DE10061890A1 - Verfahren zur Aufbereitung von Wasser durch Behandlung mit gasförmigen Oxidatoren - Google Patents

Abstract

Zur Aufbereitung von Wasser (20) durch Behandlung mit gasförmigen Oxidatoren (13) wird das Wasser (20) zusammen mit den Oxidatoren (13) als Flüssigkeit-Gas-Emulsion von unten nach oben durch einen in vertikaler Richtung gestreckten Behandlungsraum (39) hindurchgeführt. Dabei wird die von unten nach oben durch den Behandlungsraum (39) strömende Flüssigkeit-Gas-Emulsion (38) passiv mechanisch in eine Vielzahl von Teilströmen aufgespalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser durch Behandlung mit gasförmigen Oxidatoren, wobei das Wasser zusammen mit den Oxidatoren als Flüssigkeit-Gas- Emulsion von unten nach oben durch einen in vertikaler Richtung gestreckten Behandlungsraum hindurchgeführt wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einem den Behandlungsraum umschließenden vertikal gestreckten Reaktor, der Einlässe für das Wasser und die gasförmigen Oxidatoren in seinem unteren Bereich und einen Auslaß in seinem oberen Bereich aufweist.

Es ist bekannt, daß gasförmige Oxidatoren wie Ozon und Chlor zur Wasseraufbereitung verwendet werden können. Durch die Oxidatoren können zum einen Mikroorganismen, mit denen das Wasser belastet ist, abgetötet werden, um es zu sterilisieren. Zum anderen können in dem Wasser enthaltene unerwünschte chemische Substanzen in unschädliche Substanzen abgebaut werden. So können ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt werden, die von der Aufbereitung verschiedenster Abwässer bis zur Aufbereitung von Wasser zu Trinkwasser reichen.

Ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art ist aus dem Patent Abstract of Japan zur Veröffentlichung JP 62132594 A (betreffend die Anmeldung 60272991) bekannt. Hier wird das Wasser tangential in den Behandlungsraum eingepumpt, um durch seine Einströmge­ schwindigkeit eine zusätzliche Vermischung mit von unten in den Behandlungsraum eingeblasenem Ozon zu erreichen. Es stellt sich jedoch heraus, daß der Durchsatz von Wasser durch den Behand­ lungsraum nur sehr klein sein darf, wenn die Aufbereitung des Wassers durch das Ozon vollständig erfolgen soll. Das Ozon kann auch nur in sehr kleinen Mengen zugegeben werden, wenn es nicht in großen Mengen am oberen Ende des Behandlungsraums unver­ braucht anfallen soll. Wenn es von dort zurück an das untere Ende des Behandlungsraums gebracht werden muß, ist hierfür ein zusätzlicher Verdichtungsaufwand erforderlich. Zudem ist bei dem bekannten Verfahren ein zusätzlicher Energieaufwand erforder­ lich, wenn das tangential in den Behandlungsraum eingeleitete Wasser dort tatsächlich eine nennenswerte Verwirbelung der Flüssigkeit-Gas-Emulsion hervorrufen soll, weil dann das Wasser mit relativ hoher Geschwindigkeit gegen den Innendruck in den Behandlungsraum eingepumpt werden muß.

Aus der DE 198 01 705 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Wasser mit Ozon unter UV-Lichteinwirkung bekannt. Hier sind in einem Behandlungsraum schräg angestellte Leitbleche angeordnet, um die Verweildauer der Gas-Flüssigkeit- Emulsion in dem mit UV-Licht beleuchteten Bereich zu erhöhen.

Es ist bekannt, daß eine optimale Behandlung von Wasser mit Oxi­ datoren eine geeignete Einstellung des pH-Werts erfordern kann.

Bei einem bekannten praktischen Stand der Technik wird aufzu­ bereitendes Wasser von einem Behandlungstank abgeleitet. Dann wird diesem abgeleiteten Wasser Ozon über einen Injektor zugesetzt. Die so entstehende Flüssigkeit-Gas-Emulsion wird in den Behandlungstank zurückgeführt. Mit anderen Worten erfolgt das Zusetzen des Ozons im Bypaß. Um bei dieser Vorgehensweise eine hinreichende Aufbereitung des Wassers durch das Ozon zu erreichen, muß in dem Behandlungstank der pH-Wert durch Zugabe von Chemikalien kontinuierlich nachreguliert werden.

