DE112011104418T5

DE112011104418T5 - Verfahren und Vorrichtung für die Wasserdesinfektion

Info

Publication number: DE112011104418T5
Application number: DE112011104418T
Authority: DE
Inventors: Dominique Fontvieille; Xavier Bayle; Tamara Putois; Zineddine Chaabna; Sylvie Cotton-Guittonneau; Philippe Zydowicz
Original assignee: Arkema France SA
Current assignee: Arkema France SA
Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-09-19
Also published as: WO2012080673A1; FR2969140A1; FR2969140B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Eindämmung des Wachstums von Biofilmen oder sogar zum Abbau von Biofilmen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben, das umfasst: Einbringen von Wasserstoffperoxid in das in dem Kreislauf zirkulierende Wasser; und Bestrahlen des Wassers mit UV-Strahlung. Die Erfindung betrifft auch ein System zur Eindämmung des Wachstums von Biofilmen oder zum Abbau von Biofilmen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben, das für die Durchführung des Verfahrens geeignet ist, sowie eine Anlage, die einen Wasserkreislauf und ein solches System umfasst. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Desinfektion von Wasser und die Verwendung eines Verfahrens zur Desinfektion von Wasser, um das Wachstum von Biofilmen zu reduzieren oder die Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Desinfektion von Wasser und insbesondere zur Eindämmung des Biofilms, der sich in Wasserkreisläufen ausbilden kann.
STAND DER TECHNIK
Wasserkreisläufe wie Kühlwasserkreisläufe werden im Allgemeinen einer Desinfektionsbehandlung unterzogen, um Mikroorganismen zu entfernen.
Eine herkömmliche Desinfektionsbehandlung besteht darin, chlorierte oder bromierte Produkte in das Wasser einzubringen. Solche Behandlungen tragen jedoch zur Umweltverschmutzung bei und sie sind in Bezug auf die in den Biofilmen der Kreisläufe lebenden Mikroorganismen kaum oder nicht aktiv. Als Biofilm wird ein Gebilde bezeichnet, das aus einer Matrix von organischen Polymeren und Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Algen oder Protozoen) gebildet ist, die aneinander und an einer Oberfläche haften.
Als Alternative für chlorierte oder bromierte Produkte können bekanntlich auch andere Verbindungen eingesetzt werden, insbesondere Ozon oder Wasserstoffperoxid. Besonders das Wasserstoffperoxid wird als oxidierende Substanz verwendet, die befähigt ist, die Zellwand anzugreifen. Das Wasserstoffperoxid wird im Allgemeinen zusammen mit einem Aktivator verwendet, wie beispielsweise Silberionen oder Peressigsäure. Die Wirksamkeit des Wasserstoffperoxids ist in Bezug auf die Biofilme nur mäßig und die Verwendung von Aktivatoren führt zu einer zusätzlichen Umweltverschmutzung.
Es ist ferner bekannt, das Wasser mit UV-Strahlung zu behandeln, da diese Behandlung auf die zirkulierenden Mikroorganismen keimtötend wirkt. Dieses Verfahren hat jedoch keinerlei Einfluss auf die Mikroorganismen, die der Strahlung nicht direkt ausgesetzt sind, und somit auch keinerlei Wirkung bei den Biofilmen der Kreisläufe.
Aus US4906387 ist ein Verfahren zum Entfernen von oxidierbaren Schadstoffen bekannt, die in Wasser enthalten sind, das in einem Kühlwasserkreislauf zirkuliert. Dieses Verfahren umfasst, einen Teil des Wassers aus dem Kreislauf zu entnehmen, zur Bildung eines freien Hydroxyl-Radikals einen Reaktionsstarter wie ein Peroxid in das entnommene Wasser zu geben, in dem Wasser eine Kavitation zu erzeugen, um eine große Menge an zusätzlichen freien Hydroxyl-Radikalen zu bilden, um die in dem Wasser vorliegenden, oxidierbaren organischen Schadstoffe zu oxidieren, das Wasser mit UV-Strahlung zu behandeln, um die durch die freien Radikale initiierte Oxidation der oxidierbaren organischen Schadstoffe zu vollenden und die Schadstoffe so aus dem entnommenen Wasser zu entfernen, und das auf diese Weise gereinigte Wasser in den Kühlkreislauf zurückzuführen. Ein solches Verfahren kann nicht direkt an einem bestehenden Wasserkreislauf durchgeführt werden, da durch das Erzeugen einer Kavitation Geräusche, Vibrationen, die zu einer vorzeitigen Ermüdung der Anlage führen können, und in Folge der wiederholten Schläge Löcher in den Leitungen gebildet werden.
Aus US5234606 ist ein Verfahren zur Reinigung von verschmutztem Wasser bekannt, das Bakterien, Organochlorverbindungen und Feststoffe in Suspension enthält. Das Verfahren umfasst die Zugabe eines Oxidationsmittels, das unter Ozon und Wasserstoffperoxid ausgewählt ist, in das Wasser, wobei es in Bezug auf die zur Desinfektion der in dem verschmutzten Wasser enthaltenen Bakterien erforderlichen Menge im Überschuss eingebracht wird, das Entfernen der in dem Wasser enthaltenen suspendierten Feststoffe, die Einstellung des pH-Wertes und der Temperatur des Wasser in vorgegebenen Bereichen, das Bestrahlen des Oxidationsmittels mit UV-Strahlung, um die in dem Wasser vorliegenden Organochlorverbindungen zu zersetzen, wobei der pH-Wert und die Temperatur beibehalten werden, und die Reduktion des in dem Wasser nach der Bestrahlung enthaltenen restlichen Oxidationsmittels, sodass die Organochlorverbindungen in dem Wasser wirksam entfernt werden. Dieses Verfahren ist nicht optimal, da es zahlreiche Behandlungsschritte erfordert und eine große Menge an Wasserstoffperoxid verbraucht wird, da die Zerstörung der Bakterien auf der Verwendung eines einzigen Oxidationsmittels beruht. Diese Druckschrift lehrt insbesondere, Mengenanteile an Wasserstoffperoxid zu verwenden, die im Bereich von 100 mg/l bis 1000 mg/l ausgewählt sind.
