DE3784753T2

DE3784753T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung stehender Gewässer.

Info

Publication number: DE3784753T2
Application number: DE87302952T
Authority: DE
Inventors: Robert W Kortmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-03
Filing date: 1987-04-03
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2007-04-04
Also published as: EP0240368B1; US4724086A; EP0240368A2; EP0240368A3; CA1327651C; DE3784753D1

Description

Die Erfindung betrifft die Behandlung von Gewässern wie Seen, Reservoirs und Teichen und betrifft insbesondere die Behandlung von derartigen Gewässern durch Manipulation der thermischen/Dichte-Struktur und des Sauerstoffgehalts.
Tiefe Gewässer entwickeln typischerweise drei charakteristische Schichten infolge der Aufnahme von Wärme und die sich ergebenden Unterschiede in Temperatur und Dichte von der Oberfläche abwärts. Die obere oder Obenflächenschicht ist eine relativ warme, gemischte Schicht, die als /Epilimnion. bezeichnet wird. Das Epilimnion ist die Schicht, in der das Wachstum von Algen und Pflanzen ein Problem in Teichen und Reservoirs wird. Die metalimnische Schicht ist unterhalb des Epilimnions angeordnet und charakterisiert durch einen schnellen Temperaturabfall und eine schnelle Dichtezunahme mit der Tiefe. Die Temperaturänderung in der metalimnischen Schicht ist im allgemeinen größer als 1ºC pro Meter Tiefenzunahme. Die Tiefe innerhalb der metalimnischen Schicht, bei der Temperaturänderung und Dichteänderung pro Tiefenzuwachs am größten ist, wird als /Thermokline. bezeichnet. Unterhalb der metalimnischen Schicht ist die gleichmäßig kalte Schicht als /Hypolimnion. bezeichnet.
Da die epilimnische Schicht an der Oberfläche des Gewässers liegt, hat sie Kontakt mit der Atmosphäre und der vorliegende atmosphärische Gasaustausch verursacht die wärmere epilimnische Schicht dazu, Sauerstoff zu absorbieren. Die unteren Schichten sind jedoch durch die thermische/Dichte-Schichtung des Gewässers vom atmosphärischen Gasaustausch isoliert. Wegen dieser thermischen/Dichte- Isolierung vom atmosphärischen Gasaustausch und der sowohl aerobischen als auch anaerobischen Zersetzung entleeren sich das Hypolimnion, Metalimnion und gelegentlich das untere Epilimnion von Sauerstoff und bilden hohe Konzentrationen von Nährstoffen (z. B. Stickstoff und Phosphor), Kohlendioxyd und chemisch reduzierten Verbindungen wie Mangan, Eisen und Sulfiden. Diese Ansammlung führt häufig zu Wasserqualitätsproblemen bei der Wiederverwendung, Wasserförderung und Wassergewinnung. Auf diese Weise werden Wasserqualitätsprobleme in Gewässern verursacht durch schädliche Ansammlungen der vorerwähnten Art.
Aus der US-A-3,794,303 (auf der der Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche basiert) ist es bekannt, das in einer bestimmten Tiefe aus dem Gewässer entnommene Wasser zu belüften und es dann in eine andere Tiefe zurückzuführen (Fig. 2), und vom Boden des Gewässers entnommenes Wasser zu belüften und dann dieses Wasser in der gleichen Tiefe zurückzuführen (Fig. 10). Entsprechend einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Behandlung geschichteter Gewässer mit epilimnischen, metalimnischen und hypolimnischen Schichten vorgesehen, welche umfaßt:
mindestens eine Steigleitung und eine Rückleitung, die zu einer im wesentlichen vertikalen Ausrichtung innerhalb aller besagter Schichten des Gewässers ausgebildet sind;
ein Reservoir, welches in Fließverbindung mit jeweils dem oberen Ende der besagten Steigleitung und der Rückleitung steht, für einen Wassertransport dazwischen;
und Mittel zum Wassertransport vom Gewässer durch Einlaßvorrichtungen der Steigleitung zu den Auslaßvorrichtungen der Rückleitung über das Reservoir, um das Gewässer zu behandeln;
gekennzeichnet durch:
die Einlaßvorrichtungen der Steigleitung, welche eine Vielzahl von Einlaßöffnungen umfassen, die in Längsrichtung der Leitung für eine Fließverbindung zwischen Steigleitung und Gewässer angeordnet sind, wobei die Anordnung derart ist, daß eine Fließverbindung mit vorgegebenen Tiefenniveaus der epilimnischen, metalimnischen und hypolimnischen Schichten dem Gewässers gewährleistet ist;
Vorrichtungen zum wahlweisen abwechselnden Öffnen und Verschließen der besagten Einlaßöffnungen der besagten Steigleitung um wahlweise eine Fließverbindung mit den besagten festgelegten Tiefenniveaus zu ermöglichen;
die Auslaßvorrichtungen der Rückleitung, welche eine Vielzahl von Auslaßöffnungen umfassen, die in Längsrichtung der besagten Leitung für eine Fließverbindung zwischen Rückleitung und Gewässer angeordnet sind, wobei die Anordnung der Auslaßöffnungen derart ist, daß eine Fließverbindung mit vorgegebenen Tiefenniveaus der epilimnischen, metalimnischen und hypolimnischen Schichten des Gewässers gewährleistet ist;
