DE10128088A1 - Verfahren und Einheit zur optimierten Desinfektion mittels Elektrolyse - Google Patents

Abstract

Herkömmliche Desinfektionsverfahren bringen in überhöhter Menge desinfizierende Chemikalien in die zu desinfizierenden Wässer ein. Unerwünschte Nebenerscheinungen sind energetische und stoffliche Mehraufwendungen, erhöhte Korrosion, Geruchsbelästigungen, die Bildung gefährlicher Nebenprodukte, Anwendungseinschränkungen und ein erhöhter Bedienungsaufwand. Um diese Nachteile zu beseitigen, werden erfindungsgemäß mindestens eine Sterilfiltrationseinheit (1) und mindestens eine Elektrolyseeinheit (2) zur vollständigen oder teilweisen Wasserstrombehandlung kontinuierlich oder quasikontinuierlich verfahrensablauf- bzw. stoffstrommäßig hintereinandergeschaltet, wobei der aus der Sterilfiltereinheit (1) austretende Gesamtwasserstrom oder ein Teilstrom mit mindestens einer Elektrode der Elektrolyseeinheit (2) in Kontakt gebracht werden.

Description

• Die vorgestellte Erfindung bezieht sich auf die Desinfektion von Wässern, wobei erfindungsgemäß die Nachteile anderer, insbesondere chlorprodukteintragender Verfahren beseitigt werden.
• Eine wichtige Voraussetzung für das menschliche Leben ist die Bereitstellung desinfizierten Wassers. Wässer, die man im allgemeinen in Trink-, Brauch-, und Abwässer einteilen kann, können mit sehr unterschiedlichen Verfahren desinfiziert werden. Dazu gehören das Erhitzen, die Bestrahlung, hauptsächlich mit UV-Strahlen, die Sterilfiltration, die Zugabe von Ozon oder Wasserstoffperoxid, die Einleitung von Chlor bzw. Chlordioxid sowie von anderen chlorhaltigen Produkten wie Chlorkalk oder Natriumhypochlorit. Chlor wird in der Regel fabrikmäßig im Elektrolyseverfahren erzeugt und in Gasflaschen zum Einsatzort transportiert. Die Elektrolyse kann aber auch verwendet werden, um Chlor bzw. chlorhaltige Verbindungen vor Ort zu erzeugen und sie in die zu desinfizierenden Systeme zu dosieren. Dazu verwendet man angesetzte Solen oder Meereswasser.
• Seit ca. fünfzig Jahren (Arbeiten von Prof. Reis und Kirmeier) beschäftigt man sich noch mit einer anderen Methode - der in situ-Generierung desinfizierender Spezies. Geeignete Wässer (Trinkwasser, Badewasser, Kühlwasser u. ä.) werden dabei direkt durch Elektrolysezellen gepumpt und an mindestens einer Elektrode (es gibt geteilte und ungeteilte Elektrolysezellen) vorbeigeführt. Die an dieser/diesen Elektroden gebildeten Stoffe desinfizieren das Wasser, indem sie hautsächlich oxidativ Mikroorganismen angreifen. Voraussetzung dafür sind jedoch ausreichende Chloridgehalte im Wasser bzw. ausreichend hohe Elektrodenpotentiale, um gegebenfalls neben Chlorprodukten auch andere Oxidantien, wie Wasserstoffperoxid, Ozon oder Radikale zu bilden. Für gering belastete Trinkwässer sind Chloridgehalte ab ca. 30 mg/l ausreichend, um geforderte Desinfektionsleistungen zu erbringen.
• Neuere Anmeldungen mit Beschreibungen von direkt in die Wässer eintauchenden Elektroden sind u. a.: EP 0841 305, DE 295 21 558, WO 98/40536, DE 198 12 801, DE 299 10 724. Verfahren mit sich anodisch bildenden Ionen wie Kupfer oder Silber (WO 97/19896, DE 35 43 223) basieren auf der keimtötenden Wirkung dieser Ionen. Gelegentlich wird auch auf die direkte Reaktion von Mikrorganismen an Elektroden verwiesen (DE 196 33 342, DE 44 11 333, US 4384943, EP 0175123); diese Mechanismen sind jedoch nicht zweifelsfrei nachgewiesen und können mit großer Wahrscheinlichkeit nur eine untergeordnete Rolle bei der Desinfektion spielen. Bekannt sind jedoch Mikroorganismenanlagerungen an Elektroden und Ausrichtungen im elektrischen Feld, wenn zuvor die Mikroorganismen von ihren Zellwänden befreit wurden oder wenn man eine Elektrolyse ohne Gasentwicklung betreibt. Die Kontaktierung intakter oder bereits vorgeschädigter Organismen mit der Elektrode hängt in jedem Fall von statistischen Verteilungen sowie Strömungsprofilen und Transportvorgängen in Elektrodengrenzschichten ab.