Aus US5424032 ist ein Verfahren zur Behandlung von Wasser bekannt, das in einem Wasserkreislauf wie einem Kühlturm zirkuliert. Dieses Verfahren umfasst: die Behandlung eines Teils des Wasser, das 1 bis 5% des in dem Hauptkreislauf zirkulierenden Wassers darstellt, in einer Abzweigung des Hauptkreislaufes mit einem Oxidationsmittelprecursor, der unter einem Bromidsalz, einem Iodidsalz, einem Chloridsalz, einem Chloritsalz, einem Peroxid oder deren Gemischen ausgewählt ist; die Bestrahlung des Teils des Wassers mit UV-Strahlung; die Rückführung des Teils des Wassers in den Hauptkreislauf, wobei die Menge des Precursors so groß ist, dass in dem Hauptkreislauf zumindest Spuren davon feststellbar sind, und wobei das Wasser ferner ergänzende Behandlungsmittel enthält, die unter den Phosphonaten und aromatischen Azolen ausgewählt sind. Diese Druckschrift lehrt die Verwendung von halogenierten Produkten, die für die Umwelt schädlich sind. Die Beispiele zeigen, dass sich durch Einwirkung von UV-Strahlung auf Halogenidsalze halogenierte Biozide bilden: die Dosis der UV-Strahlung, die eingesetzt werden muss, um eine wirksame Konzentration des Oxidationsmittels zu erhalten, ist ferner sehr hoch, was zu einem hohen Energieverbrauch führt. Zudem erhöht die Gegenwart von hohen Halogenidkonzentrationen in dem Kreislauf die Gefahr der Korrosion der Leitungen.
Aus US2004/0026336 ist ein Verfahren zur Behandlung von Wasser bekannt, das umfasst: die Zugabe eines Oxidationsmittels in das Wasser in einer bewusst kleinen Menge (vorzugsweise 10 bis 50 ppm und ausreichend, um die Mikroorgansimen zu inaktivieren, jedoch nicht, um sie abzutöten), um freie Radikale zu erzeugen, wobei die Wartezeit zwischen der Zugabe des Oxidationsmittels und einem der beiden späteren Schritte bis zu etwa 90 Sekunden betragen kann; die Filtration des Wasser mit einem Filtersystem, das eine Filtergröße aufweist, die größer als die mittlere Größe des in dem Wasser in Suspension gehaltenen organischen Materials ist; Bestrahlen des Wassers mit UV-Strahlung. Dieses Dokument lehrt, dass durch die freien Radikale das in dem zirkulierenden Wasser enthaltene organische Material agglomeriert werden kann, wodurch es durch Filtrieren leichter entfernt werden kann. Dieses Verfahren ist jedoch wirkungslos, wenn es darum geht, einen Biofilm zu entfernen, der sich nicht in dem zirkulierenden Wasser, sondern an den Wänden der Leitungen eines Wasserkreislaufs bildet.
Aus US2005/0218082 ist ein System zur Vorhersage des Gehalts an Verunreinigungen bekannt, die in einem Fluid vorliegen, das einer Bestrahlung mit UV-Strahlung unterzogen wurde. Diese Druckschrift bezieht sich auf unterschiedliche Fluide, beispielsweise Luft oder Wasser, sowie unterschiedliche Verunreinigungen, die in dem Fluid enthalten sind, beispielsweise Mikroorganismen, chemische Verbindungen oder deren Kombinationen. Das System ist komplex und kostenintensiv.
Diese Druckschriften erwähnen an keiner Stelle das Problem des Biofilms, der sich in Wasserkreisläufen bilden kann, sodass auch keines der genannten Verfahren und Systeme für seine Kontrolle oder Wachstumsverringerung konzipiert ist.
Das Vorhandensein eines großen Vorrats an unerwünschten Mikroorgansimen in den Biofilmen (wie beispielsweise Legionellen) kann von sanitären Unfällen herrühren, Teile des Biofilms können sich ablösen und in dem zirkulierenden Wasser plötzlich eine große Menge Mikroorganismen freisetzen.
Die einzigen derzeit zur Biofilm-Bekämpfung zur Verfügung stehenden Behandlungen bestehen darin, in das Wasser dispergierende Produkte einzuspeisen, sodass der Biofilm desaggregiert, und dann die auf diese Weise freigesetzten Mikroorganismen in dem Wasser zu zerstören.
Es besteht daher tatsächlich Bedarf für ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Desinfektion von Wasser, die es insbesondere ermöglichen, das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, und die gleichzeitig für die Umwelt toxische Freisetzungen einschränken.
Es gibt insbesondere Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen keine halogenierten, insbesondere keine chlorierten oder bromierten chemischen Verbindungen eingesetzt werden, die für die Umwelt schädlich sind.
Es gibt insbesondere Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen eine kleinere und dennoch zur Eindämmung des Wachstums von Biofilmen und sogar zum Abbau von Biofilmen ausreichende Menge an Wasserstoffperoxid verwendet wird.
Es gibt insbesondere Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen weniger Energie verbraucht wird und die insbesondere eine geringere Dosis der UV-Strahlung (ausgedrückt als mJ/cm²) erfordern.
Es gibt ferner Bedarf für ein einfacheres Verfahren und eine einfachere Vorrichtung, die keine spezielle Filtereinrichtung oder kein System, das eine Kavitation des zu desinfizierenden Wassers hervorruft, oder keine Einrichtung benötigen, um das Wasserstoffperoxid nach seiner Verwendung zu reduzieren.
Es gibt außerdem Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen die Wärmeübertragungsleistung von Wasserkreisläufen, insbesondere Kühlwasserkreisläufen oder Wärmetauschern, verbessert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf ein Verfahren zur Desinfektion von Wasser, das umfasst:

– Einbringen von Wasserstoffperoxid in das Wasser; und
– Bestrahlen des Wassers mit UV-Strahlung.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Desinfektion von Wasser, das umfasst:

– Einbringen von Wasserstoffperoxid in das Wasser in einer Konzentration von 1 bis 100 mg/l, wobei der Grenzwert 100 mg/l ausgenommen ist; und
– Bestrahlen des Wasserstoffperoxid enthaltenden Wassers mit UV-Strahlung.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Unterdrückung des Wachstums von Biofilmen oder sogar des Abbaus von Biofilmen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben, das umfasst:

– Einbringen von Wasserstoffperoxid in das in dem Kreislauf zirkulierende Wasser; und
– Bestrahlen des Wassers mit UV-Strahlung.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Verfahrens zur Desinfektion von Wasser, das in einem Wasserkreislauf zirkuliert, das das Einbringen von Wasserstoffperoxid in das Wasser und das Bestrahlen des Wassers mit UV-Strahlung umfasst, um das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.
Nach einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Wasser um Wasser, das in einem geschlossenen oder halboffenen Kreislauf und vorzugsweise in einem Kühlkreislauf zirkuliert.
Nach einer Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung direkt in dem Wasserkreislauf oder in einer Abzweigung des Kreislaufes, wobei es eine Umwälzpumpe ermöglicht, dass das gesamte Wasser des Kreislaufes 1 bis 10 Mal pro Stunde mit UV-Strahlung bestrahlt wird.
Nach einer Ausführungsform beträgt die Konzentration des Wasserstoffperoxids in dem Wasser 1 bis 100 mg/l, insbesondere ist sie größer oder gleich 1 mg/l und immer kleiner als 100 mg/l, vorzugsweise beträgt sie 20 bis 60 mg/l, vorteilhaft 20 bis 50 mg/l, 20 bis 40 mg/l und sogar 20 bis 30 mg/l.
Nach einer Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung mit einer Dosis von 5 bis 200 mJ/cm² und vorzugsweise 40 bis 160 mJ/cm².
Nach einer Ausführungsform umfasst die UV-Strahlung Strahlung einer Wellenlänge von 254 nm oder darunter und vorzugsweise Strahlung einer Wellenlänge von 200 nm oder darunter.
Nach einer Ausführungsform erfolgt die Bestrahlung kontinuierlich, wobei Wasserstoffperoxid wiederholt oder kontinuierlich eingespeist wird.
Nach einer Ausführungsform wird das Wasser nach der Einspeisung des Wasserstoffperoxids in das Wasser und/oder vor seiner Bestrahlung nicht filtriert.
Nach einer Ausführungsform erfährt das Wasser nach der Einspeisung des Wasserstoffperoxids in das Wasser und/oder vor seiner Bestrahlung keine Kavitation.
Nach einer Ausführungsform wird das Wasser nach der Einspeisung des Wasserstoffperoxids in das Wasser und/oder vor seiner Bestrahlung außer mit Wasserstoffperoxid mit keiner anderen chemischen Verbindung behandelt, insbesondere mit keiner halogenierten Verbindung und besonders keiner chlorierten oder bromierten Verbindung.
Nach einer Ausführungsform wird das restliche Wasserstoffperoxid, das nach seiner Bestrahlung in dem Wasser verbleibt, nicht reduziert. Dadurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass eine ausreichende Menge an Precursoren für Hydroxyl-Radikale in dem Kreislauf vorhanden ist. Ferner ist es hierdurch möglich, die Menge des in den Kreislauf eingebrachten Wasserstoffperoxids zu messen (punktuell manuell oder mit Regelung kontinuierlich) und diese dadurch besser zu kontrollieren. Im Übrigen kann dadurch ein oxidativer ”Stress” an den Bakterien und dem Biofilm aufrechterhalten werden, wodurch ihre Entwicklung inhibiert wird.
Nach einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Wasser, in das Wasserstoffperoxid eingespeist und das bestrahlt wird, um weiches Wasser und kein Meerwasser. Die Gegenwart von großen Mengen an Chloriden und auch Carbonaten und/oder Bicarbonaten in Meerwasser führt nämlich dazu, dass die Bildung von Hydroxyl-Radikalen inhibiert wird.
Die Erfindung betrifft ferner auch ein System zur Desinfektion von Wasser, das in den Leitungen eines Wasserkreislaufes zirkuliert, das aufweist:

