DE19527472C1

DE19527472C1 - Verfahren und Vorrichtung zur UV-Intensitätssteigerung der auf Flüssigkeiten und Abfälle gerichteten Strahlung

Info

Publication number: DE19527472C1
Application number: DE1995127472
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr Thomanetz
Original assignee: Individual
Current assignee: Thomanetz Erwin Dr 70184 Stuttgart De Gesellschaft
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2015-07-29

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung der Intensität von UV-Strahlung auf Flüssigkeiten und Abfälle wie z. B. Abwasser, Grundwasser oder Flüssigabfall und dient insbesondere der beschleunigten Durchführung von photochemischen Reaktionen und/oder der UV-katalysierten Naßoxidation.

Schon um die Jahrhundertwende wurde UV-Strahlung zur Entkeimung von Milch eingesetzt. Später wurden Verfahren zur Behandlung verunreinigter Flüssigkeiten bekannt, bei welchen UV-Strahlung - in Kombination mit Oxidationsmitteln wie z. B. Sauerstoff, Ozon oder Wasserstoffperoxid z. T. unter Zugabe von Katalysatoren und Aktivatoren - in den verschiedensten Bereichen, so z. B. auch bei der Abwasserbehandlung, zum Einsatz kam.

Bei solchen photochemischen Reaktionen wechselwirken Photonen mit anorganischen oder organischen Substanzen, welche hierdurch Umwandlungen erfahren.

Hierauf beruht das Verfahrensprinzip der UV-katalysierten Naßoxidation. Bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxid entstehen kurzlebige, hochreaktive Radikale - insbesondere OH-Radikale. Die Radikalbildung kann durch geeignete Katalysatoren z. B. durch UV-Strahlung erheblich gesteigert werden. Die stark oxidative Wirkung der OH-Radikale wird genutzt, indem die Wasserstoffperoxid-Zersetzung in kontaminierten Flüssigkeiten zur Oxidation und Elimination von unerwünschten Abfall- bzw. Abwasserinhaltstoffen durchgeführt wird. Durch Oxidation von Kohlenwasserstoffen resultieren letztlich die Oxidationsprodukte Kohlendioxid und Wasser.

Organisch gebundener Schwefel und Sulfide werden zu Sulfat umgesetzt, organisch ge bundene Halogene werden zu Halogenidionen umgewandelt.

Diese bekannten Prinzipien werden in neuerer Zeit von verschiedenen Firmen gewerblich genutzt:
Im wesentlichen werden UV-Reaktoren unterschiedlicher Bauart am Markt angeboten, bei denen die Bestrahlungsvorrichtungen in die zu bestrahlende Flüssigkeit eintauchen.

Bei viskosen Medien, Suspensionen, Emulsionen und anderen Flüssigkeiten, die zur Belagbildung führen können, eignen sich diese Verfahren in der Praxis nicht, da ein direkter Kontakt zwischen der Strahlungsquelle und dem zu behandelnden Medium besteht, wodurch Belagbildung auf der Lampenoberfläche resultiert und die Strahlungsintensität in der Folge abnimmt.

In der Patentanmeldung DE 40 05 488 (Fig. 2) wird ein Fallfilmreaktor beschrieben, der mit einem UV-Niederdruckstrahler mit nur 40 W Anschlußleistung betrieben wird, was einer UV-C-Leistung von maximal 16 Watt entspricht. Diese Leistung ist so gering, daß damit erfahrungsgemäß in der Praxis keine nennenswerten Effekte zu erzielen sind.

In derselben Anmeldung wird in Fig. 3 ein Planfilmreaktor mit 20 dieser UV-Niederdruckstrahler ausgestattet. Jeder dieser UV-Strahler befindet sich in einem einseitig geschlossenen Quarz-Schutzrohr (Strahlungsverlust ca. 15%), so daß bei der beschriebenen Anordnung eine Aufheizung der Strahler nicht zu vermeiden ist. Steigt die Oberflächentemperatur der beschriebenen Strahler über ca. 40°C, so nimmt die UV-C-Intensität in der Folge erheblich ab. Bei der gezeigten Anordnung wird zudem ein Großteil der emittierten Strahlung durch Rückreflexion in die UV-Strahler absorbiert. Da bei der UV-katalysierten Naßoxidation zur Destruktion von Abwasserinhaltsstoffen die Strahlungsintensität eine wesentliche Rolle spielt, eignet sich dieser Reaktor in der Praxis nicht - die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit ist erfahrungsgemäß zu gering.