• Ein Nachteil aller oxidativ wirkenden Verfahren mit Chemikalieneintrag ist deren Überdosierung, wie es auch der Laie häufig auch seinem Geruchssinn bei Trink- und Badewässern feststellen kann. Diese Überdosierung hat mehrere Ursachen. Eine davon ist eine gewisse Grundfehlerhaftigkeit der verwendeten Dosier- bzw. Automatisierungstechnik. In Ländern mit höheren Durchschnittstemperaturen herrscht weiterhin oft eine stärkere Belastung des Wassers mit Keimen vor. Bei beiden Erscheinungen wird mit Hilfe einer erhöhten Zugabe von Oxidantien ein Zustand eingestellt, mit dem man auf der sogenannten sicheren Seite liegt. Grenzwerte werden durch den Gesetzgeber geregelt (in Deutschland durch die Trinkwasserverordnung).
• Es gibt jedoch noch einen weiteren Grund der Überdosierung. Zugegebene Oxidantien töten nicht nur die im Wasser vorhandenen Mikroorganismen ab, wofür eine bestimmte Mindestmenge an Oxidantien erforderlich ist, sie reagieren weiterhin mit organischen oder anorganischen Wasserinhaltsstoffen, und sie reagieren auch mit der Restmasse der bereits abgestorbenen Mikroorganismen. Dies hat zur Folge, daß doppelt so viel Desinfektionsmittelmenge zugegeben werden muß als eigentlich erforderlich wäre, wie ineigenen Arbeite ermittelt werden konnte. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Desinfektionsnebenprodukten, die gesundheits- und erbgutschädigend wirken können, wenn es sich insbesondere um Chlorungsprodukte handelt. Eine Ausnahme bilden Sterilfilter, die mit Porendurchmessern im Mikrometerbereich arbeiten, um u. a. Bakterien zurückzuhalten, jedoch nicht kleinere Organismen, so daß aus diesen Gründen und aus Gründen von Störungen durch mögliche Rißbildung im Filter eine Nachchlorung im Trinkwasserbereich erfolgen sollte, die aber nicht generell angewendet wird. Bei einer Nachchlorung stößt man wiederum auf die regelungstechnisch bedingte Überdosierung. Weiterhin muß erwähnt werden, daß Sterilfiltrationen häufig im kleineren Maßstab eingesetzt werden, wie z. B. für militärische Feldversorgungen, Notversorgungen, Einzelwasserversorgungen, Expeditionen usw.. Dabei sind die Mitführung und Bereitstellung von Chlorgas oder von Desinfektionstabletten, die unkontrolliert zugesetzt werden, eine sehr unangenehme Maßnahme.
• Schließlich sei noch angeführt, daß der erwähnte Mehrverbrauch an z. B. Gesamtchlor den Anwendungsbereich der direktelektrolytischen Wasserbehandlung empfindlich einschränken kann. Für eine effektive Gesamtchlorerzeugung benötigt man nämlich einen natürlichen Chloridgehalt im zu desinfizierenden Wasser von ca. 100 mg Chlorid pro Liter. Das bedeutet, das das elektrochemische Verfahren bei kleineren Chloridgehalten, die häufig auftreten, nicht mehr praktikabel wird.
• Somit kann festgestellt werden, daß derzeit kein Verfahren existiert, das die beschriebenen Nachteile zufriedenstellend beseitigt.