– Einrichtungen zur Einspeisung von Wasserstoffperoxid in das in den Leitungen des Wasserkreislaufs zirkulierende Wasser; und
– Einrichtungen zur Bestrahlung des in den Leitungen des Wasserkreislaufs zirkulierenden Wassers mit UV-Strahlung.

Die Erfindung betrifft ferner ein System, um das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben, das aufweist:

Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung eines Systems zur Desinfektion von Wasser, das Einrichtungen zur Einspeisung von Wasserstoffperoxid in das Wasser und Einrichtungen zur Bestrahlung des Wassers mit UV-Strahlung aufweist, um das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.
Nach einer Ausführungsform umfassen die Einrichtungen zur Bestrahlung des Wassers Einrichtungen zur Emission von ultravioletter Strahlung, die in eine oder mehrere Quarzhüllen eingebracht wurden, wobei die Einrichtungen zur Emission von ultravioletter Strahlung und die Quarzhüllen so ausgebildet sind, dass sie direkt in Wasser eingetaucht werden können, oder in eine Umhüllung eingefügt werden.
Nach einer Ausführungsform umfassen die Einrichtungen zur Bestrahlung eine oder mehrere Quecksilberdampflampen oder Xenondampflampen oder eine oder mehrere elektrolumineszierende Dioden, die im Ultraviolettbereich emittieren.
Nach einer Ausführungsform sind die Einrichtungen zur Bestrahlung ausgebildet, Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von 254 nm oder darunter und vorzugsweise Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von 250 nm oder darunter abzugeben.
Nach einer Ausführungsform umfasst das oben beschriebene System ferner Einrichtungen zur Messung der Wasserstoffperoxidkonzentration in dem Wasser.
Nach einer Ausführungsform weist das System auf:

– Einrichtungen zur Einspeisung von Wasserstoffperoxid in das in den Leitungen des Wasserkreislaufs zirkulierende Wasser, die ausgebildet sind, eine Konzentration des Wasserstoffperoxids in dem Wasser von größer oder gleich 1 mg/l und immer kleiner als 100 mg/l einzustellen; und
– Einrichtungen zur Bestrahlung des in den Leitungen des Wasserkreislaufs zirkulierenden Wassers mit UV-Strahlung, die ausgebildet sind, das Wasser mit einer Dosis von 5 bis 200 mJ/cm² zu bestrahlen.