und Vorrichtungen zum wahlweisen, abwechselnden Öffnen und Verschließen der besagten Auslaßöffnungen der besagten Rückleitung, um wahlweise eine Fließverbindung mit den besagten vorher festgelegten Tiefenniveaus zu ermöglichen.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Beeinflussung der Wärme-Dichtestruktur und des Sauerstoffgehalts eines thermisch geschichteten Gewässers mit epilimnischen, metalimnischen und hypolimnischen Schichten mittels einer Wasser-Umwälzvorrichtung vorgesehen, die Steig- und Rückleitungen besitzt, die durch die besagten Schichten verlaufen, umfassend die Schritte wahlweiser Wasserentnahme aus dem Gewässer durch die besagte Steigleitung, Bilden mindestens einer neuen induzierten Isotherme in einer ausgewählten Tiefe innerhalb der besagten Schichten durch kontrolliertes Einleiten des entnommenen Wassers aus der Rückleitung in der ausgewählten Tiefe des Gewässers, zur Bildung einer Barriere gegen nach oben diffundierende Nährstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser aus mindestens zwei verschiedenen Tiefenniveaus entnommen und/oder in mindestens zwei verschiedene Tiefenniveaus eingeleitet wird.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur wahlweisen Behandlung eines thermisch geschichteten Gewässers des Typs mit epilimnischer Schicht, metalimnischer Schicht und einer hypolimnischen Schicht vorgesehen, welches umfaßt:
das Auswählen eines ersten Tiefenniveaus des Gewässers in Übereinstimmung mit den physikalischen Eigenschaften des Wassers in dem besagten ersten Tiefenniveau; und
das Auswählen eines zweiten Tiefenniveaus des Gewässers in Übereinstimmung mit den physikalischen Eigenschaften des Wassers in dem besagten zweiten Tiefenniveau; gekennzeichnet durch:
die Wasserentnahme aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau in einem festgelegten Verhältnis; das Mischen des Wassers aus dem ersten und zweiten Tiefenniveau;
das Einleiten des aus dem ersten und zweiten Tiefenniveau im festgelegten Verhältnis entnommenen Wassers in ein vorbestimmtes Tiefenniveau des Gewässers, um das Gewässer zu behandeln.
Mit solchen Anordnungen ist es möglich, die thermische Struktur und den metabolischen/Sauerstoff-Status des Gewässers zu ändern und die Wasserqualität aufrechtzuerhalten oder zu verbessern. Dies kann dadurch geschehen, daß eine neue, mit Sauerstoff angereicherte, isothermische Schicht an einer oder in mehreren ausgewählten Tiefen des Gewässers geschaffen oder eingeführt wird.
Zumindest in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wiederverteilung von in einem Gewässer verfügbaren Sauerstoff vorgesehen und für ein Einführen zusätzlichen Sauerstoffs in eine oder mehrere induzierte isothermische Schichten. Es kann Wasser aus unterschiedlichen thermischen Schichten des Gewässers gemischt werden und dazu verwendet werden, um damit eine mit Sauerstoff angereicherte isothermische Schicht zu schaffen, welche günstige chemische Reaktionen hervorrufen wird, wie das Ausfällen von Phosphor und Kleinteilchen. Es können viele Tiefen von steilen Temperatur- und Dichtegradienten (Thermoklinen) geschaffen werden, um als Barrieren gegen einen aufwärts gerichteten, diffusiven Transport von Nährstoffen oder anderen am Boden erzeugten Bestandteilen wie Eisen, Mangan, Kohlendioxyd, Schwefelwasserstoff und gelösten organischen Verbindungen zu wirken. Es ist auch möglich, ein ausgewähltes Tiefenintervall eines Gewässers zu belüften und zu zirkulieren.
Vorzugsweise sind Strömungssteuereinrichtungen an jedem Einlaß der Leitungen für alternatives Öffnen oder Schliessen der Einlässe vorgesehen, um eine gewählte Strömungsverbindung zwischen den vorbestimmten Tiefenniveaus zu ermöglichen. Es kann beispielsweise eine Pumpe, die mit der Steigleitung verbunden ist, zur Bewegung von Wasser aus dem Gewässer verwendet werden, und zwar durch ausgewählte offene Einlässe der Steigleitung, durch die Steigleitung zu dem Reservoir und durch die Rückleitungen vom Reservoir für einen Austritt aus ausgewählten offenen Auslaßöffnungen der Rückleitung in das Gewässer. Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Reservoir unterhalb der Oberfläche des Gewässers eingetaucht und hat eine obere Wand, welche eine innere Gaskammer bildet, so daß eine Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht innerhalb der Kammer bei Eintauchen in das Gewässer gebildet wird.