• Zu den Aspekten Filtration und Durchflußelektrolyse finden sich kaum Anhaltspunkte in der Literatur. So war für die Anwendung der Durchflußwasserdesinfektion vorgeschlagen worden (Kirmaier, N. u. a.: Neue DELIWA-Zeitschrilt 6, 1984), Schwimmbadwasser elektrochemisch zu desinfizieren. Um jedoch Legionellenfreiheit zu erreichen, bedarf es weiterer Maßnahmen, wie z. B. der nachgeschalteten Bakterienfiltration. Sogenannte vor- oder nachgeschaltete Aktivkohlefilter sind im eigentlichen Sinne Adsorptionsapparate und keine Filter. In EP 0838434 wird, dem Diaphragmaverfahren, gleich eine Lösung durch eine durchlässige Separatorkonstruktion in den desinfektionsmäßig nicht relevanten Kathodenraum gepumpt, wobei von Filtration gesprochen wird. Ziele sind jedoch die Gastrennung und die effektivere Erzeugung von Chlorprodukten in der Anodenkammer. In EP 0 505 125 wird eine eingebaute Elektrolysezelle verwendet, um einen Filter an einem Waschbecken zu desinfizeren. Ähnliches wird in der Offenlegungsschrift DE 37 14 200 verfolgt. Im US-Patent 5427 667 wird eine Elektrolysezelle vorgestellt, die einen Separator in der Beschaffenheit einer Ultrafiltrationsmembran aufweist, die aufgrund ihres Porendurchmesserspektrums jedoch nur dem Ionentransport dient. Anodenraum und Kathodenraum werden separat von Elektrolyten bzw. Wasser durchflossen. All diese Erfindungen berühren den hier dargestellten Sachverhalt nicht, für den keine Lösungsansätze bekannt sind.
• Überraschenderweise konnte jedoch jetzt gefunden werden, daß sich die Nachteile einer erhöhten Chemikaliendosierung, einer Anwendungseinschränkung und unhandlichen Bedienung auf einfache Weise überwinden lassen, wenn Sterilfiltration und Durchflußelektrolyse kombiniert werden. Die Aufgabe der Erfindung wird - ausgehend vom Oberbegriff des 1. Patentanspruches - gemäß den Merkmalen im gekennzeichneten Teil gelöst.
• Danach werden mindestens eine sogenannte Sterilfiltereinheit zur überwiegenden Rückhaltung von Mikroorganismen und anderen Kleinlebewesen mit mindestens einer Elektrolysezelle, bestehend aus einer geteilten oder ungeteilten Konstruktion unter Verwendung von mindestens einer Anode und einer Kathode verfahrensablauf bzw. stoffstrommäßig als Haupt- oder Nebenstrom einer Wasserdesinfektionsanlage in Reihe verschaltet. Damit wird erreicht, daß der Großteil der im Wasser enthaltenen Mikoorganismen im Sterifilter zurückgehalten werden. Nur kleinere Organismen, wie Viren, die infolge der Porendurchmesserverteilung den Filter passieren können, gelangen in die zweite direktelektrolytische Desinfektionseinheit (Elektrolyseeinheit). Da die hierher gelangenden Mikroorganismen in der Regel nur einen verschwindend geringen Anteil der Wasserorganismenmasse ausmachen, wird zur deren Abtötung und Auflösung nur eine verschwindend geringe Desinfektionsmittelmenge, die an mindestens einer Elektrode der Durchflußzelle oder der Wasserbehandlungseinheit der Elektrolysestufe mit eventuell zeitweise nicht weitergepumpter Wassermenge, benötigt. Diese Menge dient de facto zur Aufrechterhaltung der sogenannten Depotwirkung im desinfizierten Wasser. Nach deutscher Trinkwasserverordnung darf z. B. die Konzentration freien Chlors am Ausgang nicht höher als 0,3 mg/l (in Ausnahmen 0,6 mg/l) liegen. Über die Stromsteuerung der Elektrolysezelle läßt sich eine sehr feine elektrochemische Dosierung von Oxidantien erzielen. Da die Mehrzahl der Mikroorganismen bereits im Sterilfilter zurückgehalten wurden, reichen auch sehr kleine natürliche Chloridkonzentrationen im Bereich weniger Milligramm Gesamtchlor pro Liter aus, um eine ausreichende und nachhaltige Desinfektionswirkung zu erzielen. Die Bildung von halogenhaltigen Desinfektionsnebenprodukten wird fast um 100% reduziert, da in der Elektrolysezelle kaum noch organisches Material aus Zellresten vorhanden ist. Somit wird durch die beschriebene Erfindung ein unerwartet neuer Qualitätssprung bei der Wasserdesinfektion, insbesondere bei der Trinkwasserdesinfektion, erreicht, der durch konventionelle Methoden nicht möglich ist.
