DE10201037A1

DE10201037A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Desinfektion von Abwässern von Fischzuchtbetrieben

Info

Publication number: DE10201037A1
Application number: DE2002101037
Authority: DE
Inventors: Klaus Nonnenmacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-12
Filing date: 2002-01-12
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-13
Also published as: DE10201037B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung und/oder Desinfektion von Wasser oder Abwasser eines Wasserreservoirs, bei dem das Wasser oder Abwasser einem Rohrreaktor (5) zugeführt und dem Rohrreaktor (5) außerdem Ozon oder ein Ozon-Luftgemisch unter erhöhtem Druck zugeführt wird. Dabei wird das Ozon in dem Wasser oder Abwasser zumindest teilweise gelöst. Der Rohrreaktor (5) wird innerhalb des Reservoirs vorzugsweise an dessen Boden oder außerhalb des Reservoirs in Bodenhöhe des Reservoirs angeordnet. DOLLAR A Das Ozon oder das Ozon-Luftgemisch durchläuft nach dem Eintritt in den Rohrreaktor (5) zusätzlich eine Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen (15) und vor dem Verlassen des Reaktors ein Entspannungsventil (19). DOLLAR A Die Erfindung betrifft auch einen Rohrreaktor (5) zur Anwendung bei dem genannten Verfahren. DOLLAR A Verwendet werden das Verfahren und der Reaktor bei der Reinigung und Desinfektion von Abwässern von Fischzuchtbetrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung und/oder zur Desinfektion von Wasser oder Abwasser, einen Reaktor, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist und eine besondere Anwendung des Verfahrens mit dem Reaktor im Bereich der Reinigung und Desinfektion von Abwässern von Fischzuchtbetrieben.
Die Aufzucht von Fischkulturen erreicht immer größere Bedeutung, nicht nur in Europa, sondern insbesondere auch in wärmeren asiatischen Regionen oder generell im Bereich des Äquators, weil dort ideale Wachstumsbedingungen für die Fischzucht mit ganzjährigen Temperaturen von 30 bis 40°C zur Verfügung stehen. Dies hat andererseits aber auch den erheblichen Nachteil, daß sich gleichzeitig gefährliche Krankheitskeime mit erheblicher Geschwindigkeit vermehren. Daher können die Abwässer solcher Fischkulturen ein erhebliches gesundheitliches Problem darstellen und die Abwasseraufbereitung muß sorgfältig durchgeführt werden.
Abwässer aus Fischkulturen werden biologisch mittels einer Nitrifikationsstufe und einer Denitrifikationsstufe aufbereitet. Die Fischzuchtbecken wie die Aufbereitungsbecken sind üblicherweise mit einer Tiefe von bis zu 5 m im Erdreich angebracht. Soll das Abwasser wieder einem natürlichen Oberflächenwasser, wie einem See, Fluß, Ozean oder dgl. zugeführt werden oder soll es in einem Kreislauf wieder für die Fischzucht zur Verfügung stehen, müssen die vorhandenen Bakterien abgetötet werden.
Hierfür ist es im Stand der Technik bereits bekannt, Ozon als Reinigungs- und Desinfektionsmittel einzusetzen. Für den Ozoneintrag in das jeweilige System werden in der Regel Injektoren in Form von Wasserstrahldüsen oder poröse Materialien verwendet. Ziel ist es jeweils, Blasen in dem Wasser zu erzeugen, aus denen das Ozon in die Wasserphase diffundieren kann. Die Vorrichtungen für diese Injektorbegasung sind dabei außerhalb und oberhalb des Aufbereitungsbeckens angebracht. Das bedeutet, daß die gesamte zu behandelnde Wassermenge über das Beckenniveau hinaus gefördert werden muß. Der Energieaufwand für dieses Heraufpumpen ist beträchtlich.
