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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
(Anlage) zur Aufbereitung von mechanisch, organisch oder biologisch
verunreinigtem Wasser (Rohwasser) durch intensive Behandlung des
Wasser mit Luft als Oxidationsmittel.
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Die Aufbereitung von mechanisch,
organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser ist ein wichtiges
Problem des Umweltschutzes und der Wassergewinnung.
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Viele Wasseraufbereitungen beruhen
auf der Zugabe von Chlor und Chlorgas, Wasserstoffperoxid oder anderen
Oxidationsmitteln. Bekannt sind auch Elektroverfahren nach Zugabe
von Natriumchlorid.
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Alle bisherigen Wasseraufbereitungen
haben den Nachteil der Zugabe von chemisch wirkenden Zusätzen oder
des Verbrauchs beträchtlicher
Mengen von Elektroenergie. Gerade die Zugabe von speziellen Chemikalien
kann nachteilige Wirkungen mit einschließen.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand
deshalb darin, ein Vorrichtung zur Wasseraufbereitung (Anlage) zu
entwickeln, bei der diese Nachteile der Einwirkung von besonderen
Oxidationsmitteln und hohem Energieeinsatz vermieden werden.
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Die Vorrichtung (Anlageschema gemäß 1) zur Aufbereitung von
mechanisch, organisch oder biologisch verunreinigtem Wasser (Rohwasser)
besteht erfindungsgemäß aus
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- – Kombinationen
verschiedener Filteranordnungen (32, 34 und 35),
- – Füllpumpen
(33),
- – Ionisationsmodul
(s.2) mit großflächigen Kathoden
und Anoden und Ein- und Ausgängen
für Luft
zur teilweisen Ionisation von Luft,
- – Reaktoren
(s.3) mit Ein- und Ausläufen für Wasser
und die ionisierte Luft, wobei die Luft unter Druck breitflächig über Glasfritten
(39) eingeführt
wird,
- – einem
Nachfilter (49) und einem Fertigwassertank (50), wobei
die einzelnen Module durch Rohrleitungen verbunden und die Stoffströme über Ventile
und Sensoren gesteuert werden.
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Wichtig für ein effektives Arbeiten der
Anlage ist das lonisationsmodul (2),
bestehend aus
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- a) einem luftdurchströmten
Ionisationselement (1)
mit je einem großflächigen Anodengeflecht
(3) und Kathodengeflecht (4) in einem Gehäuse (2)
mit elektrischen Anschlüssen
(1) und Luftein- und -ausleitungen und
- b) einem Differenziator, bei dem sich in einem Gehäuserahmen
(62) Spannungszuführungen
(61) befinden.
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Durch die Anordnung von mehreren
hintereinander liegenden Ionisationselementen, bestehend aus einem
Edelstahlgitter und einer Edelstahlfolie, wird eine große Oberfläche zur
gezielten Ladung von Luftionen erzeugt. Somit werden durch eine
langsame Strömung
der Luft die vorhandenen Sauerstoffmoleküle bestmöglich geladen. Bedeutend ist
dabei eine mehr als 5fache Reaktionsfläche gegenüber der normalen Oberfläche in den
Außenabmaßen.
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Dadurch beträgt die Ionisationsleistung
des neuen Ionisators mit dem Differenziator (5)
bei einer Maschenweite von etwa 0,8 mm, Maschendurchmesser 0,63
mm, gegenüber
den bisher bekannten Ionisatoren, die lediglich die Außenoberfläche eines
Glasrohres oder die freie Querschnittsfläche zur Ionisation besitzen,
die mehr als 5-fache Leistung gegenüber herkömmlichen Verfahren. Der Differenziator
erzeugt je nach Ertordernissen der Wasserqualität das Gleichgewicht zwischen
positiven und negativen Luftionen.
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Durch die Entladung der in der Luft
vorhandenen Sauerstoffmoleküle
werden positiv und negativ geladene Luftionen erzeugt. Die geladenen
Luftionen haben die Eigenschaft, ihre Ladung schnell mit einem oxidierbaren
Partner (anorganische oder organische Substanzen) im Wasser zu neutralisieren.
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Der Arbeitsbereich der Wasseraufbereitung
ist dabei auf einen lonenbereich des oxidierten Potentials auf ionisierten
Sauerstoff beschränkt:
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Der Übergang von aktiven Luftionen
zu Ozon erfolgt bei Einfluß von
hohen Energiemengen sehr schnell. Da die Abbaueffekte und damit
die Reinigungswirkung durch Ozon wesentlich geringer sind als durch ionisierte
Sauerstoffmoleküle,
kommt es darauf an, genau den schmalen Bereich der ionisierten Sauerstoffmoleküle durch
die Bedingungen der Ionisation zu erreichen. Dies werden durch ein
optimal konzipiertes Regelungssystem für den Ionisator und ein sensibilisierter
Arbeitsbereich der Spannungsversorgung 3 – 6 kV gewährleistet.
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Jede auch noch so geringe Menge an
erzeugtem Ozon bedeutet den Verlust an aktiv erzeugten Sauerstoffionen.