• Die Fig. 1 bis 4 zeigen Merkmale des Erfindungsanspruches. Fig. 1 enthält typische Verschaltungsvarianten der beiden Einheiten. In der oberen Darstellung ist die Elektrolyseeinheit (2) zugleich Sammelgefäß, in der quasikontinuierlich bzw. diskontinuierlich der desinfizierte Wasserstrom gesammelt wird, der zuvor als Rohwasserstrom (3) in die Sterilfiltereinheit (1) eingespeist wurde. Die mittlere Darstellung entspricht einer kontinuierlichen Fahrweise und in der unteren Darstellung wird der Wasserstrom im Kreislauf durch die Elektrolyseeinheit gefördert, um die Behandlungszeit zu verlängern oder den Stofftransport an den Elektroden zu beschleunigen. Fig. 2 sieht nur die Behandlung eines Teilstromes des in die Sterilfiltereinheit eingetretenden Wasserstromes (3) in der Elektrolyseeinheit (2) vor und Fig. 4 beschreibt Möglichkeiten der Wasserstromführung durch ein geteilte Elektrolyseeinheit mit dem Separator (4) - nur durch einen Elektrodenraum, durch beide Elektrodenräume parallel, und nacheinander durch die beiden Elektrodenräume, wobei die gestrichelten Linien diese optionalen Varianten beschreiben. Natürlich können die Beispiele in Fig. 2 und Fig. 3 sich den Grundvarianten in Fig. 1 unterordnen. Zusätzlich ist für die separatorgeteilte Zelle noch der Flüssigkeitsübertritt von einem Elektrodenraum in den anderen Elektrodenraum möglich. Die Fig. 4 enthält ein Beispiel für den Chlorbedarf einer elektrochemischen Direktdesinfektionselektrolyse ohne die Verwendung des vorgeschalteten Sterilfilters.
• Dazu wird nachfolgend wird die Erfindung an einem Beispiel erklärt. Für den Versuch nach Fig. 4 wurde eine Durchflußzelle mit Mischoxidplattenelektroden verwendet und bei einer mittleren Stromdichte von 100 Ampere pro Quadratmeter betrieben. Durch die Zelle wurde Wasser mit definiertem Chlorid und Sulfatgehalt (je 100 mg/l) gepumpt. Dem Wasser wurden zuvor mit mikrobiologischen Methoden angereicherte Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae) zugesetzt. Der Versuch wurde wiederholt. Die Konzentrationen der Hefezellen und des freien Chlors wurden nach der Elektrolyse zeitlich verfolgt. Die Abbildung macht deutlich, daß nach 30 Minuten, d. h. nach dem vollständigen Absterben der Hefezellen noch ca. 50% des ursprünglich vorhandenen freien Chlors vorhanden sind, das sich im weiteren Verlauf fast vollständig abbaut, da es mit dem toten Zellenmaterial weiterreagiert. Dies bedeutet, daß die doppelte Chlormenge erzeugt werden muß, als zum Abtöten notwendig ist. Unter Verwendung von keramischen Sterilfiltern, wie sie für die Wasserehandlung erwerbbar sind, wurde in Laborversuchen eine vollständige Zellenrückhaltung erreicht. Für die Restchlorung wurde eine Schwachstromelektrolyse mit einem Wasser mit 40 mg Chlorid pro Liter durchgeführt, um eine Aktivchlormenge von 0,1 mg/l einzustellen, die sich über 48 Stunden kaum änderte. Für höhere Aktivchlormengen von 0,3 mg/l wurde eine Kreislauffahrweise entsprechend der unteren Abbildung in Fig. 1 gewählt.
• Ist die Chloridkonzentration im Wasser höher, so kann die Schaltung entsprechend Fig. 2 gewählt werden. Die mit guten Stromausbeuten gebildete Aktivchlormenge in der Elektrolyseeinheit (2) ist ausreichend, den Teilwasserstrom aus der Sterilfiltereinheit (1), der nicht die Elektrolyseeinheit passiert, mitzudesinfizieren, womit sich auch der energetische Aufwand zur Wasserförderung verringert.