Es ist auch darauf zu achten, daß eine ausreichende Ozonkonzentration pro m³ Wasser zur Verfügung gestellt werden kann, um eine ausreichende Desinfektion bzw. Sterilisation zu erreichen. Erschwert wird die Desinfektion mittels Ozon dadurch, daß die Halbwertszeit von Ozon bei 40°C etwa eine Viertel Minute beträgt. Ozon zerfällt radikalisch und bewirkt dabei keine Desinfektion. Um daher z. B. bei einem Wasservolumen des Aufbereitungsbeckens von etwa 3000 m³ eine Reaktionszeit von etwa 10 s gewährleisten zu können, muß im Stand der Technik ein Reaktionstank mit einem Volumen von etwa 1,4 m³ bereitgestellt werden. Neben dem hohen Energieaufwand für das Heraufpumpen des Wassers bzw. Abwassers in einen Reaktionstank ist daher die zusätzlich erforderliche Gebäudefläche und der damit verbundene konstruktive Aufwand nachteilig.
Die hohen Wassertemperaturen sind problematisch, und die Ozonkonzentration muß hoch sein, bzw. seine Löslichkeit in dem Wasser muß optimiert werden, um die erforderliche weitestgehende Desinfektion des Wassers gewährleisten zu können.
Davon ausgehend lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung und/oder Desinfektion von Wasser oder Abwasser in einem Wasserreservoir zur Verfügung zu stellen, die ein wirtschaftliches Arbeiten, und besonders in bezug auf die Fischzucht auch noch unter Temperaturbedingungen, die ein starkes Bakterienwachstum bewirken, eine ausreichende Ozonkonzentration in einem Aufbereitungsbecken für Abwasser aus der Fischzucht gewährleisten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei welchem das aufzubereitende Wasser oder Abwasser einem Reaktor zugeführt wird, wobei dem Reaktor außerdem Ozon oder ein Ozon-Luftgemisch unter erhöhtem Druck zugeführt und das Ozon in dem Wasser oder Abwasser, das sich in dem Reaktor befindet, zumindest teilweise gelöst wird. Der Reaktor wird dabei in einem Reservoir, beispielsweise dem biologischen Aufbereitungsbecken bei der Fischzucht, oder außerhalb des Reservoirs angeordnet. Er wird jedoch immer in der Weise angeordnet, daß er das Reservoir nicht überragt. Für eine Anordnung außerhalb des Reservoirs bedeutet dies, daß der Reaktor im benachbarten Erdreich eingelassen wird. Vorzugsweise wird als Reaktor ein Rohrreaktor verwendet.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren hat den Vorteil, daß die Förderung des zu behandelnden Wassers über die geodätische Höhe entfällt, wodurch erhebliche Energiekosten eingespart werden können. Zusätzlich wird es durch die Behandlung im Becken selbst oder benachbart zum Becken, aber immer unterhalb der geodätischen Höhe, sogar möglich, den geodätischen Druck für die Verbesserung der Lösung des Ozons in dem Wasser oder Abwasser zunutze zu machen. Dies gilt insbesondere, wenn der Reaktor gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform am Boden des Reservoirs oder in Bodenhöhe des Reservoirs angeordnet wird, wenn der Reaktor außerhalb des Reservoirs in dem ihn umgebenden Erdreich platziert wird.
Des weiteren kann vorgesehen sein, daß das Ozon oder das Ozon-Luftgemisch nach dem Einritt in den Reaktor zusätzlich eine Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen des Ozons oder des Ozon-Luftgemisches durchläuft. Diese spezielle Vorrichtung wird in dem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Sie bewirkt eine deutliche Erhöhung der Blasenanzahl und eine Verkleinerung der Blasendurchmesser. Die spezifische Oberfläche a der Ozonblasen steigt erheblich und die Austauschfläche A vergrößert sich. Die Löslichkeit des Ozons oder des Ozon- Luftgemisches wird erhöht.
Grundsätzlich gilt, daß die spezifische Oberfläche a einer Blase bei gleichem Volumen V und kleiner werdender Blase zunimmt:

a = A/V = 6/d,

mit A = Blasenoberfläche, d = Blasendurchmesser.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Bakterienagglomerate in dem Blasen- Shredder ebenso zerstückelt werden wie die Blasen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens passiert das Wasser vor dem Verlassen des Reaktors ein Entspannungsventil. Dadurch kann der Druck in der Reaktionskammer wirksam eingestellt und gesteuert werden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform wird das Ozon in dem Ozongenerator unter erhöhtem Druck erzeugt. Dadurch weist es gegenüber Ozonanlagen, die bei Atmosphärendruck arbeiten, etwa die doppelte Ozonkonzentration auf.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch einen Reaktor, der einen Einlaß für das zu reinigende oder desinfizierende Wasser in den Reaktor, einen Einlaß für das die Reinigung oder Desinfektion bewirkende Gas oder Gasgemisch in den Reaktor, eine Reaktionskammer zum Lösen des Gases oder Gasgemisches in dem Wasser und einen Auslaß für das gereinigte und/oder desinfizierte Wasser zurück in das Reservoir aufweist.
Bei dem Passieren der Reaktionskammer eines solchen Reaktors, der vorzugsweise ein Rohrreaktor ist, löst sich das Ozon besonders effektiv in dem Wasser. Dies gilt umso mehr, wenn der Reaktor am Boden des Abwasserreservoirs angeordnet ist, weil sich dann der dort erhöhte geodätische Druck noch günstiger auf das Löseverhalten des Ozons auswirkt.
Wenn vorgesehen ist, daß der Reaktor in der Weise in dem Reservoir angeordnet ist, daß sich sein Auslaß benachbart zu einer der Wandungen des Reservoirs befindet, wirkt diese Wand als Prallwand für das aus dem Reaktor ausströmende Wasser. Durch die Prallwand wird die Strömung umgelenkt und das Wasser in dem Reservoir gut durchmischt.
Wenn weiterhin vorgesehen ist, daß in dem Reaktor zusätzlich und vorzugsweise im Anschluß an den Einlaß für das Gas oder Gasgemisch ein Blasen-Shredder angeordnet ist, sind hierfür die gleichen Vorteile und Wirkungen zu nennen, wie in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren weiter oben bereits ausgeführt. Dasselbe gilt auch, wenn in dem Reaktor zusätzlich im Anschluß an die Reaktionskammer ein Entspannungsventil angeordnet ist, in bezug auf dessen weiter oben genannte vorteilhafte Wirkungen.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren und der entsprechende Reaktor vielseitig einsetzbar sind, wird hier insbesondere die Verwendung zur Reinigung und Desinfektion von Abwässern von Fischzuchtbetrieben in den Vordergrund gestellt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der beigefügten Zeichnung näher dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische und vereinfachte Darstellung einer Aufbereitungsbeckens, das den erfindungsgemäßen Reaktor aufweist,
Fig. 2 den Verlauf der Ozonkonzentration bei Desinfektionsversuchen in einem erfindungsgemäßen Rohrreaktor mit E. coli-Bakterien,
Fig. 3 den Verlauf der Lebendkeimzahl bei Desinfektionsversuchen in einem erfindungsgemäßen Rohrreaktor mit E. coli-Bakterien.
In Fig. 1 ist ein Wasserreservoir in Form eines Aufbereitungsbeckens, genauer ein aerobes Becken zur Aufnahme des Abwassers eines Fischzuchtbetriebes, dargestellt und dieses Aufbereitungsbecken insgesamt mit 1 bezeichnet. Auf dem Bodengrund 3 des Aufbereitungsbeckens 1 ist ein erfindungsgemäßer Reaktor in Form eines Rohrreaktors 5 angeordnet. Ihm wird über eine Unterwasserpumpe 7 Wasser des Aufbereitungsbeckens zugeführt, wie dies mit Pfeilen in Fig. 1 angedeutet ist. Die Unterwasserpumpe 7 saugt das Wasser über ein Filtergitter an, das den Einlaß für das zu reinigende und/oder zu desinfizierende Wasser in den Rohrreaktor 5 bildet. Anschließend passiert das Wasser eine Begasungszone 9. Über eine Gasfritte als Einlaß für das die Reinigung und/oder Desinfektion bewirkende Gas oder Gasgemisch in den Rohrreaktor 5 wird ein Ozon-Luftgemisch unter Druck zugeführt. Die Blasengröße beträgt dabei etwa 1 bis 3 cm.
Das Ozon-Luftgemisch selbst wird zuvor in einem Ozongenerator 11 unter Druckbetrieb bei etwa 2 bar hergestellt. Dadurch weist es im Vergleich zu Ozonanlagen, die mit Atmosphärendruck arbeiten, die doppelte Ozonkonzentration auf. Dieses Ozon-Luftgemisch wird über die Leitung 13 in die Begasungszone 9 geleitet.
An die Begasungszone 9 schließt sich eine Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen 15 an. Diese Vorrichtung zu Zerkleinerung der Gasblasen 15 stellt im Prinzip eine Stoffaustauschkolonne dar, die im vorliegenden Beispiel eine Kugelfüllung aufweist. Sie arbeitet aber nicht wie eine Stoffaustauschkolonne im herkömmlichen Sinn. Denn während solche Kolonnen üblicherweise einen hohen Gasanteil aufweisen, der eine geringe Flüssigkeitsmenge aufzunehmen hat, wird in der erfindungsgemäß eingesetzten Vorrichtung 15 eine kleine Gasmenge in einer relativ dazu großen Flüssigkeitsmenge aufgenommen und im wesentlichen gelöst. Die Vorrichtung 15 bewirkt zunächst, daß die Blasenzahl erheblich erhöht und der Blasendurchmesser auf weniger als 1 mm verkleinert wird. Entsprechend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 15 auch als Blasen-Shredder bezeichnet werden. Durch die Verkleinerung des Blasendurchmessers vergrößert sich die Austauschfläche A und die spezifische Oberfläche a der Blasen steigt von 0,2 auf 6,0 bedeutend an. Durch den Gasdruck in der Kugelfüllung der Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen 15 wird außerdem die Löslichkeit des Ozons in dem zu behandelnden Wasser erhöht. Anstelle der Kugelfüllung kann die Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen 15 auch Raschig-Ringe oder eine andere geeignete Packung aufweisen. Vorteilhaft ist, daß neben den Blasen des Ozon- Luftgemisches auch vorhandene Bakterienagglomerate zerstückelt werden.