Es ist bekannt, daß Ozon durch Kontakt mit Edelmetallen und Edelstählen katalytisch zersetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, mit de­ nen die Aufbereitung von Wasser durch Behandlung mit Oxidatoren mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann. Dabei bestimmt sich dieser Wirkungsgrad sowohl bezüglich der Menge des einge­ setzten Ozons als auch bezüglich der Gesamtenergiebilanz des Verfahrens.

Bei den Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von unten nach oben durch den Behandlungsraum strömende Flüssigkeit-Gas- Emulsion passiv mechanisch in eine Vielzahl von Teilströmen aufgespalten wird.

Die Aufspaltung der Flüssigkeit-Gas-Emulsion in eine Vielzahl von Teilströmen, die vorzugsweise wiederholt und mit unter­ schiedlicher Aufteilung der Teilströme erfolgt, hat eine mehrfache Auswirkung. Zum einen wird die Kontaktfläche zwischen dem gasförmigen Oxidator und der Flüssigkeit, d. h. zwischen dem Ozon und dem zu behandelnden Wasser vergrößert, weil relativ große Gasblasen, in denen das meiste Ozon keinen Kontakt mit dem Wasser hat, in eine Vielzahl kleiner Gasblasen aufgespalten werden. Auch an den benetzten Oberflächen der passiven mechani­ schen Mittel zur Aufspaltung der Flüssigkeit-Gas-Emulsion werden zusätzliche Reaktionsoberflächen zwischen den gasförmigen Oxi­ datoren und dem Wasser ausgebildet.

Gleichzeitig wird die Aufstiegsgeschwindigkeit der gasförmigen Oxidatoren in den Behandlungsraum reduziert. Zum einen erhöht allein die mechanische Aufspaltung der Flüssigkeit-Gas-Emulsion in die Teilströme den Strömungswiderstand für die Gasblasen der Oxidatoren. Zum anderen weisen relativ kleine Gasblasen sowieso eine geringere Aufstiegsgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit- Gas-Emulsion auf als große Gasblasen. Weiterhin wird durch die Aufteilung der Flüssigkeit-Gas-Emulsion eine Vielzahl von Teil­ strömen auch erreicht, daß der Energieaufwand für das Einbringen sowohl des Wassers als auch der gasförmigen Oxidatoren am unte­ ren Ende des Behandlungsraums reduziert wird, weil der dort wirkende Druck bei dem neuen Verfahren reduziert ist. Dies wird sowohl bei einem statischen als auch bei einem dynamischen Betrachtungsansatz deutlich. Beim statischen Betrachtungsansatz wirkt sich aus, daß tatsächlich über die Höhe des Behandlungs­ raums keine durchgehende Wassersäule vorliegt, sondern eine Säule einer gegenüber Wasser leichteren Flüssigkeit-Gas- Emulsion. Bei dynamischer Betrachtung nehmen die aufsteigenden Gasblasen das Wasser über seine gesamte horizontale Front in dem Behandlungsraum von oben nach unten mit.

Als weiterer überraschender Punkt stellt sich heraus, daß bei dem neuen Verfahren keine Nachregulierung des pH-Werts von außen über die vertikale Höhe des Behandlungsraums erforderlich ist, vielmehr ist eine einmalige Einstellung des pH-Werts des Wassers vor oder bei seinem Eintritt in den Behandlungsraum ausreichend. Neben rein ph-regulierenden Mitteln können dem Wasser auch noch zusätzliche flüssige Oxidatoren wie Wasserstoffperoxid vor dem Eintritt in den Behandlungsraum zugesetzt werden.

Es ist sinnvoll, an mindestens einem Punkt der vertikalen Erstreckung des Behandlungsraums einen Fortschritt einer Reak­ tion der Oxidatoren mit Bestandteilen des Wassers zu überprüfen, um festzustellen, ob die Aufbereitung des Wassers im gewünschten Maße fortschreitet.

Bei der mit den Oxidatoren in dem Behandlungsraum hervorgerufe­ nen Reaktion kann es sich um den Abbau von verschiedensten Stoffen handeln. Das neue Verfahren hat sich unter anderem als wirksam zum Abbau von Hydrazin und Ethidiumbromid in dem Wasser mit Ozon herausgestellt.

Um tatsächlich die gesamte Oxidatoren für die gewünschte Auf­ bereitungsreaktion mit Bestandteilen des Wassers zu nutzen, ist ein Kontakt der Oxidatoren mit Metallflächen in dem Behand­ lungsraum zu vermeiden, die beispielsweise als Katalysator für die direkte Zersetzung von Ozon in Sauerstoff wirken könnten.