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - eine diagramatische, schematische Ansicht der Behandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 - eine andere Ausführungsform der Behandlungsvorrichtung der Erfindung,
Fig. 3A und 3B - beispielhafte schematische Darstellungen der thermischen Struktur eines Gewässers, wie sie sich aus einer beispielhaften Behandlung entsprechend der vorliegenden Erfindung ergibt,
Fig. 4A und 4B - weitere schematische Darstellungen der thermischen Struktur eines Gewässers, wie sie aus einem anderen Beispiel einer Behandlung nach der vorliegenden Erfindung resultiert.
Obwohl besondere Ausführungsformen der Erfindung zur Erläuterung in den Zeichnungen ausgewählt worden sind und die nachfolgende Beschreibung bestimmte Ausdrücke zum Beschreiben dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet, soll die Beschreibung nicht den Umfang der Erfindung begrenzen.
In den Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen verwendet um gleiche oder ähnliche Teile in verschiedenen Ausführungsformen zu bezeichnen. Die Zirkulator-Behandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird allgemein mit Bezugszeichen 10 versehen und ist in Fig. 1 in Wirkverbindung mit einem geschichteten Gewässer dargestellt. Wie dies zur Erläuterung angegeben ist, wird das Gewässer horizontal getrennt in die epilimnische Schicht 12, die metalimnische Schicht 14 und die hypolimnische Schicht 16. Die gestrichelte Linie 18 bezeichnet allgemein die Grenze zwischen der epilimnischen Schicht und der metalimnischen Schicht. Die gestrichelte Linie 20 bezeichnet allgemein die Grenze zwischen der metalimnischen Schicht und der hypolimnischen Schicht.
Die Zirkulator-Vorrichtung 10 umfaßt allgemein ein Reservoirgehäuse 22, eine oder mehrere aufsteigende Kanäle oder Leitungen, wie Leitungen 24, eine oder mehrere Rückführkanäle oder Leitungen, wie Rückleitung 26 und ein Luftverteilersystem, das mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist. In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist eine Schwimmanordnung 30 gezeigt, die das Reservoirgehäuse an der oberen Oberfläche des Gewässers unterstützt. Die Anordnung ist durch Halteleinen 32 mit Ankern oder dergleichen (nicht dargestellt) gesichert, um das Reservoirgehäuse in einer festen Position zu verankern. Mit den unteren Enden der Leitungen 24, 26 sind Gewichte 34 verbunden, um die Leitungen in im wesentlichen vertikaler Ausrichtung zu halten. Die Schwimmeinrichtung 30 kann auch Mittel zum Regulieren des Auftriebs umfassen, um zu erlauben, daß das Reservoirgehäuse unter die Gewässeroberfläche abgesenkt werden kann, wenn das System nicht in Betrieb ist, um das System gegen Zerstörung durch Eis und dergleichen zu sichern.
Das Reservoirgehäuse 22 hat eine Seitenwand 36 und eine Bodenwand 38, welche einen Behälter oder eine Kammer 40 bilden für das enthalten von Wasser an der oberen Oberfläche des Gewässers zum Bewirken des Mischens von Wasser, welches wählbar aus vorgewählten Tiefen abgezogen wird. Die Kammer 40 ist in die Atmosphäre offen, so daß sie eine Gas-/Flüssigkeits-Grenzschicht bildet und damit einen Gasaustausch und eine Sauerstoffanreicherung des Wassers innerhalb der Kammer 40 erlaubt.
Die aufgehenden Kanäle, Türme oder Leitungen 24 sind mit der Bodenwand 38 des Reservoirgehäuses verbunden, so daß aus dem Auslaßende 42 der Steigleitungen 24 ausströmendes Wasser auf den Boden der Kammer 40 strömt, wie dies durch Strömungspfeile in Fig. 1 dargestellt ist. Jede Steigleitung 24 hat eine Vielzahl von Einlaßöffnungen 46-58, die in Längsrichtung versetzt entlang der Steigleitung 24 angeordnet sind um eine Strömungsverbindung mit unter schiedlichen ausgewählten Tiefenniveaus des Gewässers zu ermöglichen. Die Einlaßöffnung 46 ist zur Strömungsverbindung mit dem unteren Bereich der epilimnischen Schicht angeordnet. Die Einlaßöffnungen 48, 50 und 52 sind zur Strömungsverbindung mit dem oberen Bereich, dem Mittelbereich und dem unteren Bereich der metalimnischen Schicht angeordnet. Die Einlaßöffnungen 54, 56 und 58 sind zur Strömungsverbindung mit dem oberen Bereich, dem mittleren Bereich und dem unteren Bereich der hypolimnischen Schicht angeordnet. Eine Absperrvorrichtung 60 (es ist lediglich eine davon dargestellt) ist an jeder der Einlaßöffnungen 46 - 58 vorgesehen, damit die entsprechenden Einlaßöffnungen wählbar geöffnet bzw. abgeschlossen werden können, um damit wählbar einen Strömungszufluß aus einer oder mehreren der vorbestimmten Tiefenniveaus des Wasserkörpers zu ermöglichen.