Die Erfindung betriff ferner eine Anlage, die einen Wasserkreislauf und ein System zur Desinfektion von Wasser umfasst, wie es oben beschrieben wurde, wobei das System zur Desinfektion von Wasser ausgebildet ist, das in dem Wasserkreislauf enthaltene Wasser zu desinfizieren.
Die Erfindung betriff ferner eine Anlage, die einen Wasserkreislauf und ein System zur Unterdrückung des Wachstums von Biofilmen oder sogar zum Abbau von Biofilmen umfasst, wie das oben beschriebene, wobei das System ausgebildet ist, das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.
Die Erfindung betriff ferner die Verwendung einer Anlage, die einen Wasserkreislauf und ein System zur Desinfektion von Wasser umfasst, wie es oben beschrieben wurde, bei der das System zur Desinfektion von Wasser ausgebildet ist, das in dem Wasserkreislauf enthaltene Wasser zu desinfizieren, um das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.
Nach einer Ausführungsform ist der Wasserkreislauf ein Kühlwasserkreislauf.
Nach einer Ausführungsform ist das System zur Desinfektion von Wasser ausgebildet, den gesamten Durchsatz des Wasserkreislaufes direkt zu behandeln, oder es ist in einer Abzweigung des Wasserkreislaufes angeordnet, die mit einer Umwälzpumpe ausgestattet ist.
Durch die vorliegende Erfindung kann den Nachteilen des Standes der Technik abgeholfen werden. Sie gibt insbesondere ein verbessertes Verfahren zur Desinfektion von Wasser an, bei dem insbesondere das Wachstum von Biofilmen unterdrückt oder Biofilme sogar abgebaut werden können.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Verwendung von Wasserstoffperoxid und eine Bestrahlung mit UV-Strahlung gekoppelt werden. Bei diesen beiden Arten der Desinfektion ist ein synergistischer Effekt zu beobachten. Ohne sich auf eine Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass durch die Anwendung von UV-Strahlung in Gegenwart von Wasserstoffperoxid freie OH°-Radikale gebildet werden, die extrem reaktiv sind und die organischen Nährstoffe der Mikroorganismen zerstören und so die Bildung des Biofilms eingrenzen.
Gemäß bestimmten bevorzugten Ausführungsformen weist die Erfindung ferner eines oder vorzugsweise mehrere der nachfolgend aufgezählten vorteilhaften Merkmale auf.
– Die Anwendung der Erfindung führt zu keinen schädlichen Umwelteinflüssen, da die einzige erforderliche chemische Verbindung, d. h. das Wasserstoffperoxid, im Wesentlichen kein Schadstoff ist. Insbesondere wird keine halogenierte Verbindung gebildet.

– Die erforderliche Dosis des Wasserstoffperoxids liegt unter der im Stand der Technik eingesetzten Dosis.
– Die erfindungsgemäße Desinfektion kann auf bestehende Anlagen sogar dann angewandt werden, wenn sie schon kontaminiert sind. Es ist zur Desinfektion kontaminierter Anlagen insbesondere nicht unbedingt erforderlich, den Kreislauf zu leeren und eine chemische oder mechanische Reinigung durchzuführen, die direkte Anwendung der Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung zusammen mit Wasserstoffperoxid kann ausreichend sein.
– Das erfindungsgemäße System ist vorteilhaft autonom und kann demnach mit einem bestehenden Wasserkreislauf verbunden werden, um das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung detaillierter und nicht einschränkend beschrieben.
Die Erfindung betrifft die Desinfektion von Wasser. Unter «Wasser» sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung alle Zusammensetzungen zu verstehen, die mindestens 50 Gew.-% Wasser, vorzugsweise mindestens 80 Gew.-% Wasser oder mindestens 90 Gew.-% Wasser oder mindestens 95 Gew.-% Wasser oder mindestens 98 Gew.-% Wasser oder mindestens 99 Gew.-% Wasser enthalten. Es kann sich insbesondere um eine wässrige Lösung handeln, die gelöste Spezies oder gegebenenfalls feste Spezies in Suspension oder gegebenenfalls mit Wasser mischbare Substanzen in flüssiger Form enthält. Wasser im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist eine Zusammensetzung, in der sich Mikroorganismen entwickeln können.
Die Desinfektion von Wasser im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist eine kurative oder präventive Behandlung, die dazu vorgesehen ist, die Entwicklung von Mikroorganismen einzuschränken oder zu verhindern oder ihre Zahl und Aktivität zu reduzieren.
Die Erfindung sieht vor, Wasserstoffperoxid (der Formel H₂O₂) in das Wasser einzuspeisen und das Wasser mit UV-Strahlung zu bestrahlen. Das zu behandelnde Wasser ist im Allgemeinen in einem Behälter enthalten. Die Erfindung ist dann besonders geeignet, wenn es sich bei dem Behälter um einen Kreislauf handelt, in dem das Wasser in einer offenen Schleife, einer halboffenen Schleife oder vorzugsweise in einer geschlossenen Schleife zirkuliert. Es kann sich insbesondere um Wasser handeln, das in einem Wärmekreislauf enthalten ist, insbesondere einem Kühlkreislauf in einer häuslichen oder industriellen Anlage. Die Erfindung lässt sich insbesondere auf Wasserkreisläufe anwenden, die in Anlagen zur Wärmeübertragung (Klimatisierung, Kühlung, Heizung...) vorliegen.
Das Wasserstoffperoxid wird in das Wasser grundsätzlich in flüssiger Form, im Allgemeinen als Gemisch mit Wasser (konzentrierte Lösung oder Mutterlösung, die im Allgemeinen 0,5 bis 70% Wasserstoffperoxid enthält) eingebracht.
Die Einrichtungen zur Einspeisung des Wasserstoffperoxids in das Wasser umfassen im Allgemeinen Einrichtungen zur Dosierung, Einrichtungen zum Inkontaktbringen von Wasserstoffperoxid mit dem Wasser (beispielsweise eine Dosierpumpe) und entweder ein Reservoir für Wasserstoffperoxid oder Einrichtungen zum Verbinden mit einem (entfernbaren) Reservoir für Wasserstoffperoxid.
Unter ”ultravioletter Strahlung oder UV-Strahlung” ist eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 10 bis 400 nm zu verstehen. Da Wasserstoffperoxid die Strahlung eher bei niedrigen Wellenlängen absorbiert, sollte die ultraviolette Strahlung zweckmäßigerweise Strahlung mit möglichst kleiner Wellenlänge umfassen.
Die emittierte ultraviolette Strahlung kann einen oder mehrere diskrete Strahlen oder ein kontinuierliches Spektrum aufweisen. Sie kann gegebenenfalls auch von einer elektromagnetischen Emission in anderen Bereichen (beispielsweise im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich) begleitet sein.
Die Einrichtungen zur Bestrahlung mit UV-Strahlung umfassen Einrichtungen zur Emission von UV-Strahlung, die aus einer der mehreren Quecksilberdampflampen oder gegebenenfalls aus einer der mehreren Xenondampflampen oder aus einer oder mehreren lichtemittierenden Dioden (oder Light Emitting Diode, LED) bestehen können, die im UV-Bereich emittieren. Man kann beispielsweise eine oder mehrere Niederdruck-Quecksilberdampflampen verwenden, die Strahlung bei etwa 254 nm (Vakuumwellenlänge) emittieren. Alternativ können eine oder mehrere Mitteldruck-Quecksilberdampflampen verwendet werden, die ein kontinuierliches Spektrum abgeben, wobei der Vakuumwellenlängenbereich unter 200 nm eingeschlossen ist.
Die Einrichtungen zur Emission von UV-Strahlung sind vorteilhaft in dem Wasserkreislauf oder in der Nähe des Wassers angeordnet, und sie sind von diesem durch eine Wand getrennt, die für ultraviolette Strahlung zumindest zum Teil transparent ist. Im Falle eines Wasserkreislaufs (zur Kühlung oder andere), der eine oder mehrere Leitung aufweist, werden die Einrichtungen zur Emission von UV-Strahlung in Quarzhüllen eingebracht und diese Untereinheiten aus Lampen und Hüllen können:

– entweder direkt in den Wasserkreislauf eingetaucht werden;
– oder in eine Umhüllung (im Allgemeinen auch Reaktor genannt) eingebracht werden, deren Geometrie in Abhängigkeit von der Leistung der Lampe, dem Durchsatz und der Wasserqualität optimiert ist. Die Einrichtungen zur Emission von UV-Strahlung können parallel oder senkrecht zum Fluss des Wassers angeordnet werden. Der Reaktor ist mit dem Wasserkreislauf entweder so verbunden, dass der gesamte Strom behandelt wird, oder in Form einer Abzweigung. In dem zuletzt genannten Fall kann mit Hilfe einer Umwälzpumpe das Gesamtvolumen des Wassers 1 bis 10 Mal pro Stunde (und vorzugsweise 3 bis 7 Mal pro Stunde) mit UV-Strahlung bestrahlt werden.

Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise mit einer Dosis von 5 bis 200 mJ/cm² und vorzugsweise 40 bis 160 mJ/cm². Die Dosis ist in Bezug auf die auf die bestrahlte Wasseroberfläche emittierte elektromagnetische Energie angegeben.
Die Einspeisung des Wasserstoffperoxids ist so angepasst, dass die Konzentration des Wasserstoffperoxids in dem Wasser 1 bis 100 mg/l und vorzugsweise 20 bis 60 mg/l beträgt. Die Zufuhr des Wasserstoffperoxids kann ein- oder mehrmals (in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabschnitten) und auch kontinuierlich durchgeführt werden.
Da sich das Wasserstoffperoxid in Wasser insbesondere durch Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung im Laufe der Zeit zersetzt, wird im Allgemeinen eine wiederholte oder kontinuierliche Einspeisung bevorzugt. Es ist möglich, Einrichtungen zur Messung der Wasserstoffperoxid-Konzentration in dem Wasser vorzusehen, sowie eine Rückkopplungsschleife, durch die die Einspeisung des Wasserstoffperoxids so eingestellt wird, dass eine Wasserstoffperoxid-Konzentration in dem Wasser in einem vorgegebenen Bereich bleibt.
Auch die ultraviolette Strahlung kann einmal oder wiederholt oder auch kontinuierlich angewandt werden, wobei die zuletzt genannte Option für eine größere Effizienz bevorzugt ist.
Bei einem Wasserkreislauf ist es für eine optimale Effizienz zweckmäßig, die Einrichtungen zur Bestrahlung in der Nähe der Einrichtungen zur Einspeisung des Wasserstoffperoxids und in der Richtung der Wasserzirkulation stromabwärts von diesen anzuordnen.
Es ist natürlich möglich, mehrere Einheiten der Einrichtungen zur Bestrahlung und/oder der Einrichtungen zur Einspeisung des Wasserstoffperoxids beispielsweise an mehreren Stellen des Wasserkreislaufs vorzusehen.
BEISPIEL
Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie einzuschränken.
An einer Laborpilotanlage, die einen Teil eines Kühlwasserkreislaufes darstellt, werden Versuche durchgeführt. Die Pilotanlage ist aufgebaut aus:

– einem Lagerbehälter (Fassungsvermögen 100 Liter), der das zu behandelnde Wasser enthält;
– einem photochemischen Reaktor der Firma Bio-UV mit einem Volumen von 2,3 Litern, der mit einer eintauchenden Niederdruck-Quecksilberlampe einer Länge von 40 cm und einer Lichtleistung von 8,5 W ausgestattet ist;
– biologischen Reaktoren, die aus drei gleichen Abteilungen (Triplikate) zusammengesetzt sind, in denen das zu behandelnde Wasser zirkuliert und in denen vertikal Glasplatten angebracht sind, die die Biofilme tragen;
– einem System zur Einspeisung des Wasserstoffperoxids, das aus einer bei einem Durchsatz von 0,3 bis 0,8 ml/min arbeitenden Dosierpumpe besteht, die eine Wasserstoffperoxid-Lösung von 0,7 Gew.-% zuführt;
– einer Umwälzpumpe (mit einem Durchsatz von 500 l/h), die das Wasser aus dem Lagerbehälter entnimmt und dem photochemischen Reaktor zuführt;
– einer Umwälzpumpe (mit einem Durchsatz von 60 l/h), die das Wasser aus dem Lagerbehälter entnimmt und den biologischen Reaktoren zuführt;
– einem System zur Temperaturregelung (T = 27°C).

Der Kreislauf wird mit Legionellen aus 15 Tage gealterten Biofilmen angeimpft, die sich in einer kontaminierten Quelle auf einem künstlichen Substrat (Glasplatten) entwickeln konnten. Die Glasplatten werden vor der Behandlung für einen Zeitraum zur Anpassung der Biofilme von 10 Tagen in die Pilotanlage eingebracht.
Die Merkmale des Wasserkreislaufes nach dem Animpfen sind die Folgenden:

– pH: 8;
– Leitfähigkeit: 285 μS/cm;
– gelöster Sauerstoff: 10,5 mg/l;
– Temperatur: 27°C;
– gelöster organischer Kohlenstoff (COD): 3 mg/l;
– organischer Kohlenstoff insgesamt (COT): 5,5 mg/l;
– Gesamtalkalititer (TAC): 14°F;
– in Wasser kultivierbare Bakterien: 1 × 10⁵ bis 5 × 10⁵ UFC/ml, wobei die Messung nach der Norm NF EN ISO 6222 durchgeführt wird;
– ATP in Wasser: 1,2 bis 18,3 pmol/l, wobei die Messung nach der Norm ASTMD 4012-81 erfolgt;
– ATP des Biofilms: 1 bis 30 pmol/cm², wobei die Messung unter Anpassung der Norm ASTMD 4012-81 durchgeführt wird;
– kultivierbare Bakterien des Biofilms: 2·10⁴ bis 3·10⁶ UFC/cm², wobei die Messung unter Anpassung der Norm NF EN ISO 6222 durchgeführt wird;
– kultivierbare Legionellen des Biofilms: 20 bis 600 UFC/cm², wobei die Messung unter Anpassung der Norm NF T 90-431/A1 durchgeführt wird.

Die für die Bakterien und insbesondere für die Legionellen nach 50 Stunden kontinuierlicher Behandlung unter Bestrahlung mit UV-Strahlung (Niederdruck-Quecksilberdampflampe) bei 160 mJ/cm² und einem Mengenanteil des Wasserstoffperoxids in dem Wasser von 30 mg/l erhaltene Abnahme wird gemessen. Die Abnahme wird in Bezug auf einen Kreislauf ohne Behandlung berechnet. Die Abnahme wird mit der Abnahme verglichen, die nach UV-Bestrahlung alleine oder Zufuhr von Wasserstoffperoxid alleine (Vergleichsbeispiele) erhalten werden. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Abnahme ATP (Biofilm) Abnahme kultivierbare Bakterien (Biofilm) Abnahme kultivierbare Legionellen (Biofilm)

nur UV 0% 0% 0%

nur H₂O₂ 90% 90% 90%

UV + H₂O₂ > 90% > 99,99% > 99,8%
Die mikrobiologische Qualität des Wassers und das Entfernen des Biofilms werden über 250 Stunden kontinuierlicher Behandlung aufrechterhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4906387 [0006]
US 5234606 [0007]
US 5424032 [0008]
US 2004/0026336 [0009]
US 2005/0218082 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm NF EN ISO 6222 [0071]
Norm ASTMD 4012-81 [0071]
Norm ASTMD 4012-81 [0071]
Norm NF EN ISO 6222 [0071]
Norm NF T 90-431/A1 [0071]

