen zu kompensieren, die durch das Rühren mit vertikaler Achse eingeführt werden.

In dem Mischbereich 5 wird das ausgeflockte Rohwasser mit Mikrobläschen vermischt, die inmitten des unter Druck gesetzten Wassers aus dem Druckbehälter 8 in einem ausgehend vom Boden des Bereichs aufsteigenden Strom erzeugt werden, wobei die Entspannung und die Bildung der Mikrobläschen durch eine Anzahl von Einspritzsystemen für das unter Druck stehende Wasser sichergestellt werden, die über die gesamte Breite des Bereichs verteilt sind, wobei diesem aufsteigenden Strom ein absteigender Strom bis zum Ablaufsystem folgt. Der absteigende Strom hat eine geringere Geschwindigkeit als die des aufsteigenden Stroms, wobei die von den Mikrobläschen mitgerissenen, in Suspension befindlichen Stoffe zum großen Teil beim Richtungswechsel des Stroms freigesetzt werden und sich bei 7 an der Oberfläche des Flotationsbereiches ansammeln.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Höhe der Mikrobläschen-Schicht auf Werten von mindestens 1 m bis 1,5 m gehalten, damit man die Nutzeffekte der Mikrobläschen-Schicht erhält, welche die Rolle eines Filters und eines Koaleszenz-Starters dieser letzteren spielt (die Schicht spielt die Rolle eines Beschleunigers der Aufstiegsgeschwindigkeit der koaleszierten Mikrobläschen). Die Höhe des Flotationsbereiches 6 muss also größer als 1,5 oder 2 Meter sein, und erfindungsgemäß liegt das Verhältnis zwischen der Höhe (H) des über dem Ablaufsystem 10 gelegenen Bereichs und der Länge (L) dieses Bereiches zwischen 0,3 und 1 (0,3 < H/L < 1). Dieses Merkmal, das im Gegensatz zu den Empfehlungen des Fachmanns (Seite 1 des Artikels von K. J. KIURU, oben angegeben) steht, erlaubt es, die Tiefe der Anlage zu beschränken, wobei die Fläche dieser letzteren konstant bleibt und im allgemeinen einer Behandlungsgeschwindigkeit (ausgedrückt in Bezug auf die Fläche Sp, d. h. die Fläche des Flotationsbereichs, die der Länge L dieses Bereiches entspricht, die in der Zeichnung angegeben ist) zwischen 15 und 60 m³/m²·h entspricht, was eine merkliche Rückwirkung auf die Baukosten der Anlagen hat. Diese Reduzierung der Tiefe der Anlagen erlaubt es auch, die Übersättigungen mit gelöster Luft und deren Rückwirkungen stromab der Behandlungskette, insbesondere auf die Sand- und/oder Membranfilter, zu vermeiden.

Nach einem anderen Merkmal dieser Anlage gemäß der Erfindung muss das Verhältnis zwischen der Oberfläche Sa der Wasserschicht, die senkrecht zum Auslauf des Mischbereichs 5 gelegen ist (d. h. die Fläche des senkrechten Querschnitts, der zwischen dem oberen Rand der geneigten Leitvorrichtung 11 und der Wasseroberfläche des Flotationsbereichs 6 liegt) und der Oberfläche SP des Flotationsbereichs 6 (Oberfläche dieses Bereichs entsprechend der Länge L) zwischen 0,05 und 0,5 (0,05 < Sa/Sp < 0,5), und vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,35 liegen (0,1 < Sa/Sp < 0,35). Dieses Merkmal erlaubt es, eine Bandbreite von Geschwindigkeiten der Wasserschicht senkrecht zum Ablauf des Mischbereichs derart zu definieren, dass nicht überschritten wird:

• – eine Obergrenze der Geschwindigkeit, über der einerseits eine allgemeine Drehbewegung erzeugt wird, welche die Bläschenschicht im Flotationsbereich 6 verwirbeln und sie mit dem behandelten Ausfluss mittreiben würde und andererseits die an der Oberfläche des Flotationsbereichs gebildete Schlammschicht 7 gravierend abgetragen würde. Man wird bemerken, dass eine Erhöhung des Druckgrades, also der Menge der produzierten Mikrobläschen, die Bläschenschicht stabilisieren könnte, einhergehend mit der Folge eines relativ bedeutenden, im Grenzbereich also mit der durch die Erfindung definierten Anlagengeometrie unverträglichen Zuwachses von deren Höhe;
• – eine Untergrenze der Geschwindigkeit, unterhalb deren der turbulente Strömungszustand im Flotationsbereich 6 nicht ausreicht, um die Bildung und die Stabilität der Mikrobläschen-Schicht zu gewährleisten, was eine rasche Verschlechterung der Qualität des behandelten Wassers mit sich bringt.