In ähnlicher Weise hat die Rücklaufleitung 26 eine Einlaßöffnung 54, welche in Strömungsverbindung mit dem Boden der Kammer 40 steht und ferner eine Vielzahl von Auslaßöffnungen 62-74, die in Längsrichtung verteilt an der Rückleitung angeordnet sind, um eine Strömungsverbindung mit verschiedenen vorausgewählten Tiefenniveaus des Gewässers zu ermöglichen. Es sind jedoch, wie dargestellt, die Auslaßöffnungen 62-74 vorzugsweise zwischen den Niveaus der Einlaßöffnungen 46-58 angeordnet. Die Auslaßöffnung 62 ist angeordnet für eine Strömungsverbindung mit dem unteren Bereich der epilimnischen Schicht. Die Auslaßöffnungen 64, 66 sind allgemein angeordnet zur Strömungsverbindung mit dem oberen und dem unteren mittleren Bereich der metalimnischen Schicht. Die Auslaßöffnung 68 ist angeordnet zur Strömungsverbindung mit dem obersten Bereich des hypolimnischen Niveaus. Die verbleibenden Auslaßöffnungen 70, 72 und 74 sind zunehmend tiefer in der hypolimnischen Schicht angeordnet. Jede Auslaßöffnung hat eine Absperrvorrichtung 76 (von denen nur eine dargestellt ist) für ein wählbares Öffnen oder Schließen der jeweiligen Auslaßöffnungen. Dementsprechend kann das Tiefenniveau für den Auslaß des Wassers aus der Rückleitung in das Gewässer vor ausgewählt werden nach einer mehreren der vorausgewählten Tiefenniveaus des Gewässers.
Während eine Sperrvorrichtung in der dargestellten Ausführungsform für ein auswählbares, abwechselndes Öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßöffnungen der Steigleitung und der Rückleitung verwendet wird, können andere akzeptable Ventile, Schieber und Strömungssteuereinrichtungen verwendet werden. Weiterhin können die Mittel zum Öffnen und Schließen der Öffnungen manuell, mechanisch oder elektrisch betätigt werden und die Anzahl und die Anordnung in Längsrichtung der verschiedenen Öffnungen kann verändert werden, um an die speziellen Eigenschaften des Gewässers angepaßt zu werden.
Ein Luftverteilersystem ist innerhalb des unteren Endes einer jeden der Steigleitungen 24 vorgesehen, um Druckgas, z. B. unter Druck stehende Luft oder Sauerstoff, in die Steigleitungen einzuführen. Das Luftverteilersystem 28 ist mit einer Speiseleitung 78 mit einer Druckluftwelle verbunden. Die Einführung von Druckluft erzeugt eine Pumpenwirkung durch Luft, welche das Wasser aufwärts durch die Steigleitung in die Kammer 40 fördert. Die Strömung des Wassers aus der Steigleitung in die Kammer 40 verursacht einen entsprechenden Zustrom des Wassers durch die ausgewählten offenen Einlaßöffnungen von verschiedenen Tiefenniveaus des Wasserkörpers. Wenn beispielsweise Einlaßöffnungen 46-56 geschlossen sind und Einlaßöffnung 58 offen ist, wird das in die Kammer 40 einströmende Wasser aus dem untersten Niveau der hypolimnischen Schicht abgezogen. Dementsprechend wird das zuströmende Wasser relativ kalt sein und einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisen.
Die Einführung von Druckluft in die Steigleitung dient zusätzlich zur Verursachung der Wasserbewegung nach oben auch zur Belüftung und Sauerstoffanreicherung des hindurchfließenden Wassers. Das Wasser wird ferner mit Sauerstoff angereichert durch einen Gasaustausch, der an der Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht in der Kammer 40 auftritt, welcher in gewisser Weise durch den Vermischungsvorgang erleichtert wird, welcher aus dem Zustrom aus einer Mehrzahl von Steigleitungen 24 in die Kammer 40 resultiert. Als Resultat ist das hindurchströmende Wasser im wesentlichen belüftet und mit Sauerstoff angereichert. Andererseits können auch andere geeignete Mittel zur Aufwärtsbewegung des Wassers durch die Steigleitungen verwendet werden, wie mechanische Pumpen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hebewirkung durch Luft, wie sie durch das Luftverteilersystem 28 erzeugt wird, ausreichend dafür, um eine Druckhöhe H innerhalb der Kammer zu erzeugen, welche eine Rückkehr des Wassers durch die Rückleitung 26 unter Schwerkraft ermöglicht. Das abwärts durch die Rückleitung 26 fließende Wasser wird dann durch entsprechende offene Auslaßöffnungen in das Gewässer auf vorgegebenen Niveaus entleert.