An diese Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen 15 oder kurz den Blasen- Shredder schließt sich die Reaktionskammer 17 an, in der eine turbulente Strömung vorherrscht. Der Druck in der Reaktionskammer 17 wird über das Entspannungsventil 19 eingestellt.
Für die Desinfektion des Wassers des Aufbereitungsbeckens 1 muß das Ozon- Luftgemisch in der Reaktionskammer 17 in dem dort befindlichen Wasser gelöst werden. Dies stellt bei den hohen Wassertemperaturen, wie sie in der Fischzucht erforderlich sind, ein erhebliches Problem dar. Da das Ozon erfindungsgemäß unter erhöhtem Druck in das zu behandelnde Wasser eingeleitet wird, kann in dem Rohrreaktor 5 ein ausreichender Ozon-Stoffumsatz erzielt werden, der eine weitgehende bis vollständige Reinigung und Desinfektion bzw. Sterilisation des Wassers des Aufbereitungsbeckens 1 auch bei den hohen Temperaturen von etwa 40°C gewährleistet, wie sie bei der Fischzucht üblich sind. Zusätzlich gewährleistet die Herstellung des Ozons unter erhöhtem Druck eine ausreichend hohe Ozonkonzentration in dem Wasser, das sich in der Reaktionskammer 17 befindet.
Besonders zu bemerken ist die Anordnung des Rohrreaktors 5 in dem Aufbereitungsbecken 1. Nach dem Passieren der Reaktionskammer 17 und des Entspannungsventils 19 wird das im wesentlichen vollständig desinfizierte bzw. sterilisierte Wasser wieder in das Aufbereitungsbecken 1 entlassen. Dabei ist der Rohrreaktor 5 in dem Aufbereitungsbecken 1 in der Weise angeordnet, daß sein das Wasser wieder entlassender Endbereich in der Nähe einer Beckenwand angeordnet ist. Diese Beckenwand bildet eine Prallwand 21, an der das aus dem Rohrreaktor 5 strömende Wasser umgelenkt wird. Dadurch wird in konstruktiv einfacher Weise eine gute Durchmischung des Beckeninhalts bewirkt.
Unter Umständen muß das aufzubereitende Wasser nicht nur in bezug auf den Bakteriengehalt gereinigt werden, sondern es müssen weitere Verunreinigungen, wie Pestizide, entfernt werden. Für diese ist bekannt, daß sie durch radikalische Reaktionen abgebaut werden können. Zu diesem Zweck kann der erfindungsgemäße Rohrreaktor 5 zusätzlich mit einem UV-Strahler 23 ergänzt werden, der, in Strömungsrichtung des Wassers betrachtet, in dem Rohrreaktor 5 vor dem Entspannungsventil 19 angeordnet ist. Wenn ein solcher UV-Strahler vorgesehen ist, erhöht sich der Ozonbedarf entsprechend.
In Tabelle 1 ist ein Vergleich zwischen den Daten und Meßergebnissen dargestellt, wie sie sich bei einem Vergleich des bekannten Injektionssystems über Wasserstrahldüsen mit dem erfindungsgemäßen Rohrreaktor ergeben. Die Ergebnisse zeigen, daß bei gleicher Ozonkapazität eine höhere Ozongaskonzentration erzielt werden kann, wenn das Ozon unter erhöhtem Druck erzeugt wird. Auch die Löslichkeit des Ozons in dem zu behandelnden Wasser liegt erheblich über den für das Injektionssystem erhaltenen Werten. Dies ist auf das Zuführen des Ozon- Luftgemisches unter erhöhtem Druck, einschließlich des Zunutzemachens des geodätischen Drucks, und auf das Passieren des Blasen-Shredders 15 zurückzuführen.
Der Energiebedarf sinkt gegenüber dem Injektionssystem ebenfalls deutlich.
Fig. 2 zeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren einen vollständigen Ozonumsatz ermöglicht. In Fig. 2 ist der Verlauf der Ozonkonzentration bei Desinfektionsversuchen im Rohrreaktor in Gegenüberstellung mit Simulationsversuchen dargestellt. Als Bakterien wurden E. coli mit einer Keimzahl von 2,3 × 10⁸/mL verwendet. Es wurden zwei verschiedene Ozonkonzentrationen am Reaktoreintritt gewählt. Der mit kleinen Kreisen dargestellte Kurvenverlauf entspricht einer Eingangskonzentration an O₃ von 3,1 mg/L und der durch schwarze Quadrate wiedergegebene Kurvenverlauf einer Eingangskonzentration an O₃ von 4,8 mg/L.
Es konnte ebenfalls nachgewiesen werden, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei entsprechender Reaktionszeit eine vollständige Sterilisation bewirkt wird. Dies belegt Fig. 3, in welcher der Verlauf der Lebendkeimzahl für zwei verschiedene Ozonkonzentrationen gegen die Zeit aufgetragen ist. Dabei entspricht der durch schwarze Kreise dargestellte Kurvenverlauf einer Eingangskonzentration an O₃ von 2,88 mg/L und der durch Quadrate wiedergegebene Kurvenverlauf einer Eingangskonzentration an O₃ von 4,9 mg/L.
In der Praxis werden für ein Aufbereitungsbecken mit einem Volumen von etwa 3000 m³ vier Rohrreaktoren mit jeweils einem Durchsatz von 120 m³ Wasser pro Stunde benötigt. Tabelle 1 Daten- und Messwertevergleich zwischen Injektorsystem und Rohrreaktor