Das neue Verfahren kann so gefahren werden, daß am oberen Ende des Behandlungsraums nahezu keine unreagierten Oxidatoren mehr vorliegt. Es ist aber dennoch sinnvoll, sicherheitshalber in dem Wasser noch enthaltene Restoxidatoren abzutrennen, um unkontrol­ lierte Folgereaktionen zu unterbinden.

Das neue Verfahren weist eine derart günstige Gesamtenergie­ bilanz auf, daß das Ozon als Oxidator unter Verwendung von vor Ort erzeugtem Solarstrom erzeugt werden und daß Wasser unter Verwendung von vor Ort erzeugtem Solarstrom gepumpt werden kann. Auf diese Weise sind mobile und von öffentlichen Versorgungs­ netzten unabhängige Trinkwasseraufbereitungseinheiten realisierbar.

Eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art kennzeichnet sich erfindungsgemäß dadurch, daß in dem Behandlungsraum Strömungskörper enthalten sind, die eine in eine Vielzahl von Einzelströmen aufgeteilte Flüssigkeit-Gas-Emulsion erzeugen.

Wie bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren ausgeführt, ist es bevorzugt, wenn die Aufteilung in die Einzelströme mehrfach hintereinander und mit unterschiedlicher Verteilung erfolgt. Entsprechend sollten auch die Strömungskörper über die gesamte vertikale Länge des Behandlungsraums verteilt sein. Beim Material der Strömungskörper ist es erwünscht, daß dieses eine geringe Grenzflächenspannung zu dem Wasser aufweist, so daß seine Oberflächen benetzt werden. Hierdurch werden zusätzliche Reaktionsoberflächen mit dem Ozon ausgebildet. Beispielsweise kann es sich bei den Strömungskörpern um Gesteinspartikel handeln. Es sind auch Lochböden oder dergleichen denkbar. Es ist aber darauf zu achten, daß weder der Reaktor noch die Strömungs­ körper Metallflächen aufweisen, die als Katalysator für eine Zersetzung von Ozon oder als Reaktionspartner für andere Oxidatoren wirken.

Es kann darauf verzichtet werden, daß der Reaktor über seine vertikale Erstreckung Zugabepunkte für die Zugabe von Chemika­ lien zur Nachregulierung des pH-Werts aufweist. Es sollte aber mindestens ein Meßpunkt zur direkten Messung oder für eine Probenentnahme zur Messung eines Fortschritts einer Reaktion des Ozons mit Bestandteilen des Wassers vorgesehen sein.

Zum Abscheiden von nichtreagiertem Restoxidatoren kann dem Reaktor ein Restoxidatoradsorber nachgeschaltet sein.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der neuen Vorrichtung ist eine Solarzelleneinrichtung zur Erzeugung von Solarstrom vorgesehen, wobei ein elektrischer Kompressor und ein elektrischer Ozongenerator zum Erzeugen von Ozon und eine elektrische Pumpe zum Pumpen des Wassers dienen, die mit dem Solarstrom gespeist werden. Eine solche Vorrichtung kann zusätzliche elektronische Steuerbauteile und Zwischenspeicher für elektrische Energie aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Ausführungs­ beispielen näher erläutert und beschrieben, dabei zeigt

Fig. 1 den Aufbau der Vorrichtung in einer Ausführungsform zum Aufbereiten von mit Hydrazin belastetem Abwasser mit Ozon und