Im Patent DE 43 17 939 wird ein Fallfilmreaktor beschrieben, bei welchem die erforderliche Strahlungsintensität durch eine geeignete Anordnung von UV-Strahlungseinheiten erreicht wird. Diese Anordnung eignet sich zwar für o.g. Verfahren, ist jedoch betreffend der verfahrenstechnischen Realisierung verhältnismäßig aufwendig.

Grundsätzlich ist die Eindringtiefe von UV-Strahlung in trüben Abwässern/Flüssigabfällen oder in Abwässern mit hohen Konzentrationen an organischen und anorganischen Inhaltsstoffen in der Regel klein und die UV-initiierten Reaktionen finden daher nur im oberflächennahen Bereich der Flüssigkeit statt - also i.a. im Millimeter- oder Zentimeterbereich.

Bei einem Fallfilmreaktor ist die Dicke des Abwasserfilms nur begrenzt im Millimeterbereich einstellbar. Bei Eindringtiefen der UV-Strahlung in das Abwasser im Zentimeterbereich kann daher ein großer Teil der UV-Strahlung nicht genutzt werden und der Fallfilmreaktor kann für bestimmte Aufgabenstellungen nicht optimal eingesetzt werden.

Weiterhin ist für eine optimale UV-C-Intensität die gleichmäßige und optimale Oberflächentemperatur der UV-Strahler über ihre gesamte Länge besonders wichtig. Schon geringe Abweichungen hiervon bedingen erhebliche UV-C-Intensitätseinbußen. Bei allen bekannten UV-Verfahren in der Abwassertechnik ist daher der UV-Strahler zu Kühlzwecken von mindestens einem Quarzschutzrohr umgeben, welches einen beträchtlichen Anteil der UV-Strahlung absorbiert - je nach Dicke des verwendeten Quarzglases bis zu 15% - und zusätzlich Kosten verursacht. Bei höheren elektrischen Anschlußleistungen eines UV-Strahlers - insbesondere bei längeren Strahlern - ist eine gleichmäßige und optimale Oberflächentemperatur über deren gesamte Länge bei der Abwasserbehandlung bisher nicht befriedigend realisiert.

In den Patent Abstracts of Japan, C-960, July 8, 1992, Vol. 16, No. 310, zu JP 4-87636 A2 wird eine gekühlte UV-Strahler/Reflektoreinheit ohne Strahler-Quarzschutzrohr beschrieben, wie sie in dieser oder ähnlicher Anordnung heute bei verschiedenen industriellen Anwendungen z. B. bei der Lack- und Druckfarbenhärtung Stand der Technik ist. In der beschriebenen Anordnung wird der Strahler von oben gekühlt, indem durch einen Kanal Luft eingedrückt wird. Durch zwei weitere seitlich oberhalb des Strahlers liegende Kanäle wird diese Luft kontinuierlich abgesaugt, so daß eine gleichmäßige Kühlung des gesamten Strahlers bei dieser Anordnung nicht gewährleistet ist. Zudem resultieren bei der gezeigten Anordnung durch lange Strahlungswege UV-Intensitätseinbußen. Die gesamte Anordnung ist zudem konstruktiv aufwendig zu realisieren.

Die Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, baulich wesentlich einfacher, energetisch wirkungsvoller aber deutlich kostengünstiger und insbesondere auch wartungsfreundlicher als bei allen bisher bekannten UV-Behandlungsreaktoren, von der Strahlungsquelle räumlich getrennte Flüssigkeiten/Abfalle mit UV-Strahlung möglichst hoher UV-C-Intensität pro Flächeneinheit zu bestrahlen, um mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung z. B. die UV-katalysierte Naßoxidation und/oder photochemische Reaktionen zur Elimination problematischer Inhaltsstoffe - fallweise auch Syntheseprozesse - effektiv durchführen zu können.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer Skizze des Reaktor-Querschnitts näher erläutert.