Claims

Verfahren zur Unterdrückung des Wachstums von Biofilmen oder sogar des Abbaus von Biofilmen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben, das umfasst: – Einbringen von Wasserstoffperoxid in das in dem Kreislauf zirkulierende Wasser; und – Bestrahlen des Wassers mit UV-Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 1, worin es sich bei dem Wasser um Wasser handelt, das in einem geschlossenen oder halboffenen Kreislauf und vorzugsweise in einem Kühlkreislauf zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Bestrahlung direkt in dem Wasserkreislauf oder in einer Abzweigung des Kreislaufes erfolgt, wobei es eine Umwälzpumpe ermöglicht, dass das gesamte Wasser des Kreislaufes 1 bis 10 Mal pro Stunde mit UV-Strahlung bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Konzentration des Wasserstoffperoxids in dem Wasser 1 bis 100 mg/l und vorzugsweise 20 bis 60 mg/l beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Bestrahlung mit einer Dosis von 5 bis 200 mJ/cm² und vorzugsweise 40 bis 160 mJ/cm² erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die UV-Strahlung Strahlung einer Wellenlänge von 254 nm oder darunter und vorzugsweise Strahlung einer Wellenlänge von 200 nm oder darunter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Bestrahlung kontinuierlich erfolgt und worin Wasserstoffperoxid wiederholt oder kontinuierlich zugeführt wird.
System zur Unterdrückung des Wachstums von Biofilmen oder sogar zum Abbau von Biofilmen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben, das aufweist: – Einrichtungen zur Einspeisung von Wasserstoffperoxid in das in den Leitungen des Wasserkreislaufs zirkulierende Wasser, die ausgebildet sind, eine Konzentration des Wasserstoffperoxids in dem Wasser von größer oder gleich 1 mg/l und immer kleiner als 100 mg/l einzustellen; und – Einrichtungen zur Bestrahlung des in den Leitungen des Wasserkreislaufs zirkulierenden Wassers mit UV-Strahlung, die ausgebildet sind, das Wasser mit einer Dosis von 5 bis 200 mJ/cm² zu bestrahlen.
System nach Anspruch 8, bei dem die Einrichtungen zur Bestrahlung des Wassers Einrichtungen zur Emission von ultravioletter Strahlung umfassen, die in eine oder mehrere Quarzhüllen eingebracht wurden, wobei die Einrichtungen zur Emission von ultravioletter Strahlung und die Quarzhüllen so ausgebildet sind, dass sie direkt in Wasser eingetaucht werden können, oder in eine Umhüllung eingefügt werden.
System nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem die Einrichtungen zur Bestrahlung eine oder mehrere Quecksilberdampflampen oder Xenondampflampen oder eine oder mehrere elektrolumineszierende Dioden umfassen, die im Ultraviolettbereich emittieren.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Einrichtungen zur Bestrahlung ausgebildet sind, Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von 254 nm oder darunter und vorzugsweise Strahlung mit einer Vakuumwellenlänge von 200 nm oder darunter abzugeben.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, das ferner Einrichtungen zur Messung der Wasserstoffperoxidkonzentration in dem Wasser aufweist.
Anlage, die einen Wasserkreislauf und ein System nach einem der Ansprüche 8 bis 12 umfasst, wobei das System ausgebildet ist, das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.
Anlage nach Anspruch 13, bei der der Wasserkreislauf ein Kühlwasserkreislauf ist.
Anlage nach Anspruch 13 oder 14, bei der das System zur Desinfektion von Wasser ausgebildet ist, den gesamten Durchsatz des Wasserkreislaufes direkt zu behandeln, oder in einer Abzweigung des Wasserkreislaufes angeordnet ist, die mit einer Umwälzpumpe ausgestattet ist.
Verwendung eines Verfahrens zur Desinfektion von Wasser, das in einem Wasserkreislauf zirkuliert, das das Einspeisen von Wasserstoffperoxid in das Wasser und das Bestrahlen des Wassers mit UV-Strahlung umfasst, um das Wachstum von Biofilmen zu unterdrücken oder Biofilme sogar abzubauen, die sich an der Innenwand von Leitungen eines Wasserkreislaufes gebildet haben.
Verfahren zur Desinfektion von Wasser, das umfasst: – Einspeisung von Wasserstoffperoxid in das Wasser in einer Konzentration von 1 bis 100 mg/l, wobei der Grenzwert 100 mg/l ausgenommen ist; und – Bestrahlung des Wasserstoffperoxid enthaltenden Wassers mit UV-Strahlung.