Fig. 2 eine mobile Ausführungsform der Vorrichtung zur Gewinnung Trinkwasser.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 weist eingangsseitig ein Vorhaltebecken 2 auf, in das mit Hydrazin belastetes Ab­ wasser 3 eintritt. In dem Vorhaltebecken 2 ist ein pH-Sensor 4 angeordnet. Der pH-Sensor 4 ermöglicht es, den pH-Wert des Abwassers 3 zu messen und anschließend die Einstellung eines gewünschten pH-Wert zu überwachen. Zu dieser pH-Werteinstellung werden Chemikalien wie NaOH oder Hcl aus einem Behälter 5 dem Abwasser 3 zugesetzt. Zur Einmischung der Chemikalien in das Abwasser 3 ist in dem Vorhaltebecken 2 ein Rührwerk 6 vorge­ sehen. Über eine Pumpe 7 und einen Zwischenbehälter 8 mit zugeordnetem Auffangbecken 9, die als Sicherheitszwischenpuffer dienen, und eine weitere Pumpe 10 gelangt das in seinem pH-Wert eingestellte Abwasser 3 von unten in einen vertikal gestreckten Reaktor 11. Dabei ist für den Fall, daß der Reaktor 11 das von der Pumpe 10 eingepumpte Abwasser 3 nicht aufnehmen kann, eine Rücklaufleitung 12 vorgesehen. Ebenfalls am unteren Ende des Reaktors 11 wird Ozon 13 eingespeist, das in einem Ozongenerator 14 aus Sauerstoff 15 gewonnen wird. Bei dem Sauerstoff 15 kann es sich um reinen Sauerstoff oder Luftsauerstoff handeln. In einem Behandlungsraum innerhalb des Reaktors 11 sind über seine gesamte vertikale Erstreckung verteilt Strömungskörper vorgesehen, die eine fein verteilte Flüssigkeit-Gas-Emulsion erzeugen, welche immer wieder neu in unterschiedlicher Verteilung in einzelne Teilströme aufgeteilt wird. Hierdurch wird eine sehr große Kontaktfläche des Ozons 13 mit dem Abwasser 3 erzielt. Zudem wirkt am unteren Ende des Reaktors 11 kein hydrostatischer Druck, der sich allein aus der Dichte des Abwassers und der Höhe des Reaktors 11 errechnet. Vielmehr wird der hydrostatische Druck durch den relativen Anteil des Ozons an der Flüssigkeit-Gas-Emulsion deutlich reduziert. Dies reduziert den Energieaufwand zum Einbringen sowohl des Abwassers 3 als auch des Ozons 13 am unteren Ende des Reaktors 11. Am oberen Ende des Reaktors 11 tritt aufbereitetes Wasser 16 aus, das nur noch einen sehr geringen Anteil an Ozon aufweist, weil das Ozon nahezu vollständig zu der gewünschten Aufbereitung des Abwassers 3 verbraucht würde. Im vorliegenden Fall dient die Behandlung mit dem Ozon 13 als Oxidator zum Abbau des in dem Abwasser 3 enthaltenen Hydrazins. Daß diese Reaktion im gewünschten Maß über die Höhe des Reaktors 11 tatsächlich erfolgt, wird an Meßpunkten 17, die über die Höhe des Reaktors 11 verteilt sind, kontrolliert. An den Meßpunkten 17 werden entweder Proben entnommen oder es werden physikalische Meßwerte gemessen, aus denen sich ein Fortschritt der Reaktion ablesen läßt. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den pH-Wert oder das Redoxpo­ tential am jeweiligen Meßpunkt 17. In dem aufbereiteten Wasser 16 verbliebenes Ozon wird in einem Restozonadsorber 18 entfernt. Dann wird das Wasser 16 über eine Pumpe 19 in ein Abwassersystem abgepumpt.

Die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 in der Anwendung zur Gewinnung von Trinkwasser. Hierzu sollen mit dem Ozon 13 im wesentlichen Mikroorganismen abgetötet werden, die sich in Wasser 20 befin­ den, welches in einem Vorratsbehälter 21 vorliegt. Das Wasser 20 wird über eine elektrische Pumpe 22 und durch einen Partikel­ filter 23 am unteren Ende des Reaktors 11 in den Behandlungsraum eingepumpt. Das Ozon 13 kommt von einem elektrischen Ozon­ generator 24 und wird aus Druckluft 25 gewonnen, die von einem Kompressor 26 kommt, dem ein Luftfilter 27 vor- und ein Kondenswasserabscheider 28 nachgeschaltet ist. Auch der Kompressor 26 wird elektrisch betrieben. Die elektrischen Geräte 22, 24 und 26 werden von einem Transformator 29 gespeist, der eingangsseitig über einen AC/DC-Wandler 30 von einem Laderegler 31 gespeist wird. Der Laderegler 31 wiederum wird wahlweise über ein Solarpaneel 32 aus Solarzellen 33 oder einen Pufferakku 34 versorgt. So ist es unter Gewinnung von Solarstrom mit dem Solarpaneel 32 möglich, das Wasser 20 so aufzubereiten, daß am oberen Ende des Reaktors 11 Trinkwasser 35 vorliegt. Bei dem Reaktor 11 gemäß Fig. 2, der ein Gehäuse 36 aus einem Kunststoffrohr aufweist, befindet sich auf Höhe jedes Meßpunkts 17 ein Lochboden 37, der die von unten kommende Flüssigkeit-Gas- Emulsion 38 in dem Behandlungsraum 39 immer wieder neu in eine Vielzahl von Teilströmen aufteilt. Diese Aufteilung kann alternativ beispielsweise durch Gesteinspartikel bewirkt werden, mit denen das Gehäuse 36 befüllbar ist. Solche Gesteinspartikel können vor Ort gewonnen werden. Beispielsweise ist Schluff geeignet. Hierdurch kann das reine Transportgewicht der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 weiter reduziert werden.