Erfindungsgemäß wird in mindestens einen Bestrahlungsreaktor aus UV-beständigem korrosionsfestem Material, der im wesentlichen aus einem Flüssigkeitsbehälter 8 mit Zu- und Abfluß sowie mindestens einer über dem Flüssigkeitsbehälter angeordneten Bestrahlungs einheit besteht, die Flüssigkeit, die mit Oxidationsmittel und/oder zusätzlichen Additiven versehen werden kann, so eingeleitet, daß kein oberflächiges Verspritzen der Flüssigkeit eintritt. Die Wände des Flüssigkeitsbehälters können mit katalytisch wirkenden Oberflächen ausgestattet sein. Oxidationsmittel, wie z. B. Wasserstoffperoxid, kann auch mit Hilfe von höherfrequentem Ultraschall direkt in der zu behandelnden Flüssigkeit erzeugt werden, daher kann an dem Flüssigkeitsbehälter und/oder an einem Vorlagebehälter für die Flüssigkeit mindestens eine Vorrichtung zur einfachen Installation eines Ultraschallgenerators oder mindestens ein Ultraschallgenerator angebracht sein.

Eine Bestrahlungseinheit besteht aus einem Gehäuse 1 mit jeweils mindestens einem UV-Strahler 4, Reflektor 3 und mindestens einer Kühlvorrichtung für Strahler, Reflektor und Gehäuse. Beim Einsatz einer Bestrahlungseinheit mit einem UV-Strahler 4 liegt der Mittelpunkt des UV-Strahlerquerschnitts im wesentlichen senkrecht über dem Mittelpunkt des Querschnitts des Flüssigkeitsbehälters 8. Der UV-Strahler ist horizontal - parallel und in geringem Abstand zum Flüssigkeitsbehälter bzw. zur darin befindlichen Flüssigkeit - angeordnet und wird ohne Schutz- bzw. Kühlrohr betrieben. Für bestimmte Aufgaben stellungen kann eine - über die gesamte Länge - zwischen Flüssigkeitsfreispiegel und UV-Strahler - eingebaute Quarzschutzscheibe 11 optional angebracht werden.

Die Kühlung des UV-Strahlers erfolgt gleichmäßig über dessen gesamte Länge durch angesaugte oder eingeblasene atmosphärische Luft, welche über - an geeigneter Stelle angebrachte - lichtdichte Kühlschlitze 5 eintritt und über dem UV-Strahler abströmt bzw. abgesaugt wird 2. Hierdurch wird bewirkt, daß sich kein Temperaturgradient längs des Strahlers einstellt und die optimalen Oberflächentemperaturen - z. B. bei UV- Hochdruckstrahlern ca. 750°C bis 800°C - über die gesamte Strahlerlänge eingehalten werden. Die Kühlschlitze 6 können am Gehäuse der Bestrahlungseinheit und/oder an dem Flüssigkeitsbehälter angebracht und mit einer Staubfiltervorrichtung versehen sein.

Die Luft, die durch einstellbare Gebläseleistung im Volumenstrom je nach Strahlertyp variiert werden kann, kühlt zusätzlich den (die) über dem UV-Strahler angeordneten Reflektor(en) und das gesamte Strahler-Reflektorgehäuse, so daß dessen zulässige Oberflächentemperatur von max. 60°C nicht überschritten wird. Die Kühlung des Reflektors kann auch mittels einer Wasserkühlung erfolgen.

Der Reflektor ist so beschaffen und angeordnet, daß eine Rückreflexion der UV-Strahlung in die Strahlungsquelle 4 weitgehend ausgeschlossen und nahezu die gesamte nach oben emittierte UV-C-Strahlung auf die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsbehälter 8 umgelenkt wird. Daß durch den Einfluß aggressiver Medien die Reflektoroberfläche(n) durch Korrosions vorgänge ihre Wirkung nicht verliert (verlieren), kann die Reflektoroberfläche mit Quarz bedampft sein. Je nach UV-Strahlertyp kann ein Kaltlichtreflektor eingesetzt werden, welcher die Wärmestrahlung passieren läßt und vorwiegend UV-C-Strahlung mit maximalem UV-C-Wirkungsgrad reflektiert. Der Reflektor kann aus 2 Teilen bestehen, zwischen welchen die Kühlluft abströmen kann.