Dementsprechend kann über wählbare Betätigung der Absperrvorrichtungen 60 an den Einlaßöffnungen 46-58 die Quellentiefe des in die Zirkulator-Vorrichtung 10 gezogenen Wassers gesteuert werden. In ähnlicher Weise kann durch ausgewählte Betätigung der Sperrvorrichtungen 76 an den Auslaßöffnungen 62-74 die Tiefe gesteuert werden, in der das aus dem Zirkulator-Gerät kommende Wasser zurückkehrt. Wie hervorgehoben werden kann, kann Wasser aus einem oder mehreren vorgewählten Tiefenniveaus gleichzeitig abgezogen und dann gemischt werden, belüftet und/oder mit Sauerstoff angereichert werden, bevor es in das Gewässer in einem oder mehreren ausgewählten Tiefenniveaus zurückgeführt wird.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform des Zirkulator-Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem Bezugszeichen 80 bezeichnet. Das Reservoirgehäuse 22 des Zirkulator-Geräts 80 umfaßt Seitenwände 36, eine Bodenwand 38 und eine kegelförmige obere Wand 82. Diese Teile bilden eine geschlossene innere Misch-Gas-Austauschkammer 84, die dafür ausgebildet ist, daß sie unter die Oberfläche des Gewässers abtauchen kann. Der obere Bereich der Kammer 84 enthält Gas, beispielsweise Luft oder Sauerstoff um eine Gas-Flüssigkeits-Grenzschicht für einen Gasaustausch innerhalb der Kammer 84 zu bilden. Eine Druckentlastungsvorrichtung 86 ist an der Spitze der kegelförmigen oberen Wand 82 angeordnet und dient für ein gesteuertes Entleeren von Gas, welches sich innerhalb der Kammer 84 als Resultat eines Gasaustausches von dem zirkulierten Wasser durch den Zirkulator-Apparat 80 aufgebaut hat. Eine Schwimmereinrichtung 88 hält die Druckentlastungseinrichtung 86 in vertikaler Lage. Andererseits kann eine Entlüftungsleitung abwärts in das Reservoirgehäuse geführt werden, um das Volumen des abgeschiedenen Gasraums zu begrenzen.
Die Schwimmvorrichtung 30 und das Gasvolumen in der Kammer in Verbindung mit den Gewichten 34 halten das Reservoirgehäuse 22 in einer eingetauchten Position, wobei sich die Steig- und Rückleitungen in vertikaler Richtung abwärts davon erstrecken. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist die Zirkulator-Vorrichtung 80 wählbar betätigt um das Gewässer nach Wunsch zu behandeln. Im eingetauchten Zustand kollidiert die Zirkulator-Vorrichtung nicht mit der Ästhetik der Seeoberfläche und ist etwas gegenüber den direkten Einflüssen von Wind, Eis und dergleichen geschützt.
Mit beiden dargestellten Ausführungsformen der Zirkulator- Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann Wasser aus einer oder mehreren vorgewählten Tiefenniveaus gleichzeitig entnommen werden und dann gemischt, belüftet und/oder mit Sauerstoff angereichert, bevor es an einer oder mehreren vorgewählten Tiefenniveaus in das Gewässer zurückgeführt wird. Als Ergebnis können die inhärenten thermischen Strukturen und metabolischen/Stickstoff-Eigenschaften des Seewassers in unterschiedlichen Tiefen in der epilimnischen, metalimnischen und hypolimnischen Schicht beeinflußt werden, um das gewünschte günstige Resultat zu erzielen. Wie hervorzuheben ist, können unterschiedliche Konfigurationen von isothermischen Schichten, mehrfachen Thermoklinen und Mischung/Wiederverteilung von verfügbarem gelösten Sauerstoff durch das Zirkulator-Gerät erreicht werden. Das bevorzugte Betriebsbild der Zirkulator-Vorrichtung ist eine Funktion des individuellen Gewässers, seiner thermischen Struktur, morphometrischer Konfiguration, metabolischen Eigenschaften und in Zielen der Behandlung. Die beiden folgenden Betriebskonfigurationen sind lediglich beispielhaft für den Betrieb und mögliche Anwendungen der vorliegenden Erfindung:
Das Betriebsbeispiel 1 betrifft die Induktion einer isothermischen Schicht, zwei starker Thermoklinen und die Wiederverteilung von verfügbarem, gelöstem Sauerstoff in der mittleren Tiefenzone eines Gewässers unter Verwendung des Zirkulator-Geräts gemäß vorliegender Erfindung. Im Besonderen sind die Absperrvorrichtungen für die Einlaßöffnungen 46 und 54 der Steigleitungen 24 in ihre Offenstellung versetzt, während die übrigen Einlaßöffnungen geschlossen sind. Bei der Rückleitung 26 ist die Sperrvorrichtung 46 für die Auslaßöffnung 66 in eine geöffnete Stellung gebracht und die restlichen Auslaßöffnungen sind geschlossen. Demzufolge wird eine Fraktion des gesamten ansteigenden Wassers von oben und unterhalb der natürlichen metalimnischen Schicht entnommen, um eine mit Sauerstoff angereicherte, kühle isothermische Schicht in einer ausgewählten Rückflußtiefe in der unteren Hälfte der natürlichen metalimnischen Schicht zu schaffen. Die relativen Beträge des aufsteigenden Wassers von den flacheren und tieferen Stellen wird durch die gewünschte Temperatur und den Sauerstoffgehalt der induzierten isothermischen Schicht bestimmt. Wenn beispielsweise 25 % des aufsteigenden Wassers von einer geringeren Tiefe bei 20ºC kommt, welches 10 ppm von gelöstem Sauerstoff enthält und 75 % des aufsteigenden Wassers aus einer Tiefe mit 10ºC, welches 2 ppm gelösten Sauerstoff enthält, wird eine isothermische Schicht erzeugt, welche nach dem Mischen und der Rückkehr bei 12,5ºC 4 ppm gelösten Sauerstoff enthalten wird.