Die neue Vorrichtung 1, mit der das neue Verfahren umgesetzt wird, kann unter Ausnutzung aller ihrer Vorteile nur in einem Gravitationsfeld betrieben werden. In der Schwerelosigkeit ist der Effekt des aufströmenden Ozons nicht nutzbar, wenn nicht künstlich, beispielsweise durch Rotation ein Schwerefeld erzeugt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Vorrichtung

2

Vorhaltebecken

3

Abwasser

4

PH-Sensor

5

Vorratsbehälter

6

Rührwerk

7

Pumpe

8

Behälter

9

Auffangbecken

10

Pumpe

11

Reaktor

12

Rücklaufleitung

13

Ozon

14

Ozongenerator

15

Sauerstoff

16

Wasser

17

Meßpunkt

18

Restozonadsorber

19

Pumpe

20

Wasser

21

Vorratsbehälter

22

Pumpe

23

Partikelfilter

24

Ozongenerator

25

Druckluft

26

Kompressor

27

Luftfilter

28

Kondenswasserabscheider

29

Transformator

30

AC/DC-Wandler

31

Laderegler

32

Solarpaneel

33

Solarzelle

34

Pufferakku

35

Trinkwasser

36

Gehäuse

37

Lochboden

38

Flüssigkeit-Gas-Emulsion

39

Behandlungsraum

40

Ständer

Claims (12)

1. Verfahren zur Aufbereitung von Wasser durch Behandlung mit gasförmigen Oxidatoren, wobei das Wasser zusammen mit den Oxida­ toren als Flüssigkeit-Gas-Emulsion von unten nach oben durch einen in vertikaler Richtung gestreckten Behandlungsraum hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die von unten nach oben durch den Behandlungsraum (39) strömende Flüssigkeit- Gas-Emulsion (38) passiv mechanisch in eine Vielzahl von Teilströmen aufgespalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser (3, 20) zu Anfang auf einen pH-Wert eingestellt wird und daß in dem Behandlungsraum (39) keine Nachregulierung des pH- Werts von außen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Punkt der vertikalen Erstreckung des Behandlungsraums ein Fortschritt einer Reaktion der Oxidatoren (13) mit Bestandteilen des Wassers (3, 20) überprüft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortschritt eines Abbaus von Hydrazin oder Ethidiumbromid in dem Wasser (3) überprüft wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Behandlungsraum (39) ein Kontakt von als Oxidator verwendetem Ozon (13) mit Metallflächen vermieden wird, die als Katalysator für seine Zersetzung wirken.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am oberen Ende des Behandlungsraums (39) noch in dem aufbereiteten Wasser (16, 35) enthaltene Oxidatoren von dem Wasser (16, 35) abgetrennt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Oxidator zu verwendendes Ozon (13) unter Verwendung von vor Ort erzeugtem Solarstrom erzeugt wird und daß das Wasser (20) unter Verwendung von vor Ort erzeugtem Solar­ strom gepumpt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem den Behandlungsraum umschließenden vertikal gestreckten Reaktor, der Einlässe für das Wasser und die gasförmigen Oxidatoren in seinem unteren Bereich und einen Auslaß in seinem oberen Bereich aufweist, dadurch gekennzeich­ net, daß in dem Behandlungsraum (39) Strömungskörper (37) enthalten sind, die eine in eine Vielzahl von Einzelströmen aufgeteilte Flüssigkeit-Gas-Emulsion (38) erzeugen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß weder der Reaktor (11) noch die Strömungskörper Metallflächen aufweisen, die als Katalysator für eine Zersetzung von als Oxidator eingesetztem Ozon wirken.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (11) über seine vertikale Erstreckung keine Zugabepunkte für die Zugabe von Chemikalien zur Nachregulierung des pH-Werts, aber mindestens einem Meßpunkt (17) zur direkten Messung oder für eine Probenentnahme zur Messung eines Fortschritts einer Reaktion der Oxidatoren (13) mit Bestand­ teilen des Wassers (3, 20) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktor (11) ein Restoxidatoradsorber (18) nachgeschaltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Solarzelleneinrichtung (29 bis 34) zur Erzeugung von Solarstrom, ein elektrischer Kompressor (26) und ein elektrischer Ozongenerator (24) zum Erzeugen von als Oxidator zu verwendendem Ozon (13) und eine elektrische Pumpe (22) zum Pumpen des Wassers vorgesehen sind.