Insbesondere bei schwer oxidierbaren Flüssigkeits-Abfallinhaltsstoffen kommt der dauerhaft verfügbaren UV-C-Strahlungsleistung pro Flächeneinheit eine besondere Bedeutung zu, welche erstmals mit dieser Vorrichtung erreicht werden kann. So können z. B. neuentwickelte UV-Hochdruckstrahler mit einer elektrischen Anschlußleistung von 12.000 Watt pro Meter Strahlerlänge und einem UV-C Anteil von 25%, das entspricht 3000 Watt pro Meter Strahlerlänge mit geringem Aufwand eingesetzt werden. Bisher mußten - um diese UV-C-Strahlung zu erhalten - mit erheblichem Material- und Montageaufwand 30 UV-Hoch druckstrahler mit einer elektrischen Anschlußleistung von jeweils 1 Kilowatt oder 100 UV-Niederdruckstrahler mit einer elektrischen Anschlußleistung von jeweils 120 Watt in Reaktoren bzw. zunächst in Schutzrohre installiert werden. Trotz dieses Aufwandes konnten die genannten UV-C-Strahlungsleistungen pro Flächeneinheit nicht erreicht werden.

Die Bestrahlungseinheit ist mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden und kann zur Wartung (Strahlertausch) entweder aufgeklappt 7 oder insgesamt von dem Flüssigkeitsbehälter entfernt werden.

An dem Flüssigkeitsbehälter befindet sich ein Zu- und ein Ablauf für die zu behandelnde Flüssigkeit mit welchen der Flüssigkeitspegel bzw. der Durchfluß in dem Flüssigkeitsbehälter variiert werden kann.

Die Wände des Flüssigkeitsbehälters können strömungsgünstig geformt sein, so daß ggf. Walzenströmungen quer zur Strömungsrichtung der zu behandelnden Flüssigkeit zu realisieren sind. Diese Walzenströmungen werden vorzugsweise durch mindestens einen motorisch angetriebenen rotierenden Zylinder 9 bewirkt, welcher sich über die gesamte Behälterlänge innerhalb der Flüssigkeit befindet. Insbesondere bei tiefer ausgebildeten Flüssigkeitsbehältern mit höherem Wasserstand wird so eine intensive, verspritzungsfreie Durchmischung der zu bestrahlenden Flüssigkeit und ein ständiger Austausch der oberflächennahen UV-bestrahlten Flüssigkeitsschicht bewirkt. Hierdurch wird erreicht, daß auch bei tiefer ausgebildeten Flüssigkeitsbehältern alle Moleküle bzw. alle Inhaltsstoffe der Flüssigkeit von UV-Strahlung getroffen werden. Bedarfsweise kann die verspritzungsfreie Durchmischung der Flüssigkeit auch vom Boden des Flüssigkeitsbehälter mittels Magnetrührer oder anderer bekannter Mischungstechnik erfolgen.

Der gesamte Reaktor ist lichtdicht geschlossen und kann mittels einer mechanischen Vorrichtung 10 so justiert werden, daß die Flüssigkeit den Flüssigkeitsbehälter gleichmäßig erfüllt und zudem ein Fließen der Flüssigkeit mit einstellbarer Geschwindigkeit möglich wird.

Der Reaktor erlaubt folgende Betriebsweisen:

- Chargenbetrieb durch Umpumpen der Flüssigkeit im geschlossenen Kreislauf bis zur Erreichung der Behandlungsziele. Hierzu ist der Reaktor vorzugsweise mit einem Behälter verbunden, der als Vorratsbehälter dient und von dem aus bei Betrieb das zu behandelnde Medium in den Bestrahlungsraum gepumpt wird und von dort aus wieder in den Behälter zurückfließt.
- Kontinuierlicher Betrieb. Die zu behandelnde Flüssigkeit wird dem Reaktor zugeführt und hat das Behandlungsziel nach einmaligem Durchlauf durch den Reaktor erreicht. Hierzu wird der Reaktor aus einem Vorlagebehälter oder direkt aus der Flüssigkeitsquelle gespeist und die behandelte Flüssigkeit wird in einen nachgeschalteten Kontrollbehälter entlassen.

Die Ableitung evtl. entstehender Abgase oder Gerüche erfolgt entweder aus dem Bestrahlungsraum oder aus o.g. Vorratsbehälter.

Durch die vorliegende Erfindung werden kurze Reaktionszeiten erreicht, der Platzbedarf für einen UV-Reaktor - mehrere UV-Reaktoren - ist gering, der Montage- und Wartungsaufwand ist äußerst gering. Dadurch werden beträchtliche Energie-, Raum- Material- und Personalkosten eingespart.