In Fig. 3A wird die Temperatur-Struktur einschließlich der induzierten isothermischen Schicht, welche von dieser Betriebskonfiguration resultiert, gezeigt mit den Grenzlinien 18 und 20, die darstellt, wie sie vor der Behandlung existierten. Dies dient der Erklärung und dem Vergleich. Da das Wasser unmittelbar über und unterhalb der induzierten isothermischen Schicht, die in Fig. 3A dargestellt ist, erheblich wärmer bzw. kälter sein wird, können zwei sehr steile Temperatur-Dichte-Grenzschichten erzeugt werden, d. h. zwei Thermoklinen. Fig. 3B zeigt schematisch die beiden induzierten Thermoklinen unter Bedingungen des RTRM Standards, wobei RTRM bedeutet "Relativ Thermal Resistance to Mixing". Der RTRM wird berechnet durch Umwandlung von Wassertemperaturen auf Dichte und Vergleich der Dichtedifferenzen zwischen benachbarten Tiefenschritten von einem Meter relativ mit der Dichtedifferenz von Wasser bei 4ºC und 5ºC. Demzufolge ist der RTRM ein Indikator für die Intensität der Dichtedifferenzen in einer Wassersäule und die Tiefe des maximalen RTRM identifiziert die Ebene der maximalen Dichteänderung mit der Tiefe oder Thermokline. Bei diesem Betriebsbeispiel werden die beiden stark induzierten Thermoklinen bezeichnet durch die Tiefe des maximalen RTRM.
Als Ergebnis der induzierten isothermischen Schicht und zweier Thermoklinen, die durch die Betriebskonfiguration des Beispiels 1 induziert werden, wird der Kaltwasserfischbereich des Sees weit expandiert und die epilimnische Nährstoffbelastung und das Algenwachstum des Sees werden reduziert. Außerdem wird eine Wasserschicht hoher Qualität erzeugt für eine Wasserentnahme aus dem See.
Im Betriebsbeispiel 2 ist die Zirkulator-Vorrichtung so gestaltet, daß sie die Induktion von zwei isothermischen sauerstoffangereicherten Schichten und drei Tiefen von steilen Temperatur-Dichte-Gradienten (Thermoklinen) erzeugt. Bei dieser Konfiguration sind die Einlaßöffnungen 48 und 52 der Steigleitungen 24 offen und die übrigen Einlaßöffnungen sind geschlossen. In der Rücklaufleitung 26 sind die Auslaßöffnungen 64 und 68 geöffnet, während die verbleibenden Auslaßöffnungen geschlossen sind. Die Einzugtiefe wurde ausgewählt, um eine isothermische Schicht bei mittlerer Temperatur einer beisteuernden Zuströmung oberhalb einer kälteren, sauerstoffreichen induzierten isothermischen Schicht zu erzeugen. Die beiden induzierten isothermischen Schichten sind schematisch in Fig. 4A angedeutet, während die drei induzierten Thermoklinen schematisch in Fig. 4B angedeutet sind. Bei diesem Beispiel plaziert der Zwischenstrom von beisteuerndem Wasser wasserscheidende Nährstoff- und Sauerstoffbelastungen unter die höchste Tiefe des steilen Temperatur-Dichte-Gradienten (Thermokline) und reduziert auf diese Weise das epilimnische Algenwachstum infolge des wasserscheidenden Nährstoffeintrags. Eine tiefere, kalte, sauerstoffangereicherte isothermische Schicht wird erzeugt, um einen vergrößerten Kaltwasserfischbereich zu bilden und eine Barriere gegen einen aufwärts gerichteten Transport von innerhalb des Sees erzeugten Nährstoffen und durch den Boden erzeugten Bestandteilen.
Bei dem Verfahren zur Behandlung eines Gewässers, wie dies beschrieben ist in dem Betriebsbeispielen 1 und 2 kann die isothermische Temperatur berechnet werden auf der Grundlage der Wärmebilanz und der Mischverhältnisse des auf steigenden Wassers. Der Sauerstoffgehalt der isothermischen Schicht kann berechnet werden auf der Basis des Sauerstoffgehalts, der metabolischen Anforderung und der vorbestimmten Mischverhältnisse des aufsteigenden Wassers. Der Sauerstoffeintrag durch das luftbetätigte Pumpsystem 28 erfolgt zusätzlich zu der Verteilung des verteilten Sauerstoffs, der an den ausgewählten Tiefenniveaus verfügbar ist.
Dementsprechend wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Gewässern vorgesehen, um die Wasserqualitätsprobleme zu erleichtern, die durch schädliche Ansammlungen entstehen. Das Verfahren und die Vorrichtung erlauben eine Manipulation oder Änderung des metabolischen Sauerstoffstatus des Gewässers um die Wasserqualität aufrechtzuerhalten oder zu verbessern, beispielsweise durch Schaffung neuer, mit Sauerstoff angereicherter isothermischer Schichten und Thermoklinen an vorausgewählten verschiedenen Tiefen im Gewässer.
Wie dies Fachleuten offenbar wird, sind verschiedenen Modifikationen und Anpassungen der Vorrichtung und des vorbeschriebenen Verfahrens leicht ersichtlich. Es ist beabsichtigt, daß solche Modifikationen und Anpassungen innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen.