Das Abführungssystem 9 für das geklärte Wasser wird von einem mit Perforationen oder mit Löcher aufweisenden Rohren versehenen Zwischenboden wie in EP-A-0 659 690 beschrieben gebildet, wodurch ein Widerstand der Strömung durch diesen Zwischenboden geschaffen wird, der maximal am hinteren Ende des Flotationsbereichs (Ablaufseite) ist und in Richtung zum vorderen Ende (Zulaufseite) abnimmt. Dieses Merkmal erlaubt es, einen turbulenten Strömungszustand inmitten des Flotationsbereiches herzustellen, was den Erhalt einer stabilen und genügend dicken Mikrobläschen-Schicht begünstigt, was wiederum eine hohe Behandlungsgeschwindigkeit ermöglicht.

Diese Dimensionierungsmerkmale erlauben es in für den Fachmann überraschender Weise, Behandlungsgeschwindigkeiten zu erreichen, die von 15 bis 60 m/h reichen können, und dies mit „flachen" Anlagen (Verhältnis H/L zwischen 0,3 und 1 liegend).

Aus der Erfindung ergibt sich eine gewisse Anzahl von Vorteilen, unter denen man erwähnen kann:

• – die Möglichkeit, Anlagen mit hoher Behandlungskapazität bei begrenzter Höhe zu schaffen. So ermöglicht es die Erfindung zum Beispiel, eine Anlage mit einer Länge von 7 m bei einer Höhe von 3 m (anstelle einer Höhe von 7 m oder mehr, wie es der frühere Stand der Technik empfiehlt) auszuführen;
• – die Höhen-Begrenzung der Abmessungen der Anlage führt einerseits zu einer Reduzierung der Baukosten, und andererseits zu einer Begrenzung der Übersättigungen mit gelösten Gasen, die sich abträglich auf die stromab des Flotationsbereiches liegenden Filtersysteme auswirken.

In dem hiervor erwähnten Beispiel reduziert die Annahme einer auf 3 m begrenzten Höhe die Übersättigung des geklärten Wassers beträchtlich, da sie nur etwa 30% höher als das Sättigungsmaß sein kann, während sie mit einer Höhe von 7 m nach dem früheren Stand der Technik 70% erreichen kann.

Hiernach werden zwei Anwendungsbeispiele angegeben, die dazu bestimmt sind, das Interesse an der erfindungsgemäßen Auswahl eines Verhältnisses Sa (Fläche der Wasserschicht in der Senkrechten des Ablaufs aus dem Mischbereich 5) geteilt durch die Fläche Sp des Flotationsbereiches 6 (d. h. die Fläche des Abführungssystems 9) in dem Bereich zwischen 0,05 und 0,5 hervorzuheben.

Diese Beispiele wurden an einer Piloteinheit durchgeführt, die einen Koagulator, einen Ausflocker des statischen Typs und eine Flotationszelle mit einer Zwischenbodenlänge (L) von 2,50 m und einer Höhe (H) über dem Zwischenboden (Abführungssystem 9) von 3,6 m umfasst. Die Höhe der Wasserschicht über dem Mischbereich (Ha) war variabel zwischen 0,07 m und 1,50 m. Die Behandlungsgeschwindigkeit lag bei 35 m³/m²·h. Die Piloteinheit umfasste außerdem einen Druck- (mit 5·10⁵ Pa) und Entspannungskreislauf, der es ermöglichte, einen Druckwasserstrom zwischen 10 und 20% des behandelten Produkts einzuspeisen. Um eine hydraulische Verwirbelung zu simulieren, konnte der Zulauf 4 des Flotationsbereiches teilweise versperrt werden, und bei Versuchen wurden 50% des Durchlasses neutralisiert.

Diese Versuche wurden an einem wenig belasteten Flusswasser durchgeführt. Der Zulaufstrom wurde geregelt, um eine Geschwindigkeit auf dem Zwischenboden 9 von 40 m/h zu erhalten.

Die Zielsetzungen dieser Versuche waren, die hydraulischen Bedingungen, die notwendig zum Bilden und für die Stabilität der Mikrobläschen-Schicht sind, und die Bedingungen für die minimale Höhe dieser Mikrobläschen-Schicht zu untersuchen, um deren Stabilität zu erhalten.