Bezugszeichenliste

1 Kühlgehäuse, aufklappbar
2 Anschlußstutzen für Saugzug-Kühlgebläse
3 UV-Reflektor
4 UV-Strahler
5 Lichtdichter Kühlluft-Einlaß
6 Einlaßschlitz für Kühlluft, ggf. mit Staubfilter
7 Scharnier für Aufklappung des Kühlgehäuses
8 Behälter für die zu bestrahlende Flüssigkeit
9 Spritzfreie Umwälzeinrichtung für die Flüssigkeit
10 Justiervorrichtung für den UV-Reaktor
11 Quarzglasscheibe, optional
Die Länge des Behälters richtet sich nach der Länge der eingesetzten UV-Strahler, zuzüglich Ein- und Auslaufstrecken für die Flüssigkeit
Die Tiefe des Behälters richtet sich u. a. nach der UV-Transparenz der zu behandelnden Flüssigkeit.

Claims

1. Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten in großer Schichtdicke, bei welchem einer oder mehrere über die gesamte Länge gleichmäßig luftgekühlte UV-Hochdruckstrahler ohne Quarzschutzrohre eingesetzt werden, welche eine Freispiegelflüssigkeitsoberfläche bestrahlen, wobei eine spritzfreie Umwälzung der Flüssigkeit durch Rühren erfolgt und Oxidationsmittel zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Oxidationsmittel wie z. B. Wasserstoffperoxid mit Hilfe von Ultraschall direkt in der zu behandelnden Flüssigkeit erzeugt wird.

3. Reaktor zur Behandlung von Flüssigkeiten die mit Additiven versehen sein (werden) können, insbesondere Abwasser, Grundwasser und Abfall, mit folgenden Merkinalen:

- einem Bestrahlungsraum aus UV-beständigem Material, bestehend aus
- einem oben offenen Flüssigkeitsbehälter mit einer spritzfreien Rühreinrichtung für die Flüssigkeit und
- einer über dem Flüssigkeitsbehälter angeordneten Bestrahlungseinheit, die aus
- mindestens einer horizontal angeordneten UV-Hochdruck-Strahlungsquelle ohne Quarz schutzrohr,
- mindestens einem parallel über der Strahlungsquelle angeordneten Reflektor mit guten Reflexionseigenschaften für UV-C-Strahlung
- mindestens einer Kühlvorrichtung für UV-Strahler und Reflektor besteht, so daß UV-Strahler und Reflektor über ihre gesamte Länge gleichmäßig mittels Luft gekühlt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter über einen Zu- und Ablauf verfügt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung eine einstellbare Gebläseleistung aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß lichtdichte Kühlschlitze am Bestrahlungsreaktor vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlschlitze mit einem Staubfilter versehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Flüssigkeitsbehälters mit katalytisch wirkenden Oberflächen ausgestattet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter strömungsgünstig geformt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein motorisch angetriebener Zylinder über die gesamte Flüssigkeitsbehälterlänge eingebaut ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Reflektor im wesentlichen aus zwei Teilen besteht, zwischen welchen Kühlluft durchströmen kann.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Reflektor(en) mit Quarz bedampft ist (sind).

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Reflektor(en) so über der Strahlungsquelle angeordnet ist (sind), daß nahezu die gesamte nach oben emittierte Strahlung auf die Flüssigkeit umgelenkt wird.

14. Vorrichtung nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß durch den (die) Reflektor(en) die Wärmestrahlung passiert und daß die Kühlung des Reflektors mittels Luft und zusätzlich mit Wasser erfolgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Flüssigkeitsfreispiegel und UV-Strahlungsquelle eine Quarzschutzscheibe über die gesamte Länge eingebaut ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinheit mit dem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist und aufgeklappt werden kann.

17. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungseinheit insgesamt von dem Flüssigkeitsbehälter entfernt werden kann.

18. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorlagebehälter vorhanden ist, aus welchem die zu bestrahlende Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter gefordert werden kann.

19. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß am Flüssigkeitsbehälter des Bestrahlungsreaktors und/oder am Vorlagebehälter mindestens ein Ultraschallgenerator angebracht ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor mittels einer mechanischen Vorrichtung justiert werden kann.