Claims

1. Vorrichtung zur Behandlung geschichteter Gewässer mit epilimnischen (12), metalimnischen (14) und hypolimnischen (16) Schichten, umfassend:

mindestens eine Steigleitung und eine Rückleitung (24, 26) die zu einer im wesentlichen vertikalen Ausrichtung innerhalb aller der besagten Schichten des Gewässers ausgebildet sind; ein Reservoir (22), das in Fließverbindung mit jeweils dem oberen Ende (42, 44) der besagten Steigleitung und der Rückleitung steht, für einen Wassertransport dazwischen; und Mittel (28) zum Wassertransport vom Gewässer durch Einlaßvorrichtungen (46-58) der Steigleitung (24) zu den Auslaßvorrichtungen (62-74) der Rückleitung (26) über das Reservoir (22), um das Gewässer zu behandeln;

gekennzeichnet durch:

die Einlaßvorrichtungen der Steigleitung, welche eine Vielzahl von Einlaßöffnungen (46-58) umfassen, die in Längsrichtung der Leitung für eine Fließverbindung zwischen Steigleitung und Gewässer angeordnet sind, wobei die Anordnung derart ist, daß eine Fließverbindung mit vorgegebenen Tiefenniveaus der epilimnischen, metalimnischen und hypolimnischen Schichten des Gewässers gewährleistet ist; Vorrichtungen (60) zum wahlweisen abwechselnden Öffnen und Verschließen der besagten Einlaßöffnungen der besagten Steigleitung um wahlweise eine Fließverbindung mit den besagten festgelegten Tiefenniveaus zu ermöglichen; die Auslaßvorrichtungen der Rückleitung, welche eine Vielzahl von Auslaßöffnungen (62-74) umfassen, die in Längsrichtung der besagten Leitung für eine Fließverbindung zwischen Rückleitung und Gewässer angeordnet sind, wobei die Anordnung der Auslaßöffnungen derart ist, daß eine Fließverbindung mit vorgegebenen Tiefenniveaus der epilimnischen, metalimnischen und hypolimnischen Schichten des Gewässers gewährleistet ist; und Vorrichtungen (76) zum wahlweisen, abwechselnden Öffnen und Verschließen der besagten Auslaßöffnungen der besagten Rückleitung, um wahlweise eine Fließverbindung mit den besagten vorher festgelegten Tiefenniveaus zu ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die besagten Vorrichtungen zum wahlweisen abwechselnden Öffnen und Verschließen der besagten Einlaßöffnungen (46-58) der besagten Steigleitung (24) eine Sperre (60) an jeder Einlaßöffnung aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die besagten Vorrichtungen zum wahlweisen abwechselnden Öffnen und Verschließen der besagten Auslaßöffnungen (62-74) der besagten Rückleitung (26) eine Sperre (76) an jeder Auslaßöffnung aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der eine Vielzahl von Einlaßöffnungen (48-52, 54-58) in Längsrichtung der besagten Steigleitung (24) für eine Fließverbindung zu vorgegebenen Tiefenniveaus innerhalb jeweils gleicher der besagten Schichten des Gewässers angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Vielzahl von Steigleitungen (24) umfaßt, deren jede zu einer im wesentlichen vertikalen Ausrichtung innerhalb des Gewässers ausgebildet ist und ein oberes Auslaßende (42) aufweist, das in Fließverbindung mit dem besagten Reservoir (22) steht, und eine Vielzahl in Längsrichtung angeordneter Einlaßöffnungen (46-58) aufweist, die die Steigleitung in Fließverbindung mit allen Schichten des Gewässers bringen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die besagten Vorrichtungen zum Wassertransport Vorrichtungen (28) zum Einleiten von Druckgas in die oder in jede Steigleitung (24) aufweisen, um einen Pumpvorgang durch aufsteigendes Gas innerhalb der Steigleitung zu erreichen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das besagte Reservoir ein tauchfähiges Gehäuse (22) aufweist, das eine geschlossene innere Kammer (84) mit einem oberen Bereich zur Aufnahme von Gas und einem unteren Bereich zur Aufnahme von Wasser bildet, so daß eine Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche definiert ist, wobei der besagte untere Bereich mit der oberen Auslaßöffnung (42) der oder jeder Steigleitung (24) und dem Einlaßende der Rückleitung (26) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das besagte Reservoir ein Gehäuse (22) zur Flüssigkeitsaufnahme aufweist, und für ein Schwimmen auf der Oberfläche des Gewässers ausgebildet ist, wobei das Gehäuse einen unteren Bereich hat, der mit der oberen Auslaßöffnung (42) der oder jeder Steigleitung (24) und dem Einlaßende (44) der Rückleitung (26) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Ansprüchen 6 und 8, welche Schwimmvorrichtungen (30) aufweist, um das besagte Gehäuse (22) auf der Oberfläche des Gewässers zu positionieren mit den besagten Steigleitungen und Rückleitungen (24, 26) in im wesentlichen vertikaler Ausrichtung unterhalb des Gehäuses, wobei Vorrichtungen zum Einleiten von Gas (28) für eine Einleitung von Druckgas in das untere Ende der besagten Steigleitung angeordnet sind, um durch das Aufsteigen von Gas eine Wassersäule durch die besagte Steigleitung aufwärts zum besagten Gehäuse zu fördern, so daß eine Druckglocke innerhalb des besagten Gehäuses gebildet wird für einen Rücklauf des Wassers durch Schwerkraft durch die besagte Rückleitung nach unten.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, die Schwimmvorrichtungen (30) aufweist, um das besagte Gehäuse (22) auf der Gewässeroberfläche in eine Arbeitsposition zu bringen mit den besagten Steigleitungen und Rückleitungen (24, 26) in im wesentlichen vom besagten Gehäuse aus vertikal nach unten weisender Lage, wobei die besagten Schwimmvorrichtungen Vorrichtungen zur Regulierung des Auftriebs haben, um das besagte Gehäuse wahlweise unter die Wasseroberfläche in eine Ruheposition abzusenken.

11. Verfahren zur Beeinflussung der Wärme-/Dichtestruktur und des Sauerstoffgehalts eines thermisch geschichteten Gewässers mit epilimnischen (12), metalimnischen (14) und hypolimnischen (16) Schichten mittels einer Wasser-Umwälzvorrichtung, die Steig- und Rückleitungen (24, 26) besitzt, die durch die besagten Schichten verlaufen, umfassend die Schritte wahlweiser Wasserentnahme aus dem Gewässer durch die besagte Steigleitung, Bilden mindestens einer neuen induzierten Isotherme in einer ausgewählten Tiefe innerhalb der besagten Schichten durch kontrolliertes Einleiten des entnommenen Wassers aus der Rückleitung in der ausgewählten Tiefe des Gewässers, zur Bildung einer Barriere gegen nach oben diffundierende Nährstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser aus mindestens zwei verschiedenen Tiefenniveaus entnommen und/oder in mindestens zwei verschiedene Tiefenniveaus eingeleitet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Schritt der selektiven Wasserentnahme die Entnahme von Wasser aus mindestens einem Paar von entfernt liegenden Tiefenniveaus des besagten Gewässers, das Mischen des aus verschiedenen Tiefen entnommenen Wassers und das steuerbare Einleiten des gemischten Wassers in das besagte Gewässer in den genannten ausgewählten Tiefen einschließt.

13. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine zweite induzierte Isotherme in einer zweiten Tiefe gebildet wird, die von der besagten ausgewählten Tiefe innerhalb der genannten Schichten entfernt liegt, durch steuerbares Einleiten eines Teils des entnommenen Wassers in das besagte Gewässer in der besagten zweiten Tiefe.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, welches das Belüften des entnommenen Wassers vor dem Einleiten in das besagte Gewässer einschließt.