Die beiden untersuchten Haupt-Parameter waren die Höhe der Wasserschicht über dem höchsten Punkt des Mischbereiches und die Homogenität oder Inhomogenität der Verteilung stromauf dieses Bereiches. Der optimale Prozentsatz oder Anteil von unter Druck stehendem Wasser liegt bei etwa 10%, und um die Stabilisierung zu erhalten, wurde er auf 15 und 20% erhöht.

Die Qualitätskriterien sind die Bildung der Mikrobläschen-Schicht, deren Höhe und schließlich die Qualität des flottierten Wassers, die hier durch die Trübung in NTU (nephelometrische [Streulicht-]Trübungs-Einheit) ausgedrückt. Wenn die Trübung geringer als 2 NTU ist, wird sie als annehmbar angesehen, und wenn sie geringer als 1 NTU ist, kann sie als ausgezeichnet betrachtet werden.

Die erhaltenen Ergebnisse wurden in Form zweier Tabellen hiernach genauer dargestellt.

Die erste Tabelle stellt die auf das Beispiel 1 bezogenen Ergebnisse dar, und sie zeigt den Einfluss der Geschwindigkeit der Wasserschicht am Auslauf des Mischbereiches 5 (wobei dieser Auslauf einer Wasserschicht mit einer Höhe Ha und einer Fläche Sa entspricht) auf die Stabilität der Bläschen-Schicht und auf die Trübung des behandelten Wassers.

Die zweite Tabelle stellt die beim Ausführen des zweiten Beispiels erzielten Ergebnisse dar, und sie hebt den Einfluss der Homogenität der Verteilung stromauf des Mischbereiches 5 für ein Verhältnis Sa/Sp gleich 0,15 hervor.

Die Ergebnisse dieser Versuche erlauben es, die folgenden Schlüsse vorzutragen:

• – eine zu hohe Geschwindigkeit im Querschnitt der Höhe Ha bei kleinem Verhältnis Sa/Sp hat die Neigung, die Mikrobläschen-Schicht stark zu verwirbeln und dadurch deren Stabilisierung und folglich ihre Ausbildung zu behindern. Jedoch ist es möglich, durch Erhöhen der Druckaufbaurate dieser Bewegung entgegenzuwirken und eine Bläschenschicht zu erhalten. So war es mit einer Rate von 15% möglich, die Bläschenschicht zu stabilisieren (4. und 6. Fall der vorstehenden Tabelle), aber unter Inkaufnahme einer bedeuteten Vergrößerung dieser Mikrobläschen-Schicht (jeweils 3,3 m und 2,3 m anstelle von 1,5 m);
• – eine zu geringe Geschwindigkeit bei großem Verhältnis Sa/Sp (10. Fall der Tabelle) führt nicht zu der erforderlichen Verwirbelung, der turbulente Strömungszustand wird nicht erreicht und die Bläschenschicht kann sich nicht bilden. Ein Überschuss an Luft ist hier wirkungslos;
• – Die korrekten Verhältnisse Sa/Sp liegen in dem Bandbereich zwischen 0,05 und 0,5 und erlauben es, eine Bläschenschicht von begrenzter Höhe zu erhalten (Verhältnis H/L < 1). Außerhalb dieser Bandbreite wird die Bläschenschicht nicht ausgebildet, oder die Höhe der Bläschenschicht ist zu groß. Im 4. Fall der Tabelle: Höhe der Schicht 3,3 m (also H/L = 1,32).

In der zweiten Versuchsreihe, deren Ergebnisse in der nachfolgenden Tabelle angegeben sind, wurde das Verhältnis Sa/Sp von 0,15 konstant gehalten. Zwei Versuche wurden ausgeführt, der eine mit einer homogenen Einspeisung, die durch ein Leitsystem am Zulauf des Ausflockungsbereichs und eine statische Ausflockung sichergestellt wurde, der andere, indem 50% des Zulaufs 4 der Flotationszelle neutralisiert wurden (niedrige Speisung der Flotationszelle).

Die von diesen Versuchen erbrachten Ergebnisse erlauben es, die folgenden Schlüsse vorzutragen:

• – eine nicht auf der Breite der Flotationszelle homogene Speisung erlaubt es nicht immer, eine Bläschenschicht auszubilden.
• – Im vorliegenden Fall musste die Druckaufbaurate erhöht werden. Die Höhe der Bläschenschicht ist dann bedeutend, hier 3,1 m, und das Verhältnis H/L der Flotationszelle wäre höher als 1, und
• – eine homogene Einspeisung ist notwendig zum Erhalten einer Bläschenschicht von geringer Höhe.

Es bleibt wohlverstanden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hiervor beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass sie alle deren Abwandlungen umfasst.