Claims (12)

1. Verfahren und Einheit zur optimierten Desinfektion mittels Elektrolyse, vorzugsweise zur Desinfektion von Wässern, gekennzeichnet dadurch, daß kontinuierlich oder zeitweise mindestens eine mikroorganismenfilternde Trenneinheit, nachfolgend Sterilfiltereinheit genannt, und eine geteilte oder ungeteilte, ungeregelte, strom-, potential- oder spannungsgeregelte aus mindestens einer Anode und mindestens einer Kathode bestehende Elektrolysezelle, nachfolgend Elektrolyseeinheit genannt, verfahrensablauf- bzw. stoffstrommäßig hintereinandergeschaltet werden, wobei vorzugsweise der aus der Sterilfiltereinheit austretende Gesamtwasserstrom oder ein Teilwasserstom mit mindestens einer Elektrode der Elektrolyseeinheit in Kontakt gebracht wird.

2. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrolyseeinheit mit einer Kreislaufführung ausgestattet ist.

3. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Elektrodenpolarisation ein spezielles elektrochemisches Regime wie z. B. Konstantspannung, Konstantstrom, Konstantpotential angewendet wird.

4. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden der elektrolyseeinheit definiert ihre Polarisierung wechseln.

5. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden der Elektrolyseeinheit periodisch physikalisch und/oder chemisch gereinigt werden.

6. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Separator/en ein flüssigkeitsdurchlässiges Diaphragma und/oder (eine) Ionenaustauschermembran(en) eingesetzt werden.

7. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden aus Metall, Metalloxiden, Kohlenstoff bzw. Graphitmaterialien, leitfähigen Kunsstoffen oder aus leitfähigen Verbund- oder Mischmaterialien bestehen.

8. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bipolare Elektrodenkonstruktionen verwendet werden.

9. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Sterilfilterinheit und Elektrolyseeinheit eine bauliche Einheit bilden, z. B. durch Einbau der Elektrolyseeinheit in die Sterilfiltereinheit.

10. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Steuerung/Regelung der Elektrolyseeinheit und/oder des Wasserdurchsatzes eine gemessene Eigenschaft des zu desinfizierenden und/oder des behandelten Wassers verwendet wird.

11. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zum Betrieb der Elektrolyseeinheit stofftransportbeschleunigende Maßnahmen wie erhöhte Konvektion oder Vibration verwendet werden.

12. Verfahren und Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sterilfiltereinheit mit einer Reinigungseinheit versehen ist.