15. Verfahren zur wahlweisen Behandlung eines thermisch geschichteten Gewässers des Typs mit epilimnischer Schicht (12), einer metalimnischen Schicht (14) und einer hypolimnischen Schicht (16), umfassend:

das Auswählen eines ersten Tiefenniveaus des Gewässers in Übereinstimmung mit den physikalischen Eigenschaften des Wassers in dem besagten ersten Tiefenniveau, und das Auswählen eines zweiten Tiefenniveaus des Gewässers in Übereinstimmung mit den physikalischen Eigenschaften des Wassers in dem besagten zweiten Tiefenniveau;

gekennzeichnet durch:

die Wasserentnahme aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau in einem festgelegten Verhältnis; das Mischen des Wassers aus dem ersten und zweiten Tiefenniveau; das Einleiten des aus dem ersten und zweiten Tiefenniveau im festgelegten Verhältnis entnommenen Wassers in ein vorbestimmtes Tiefenniveau des Gewässers, um das Gewässer zu behandeln.

16. Verfahren nach Anspruch 15, zum Erzeugen einer vorbestimmten isothermischen Schicht in einer vorbestimmten Tiefe des Gewässers, welches umfaßt:

das Bestimmen der erforderlichen Wassertemperatur, um die besagte isothermische Schicht in der besagten vorbestimmten Tiefe zu bilden; das Auswählen eines ersten Tiefenniveaus im Gewässer, das eine erste vorbestimmte Wassertemperatur aufweist; das Auswählen eines zweiten Tiefenniveaus im Gewässer, das eine zweite festgelegte Wassertemperatur aufweist, wobei ein Mischen von Wasser aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau im festgelegten Verhältnis die besagte erforderliche Wassertemperatur schafft, um die besagte isothermische Schicht in der besagten vorbestimmten Tiefe zu erzeugen; und das Einleiten des aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau entnommenen Wassers im festgelegten Verhältnis in die genannte vorbestimmte Tiefe, um dort die besagte isothermische Schicht zu bilden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, zur Erzeugung auch einer zweiten isothermischen Schicht in-einer zweiten vorbestimmten Tiefe des stehenden Gewässers, welches das Einleiten des aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau entnommenen Wassers in dem vorgegebenen Verhältnis in eine zweite vorbestimmte Tiefe zur Bildung der genannten zweiten isothermischen Schicht umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, zum Erzeugen einer Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten in einer vorbestimmten Tiefe eines Gewässers, umfassend:

das Bestimmen der erforderlichen Wassertemperatur zur Bildung der besagten Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten in einer ersten vorbestimmten Tiefe; das Auswählen eines ersten Tiefenniveaus im stehenden Gewässer, das eine erste festgelegte Wassertemperatur aufweist; das Auswählen eines zweiten Tiefenniveaus im Gewässer, das eine zweite vorbestimmte Wassertemperatur aufweist, wobei das Mischen von Wasser aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau im festgelegten Verhältnis die besagte erforderliche Wassertemperatur liefert, um die besagte Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten in der besagten vorbestimmten Tiefe zu erzeugen; und das Einleiten des aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau entnommenen Wassers in den festgelegten Verhältnissen in eine zweite vorbestimmte Tiefe, um dort die besagte Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten in der ersten vorbestimmten Tiefe zu bilden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, welches das Bilden einer zweiten Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten in einer dritten vorbestimmte Tiefe umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, welches das Einleiten des aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau entnommenen Wassers im festgelegten Verhältnis in eine vierte vorbestimmte Tiefe einschließt, um eine dritte Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten in einer fünften vorbestimmten Tiefe zu bilden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, welches das Anreichern mit Sauerstoff und das Belüften des Wassers aus dem besagten ersten und zweiten Tiefenniveau vor dessen Einleitung in das (die) Tiefenniveau (s) im Gewässer umfaßt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem das besagte Mischen und das besagte Führen des besagten Wassers aus den besagten ersten und zweiten Tiefenniveaus im wesentlichen gleichzeitig erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 15, zur Ausdehnung des Kaltwasser-Fischereigebietes eines Sees und zur Reduzierung des nährstoffbedingten Algenwachstums in der epilimnischen Schicht, umfassend:

die Wasserentnahme aus dem unteren Bereich der epilimnischen Schicht (12) und aus dem oberen Bereich der hypolimnischen Schicht (16) in einem festgelegten Verhältnis; das Mischen des entnommenen Wassers; und das Einleiten des Wassers in den unteren Bereich der metalimnischen Schicht (14) zur Bildung einer induzierten isothermischen Schicht in der besagten metalimnischen Schicht mit einer ersten induzierten Zone mit im wesentlichen steil verlaufendem Temperatur/Dichte- Gradienten über der besagten isothermischen Schicht und einer zweiten induzierten Zone mit im wesentlichen steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten unterhalb der besagten induzierten isothermischen Schicht.

24. Verfahren gemäß Anspruch 15, zur Reduzierung des Algenwachstums im epilimnischen Bereich durch Bildung einer Barriere gegen das Aufsteigen von im See gebildeten Nährstoffen sowie auf dem Grund gebildeten Bestandteilen und zur Ausdehnung des Kaltwasser-Fischereigebietes in einem See, umfassend:

die Wasserentnahme aus dem oberen Bereich der metalimnischen Schicht (14) und aus dem unteren Bereich der metalimnischen Schicht in einem festgelegten Verhältnis; das Mischen des entnommenen Wassers; und das Einleiten des Wassers in den mittleren Bereich der metalimnischen Schicht und in den oberen Bereich der hypolimnischen Schicht (16) zur Bildung einer oberen und unteren induzierten isothermischen Schicht im wesentlichen in der besagten metalimnischen Schicht mit einer ersten induzierten Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten über der besagten oberen isothermischen Schicht, einer zweiten induzierten Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten zwischen der besagten oberen und unteren induzierten isothermischen Schicht und einer dritten induzierten Zone mit steil verlaufendem Temperatur/Dichte-Gradienten unterhalb der besagten unteren induzierten isothermischen Schicht.