Claims

1. Verfahren zur Reinigung und/oder Desinfektion von Wasser oder Abwasser eines Wasserreservoirs, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser oder Abwasser einem Reaktor zugeführt wird, daß dem Reaktor außerdem Ozon oder ein Ozon-Luftgemisch unter erhöhtem Druck zugeführt, daß das Ozon in dem Wasser oder Abwasser zumindest teilweise gelöst wird, und daß der Reaktor innerhalb oder außerhalb des Reservoirs in der Weise angeordnet wird, daß er das Reservoir nicht überragt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktor ein Rohrreaktor (5) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor innerhalb des Reservoirs am Boden oder außerhalb des Reservoirs in Bodenhöhe des Reservoirs angeordnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon oder das Ozon-Luftgemisch nach dem Eintritt in den Reaktor zusätzlich eine Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen (15) durchläuft.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser vor dem Verlassen des Reaktors ein Entspannungsventil (19) passiert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon unter erhöhtem Druck erzeugt wird.

7. Reaktor für die Reinigung oder Desinfektion von Wasser oder Abwasser eines Wasserreservoirs, gekennzeichnet durch einen Einlaß für das zu reinigende und/oder zu desinfizierende Wasser in den Reaktor, einen Einlaß für das die Reinigung und/oder Desinfektion bewirkende Gas oder Gasgemisch in den Reaktor, eine Reaktionskammer (17) zum Lösen des Gases oder Gasgemisches in dem Wasser und einen Auslaß für das gereinigte und/oder desinfizierte Wasser zurück in das Reservoir.

8. Reaktor nach Anspruch 7, der in dem Reservoir am Boden oder außerhalb des Reservoirs in Bodenhöhe angeordnet ist.

9. Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor in dem Reservoir in der Weise angeordnet ist, daß sich sein Auslaß benachbart zu einer der Wandungen des Reservoirs befindet.

10. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Reaktor zusätzlich und vorzugsweise im Anschluß an den Einlaß für das Gas oder Gasgemisch Vorrichtung zur Zerkleinerung der Gasblasen (15) angeordnet ist.

11. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Reaktionskammer ein Entspannungsventil (19) angeordnet ist.

12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und des Reaktors nach einem der Ansprüche 7 bis 11 zur Reinigung und Desinfektion von Abwässern von Fischzuchtbetrieben.