Der primär
zur Verfügung
stehende Sauerstoffanteil in der Luft muß bestmöglich für die Erzeugung von Luftionen
genutzt werden.
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Die Erzeugung von positiven und negativen
Luftionen, je nach Erfordernis der chemisch oder biologisch abzubauenden
Substanz, wird durch eine Gleichspannung von 3 bis 6 Kilo Volt (kV)
erreicht. Die Verweildauer der Luft im Ionisationsmodul beträgt dann
etwa 0,5 bis 6 s, vorzugsweise 1 bis 3 s.
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Eine bevorzugte Spannungsvariante
besteht darin, mit einer 12 V-Niederspannungsversorgung zu arbeiten.
Dabei kann die erforderliche Energiemenge aus Sonnen- und Tageslicht erzeugt
werden. Aus der 12 V-Niederspannung wird über 220 V dann über eine
elektronische Regelung die Betriebsspannung von 3 bis 6 kV erzeugt
( 4).
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Auf diese Art wird ein Ionisationsgrad
der Sauerstoffmoleküle
von etwa 90.bis 96 Vol.% erreicht.
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Die Reaktoren zur Umsetzung der ionisierten
Luft mit dem Rohwasser sind in einem Reaktorblock zusammengefaßt. Sie
sind so gestaltet, daß die
Luft mit den geladenen Ionen durch Kompressoren von unten in das
Rohwasser geleitet werden. Diese dispergieren mit dem Rohwasser
und lassen hierdurch die natürliche Oxidation
stattfinden.
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Die einzelnen Reaktoren (s.3) bestehen
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– aus
einem äußeren Reaktormantel
(12)
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– einem
Reaktor-Innenrohr (15) mit Durchflußbohrungen (16) und
einer Glasfritte (17) am unteren Ende,
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– unterem
Stutzen (18) zur Luftzufuhr und oberen Stutzen (11)
zur Luftableitung,
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– seitlich
angeordnetem Wassereinlaß (20)
und Wasserauslaßstutzen(13)
und
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– Verschraubungen
(14) und Dichtungen (19).
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Als Glasfritte wird zweckmäßig ein
Duran-Glas-Perlator eingesetzt.
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Je nach Anwendungsfall sollte das
Verhältnis
von Porenöffnungen
der Glasfritten zum angewandten Druck so gewählt werden, daß die entstehenden
Luftbläschen
einen Durchmesser von 0,1 bis 2,0 mm, vorzugsweise von 0,1 bis 0,9
mm, haben.
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Bei sehr stark verunreinigtem Rohwasser
werden durch einen Patronenfilter grobe, flockige und schwebende
Verunreinigungen des Wassers herausgefiltert. Nachfolgend entfernt
ein Kies- und Sandbettfilter feine Verunreinigungen des Rohwassers.
Dieser sollte über
eine spezielle Rückspülautomatik
verfügen,
die individuell nach Verschmutzungsgrad des Rohwassers den Kies-Sandbettfilter zeitabhängig zurückspült. Eine abschließende Aktivkohlefilterstufe
entzieht bereits erste chemische Verunreinigungen.
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Die Vorrichtung ergibt sich aus dem
beispielhaft in 1 dargestellten
Anlagenschema. Darin bedeuten:
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- 31
- Rohwasser-Saugkorb
- 32
- Rohwassergrobfilter
- 33
- Reaktoren-Füllpumpen
- 34
- Kiesbettfilter
mit Rückspülautomatik
- 35
- Aktivkohlefilter
- 36
- Verdichterblock
- Fig.
1
- Ionisationsmodul
- Fig.
3
- Reaktorsäulen (Reaktorkolonnen)
- 39
- Fritten,
Duran-Glas-Perlator
- 40
- Zulaufventil
vor Grobfilter
- 41
- Reaktoren-Füllventil
- 42
- Reaktorzuluftventil
- 43
- Zirkulationspumpe
- 44
- Überdruck-Entspannungsventil
- 45
- Reaktorenablaufventil
- 47
- Reaktor-Füllstandssensor
- 48
- Speicherstandssensor
- 49
- Aktivkohleendfilter
- 50
- Fertigwassertank
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Anhand dieses Schemas können die
Vorrichtung und ihre Arbeitsweise wie folgt beispielhaft beschrieben
werden.
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Das Rohwasser, welches mit mechanischen,
bakteriologischen und organischen Stoffen verunreinigt ist, wird über Saugkorb
(31) und Zulaufventil (40) in den Grobfilter (32)
durch die Befüllungspumpen
(33) geleitet. Dabei hat der Grobfilter eine Durchlässigkeit
von 0,1 mm. Hat das Rohwasser die Befüllungspumpen (33)
passiert, wird dieses durch ein Kiesbettfiter mit Rückspülautomatik
(34), Filtergrad 80 Mm, und anschließenden Aktivkohlefilter (35)
in die Reaktorenkolonne (8) über das Reaktorenfüllventil
(41) geführt.
Im Aktivkohlefilter werden erste chemische Verunreinigungen des
Wassers absorbiert.
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Nach erfolgter Befüllung der
Reaktorensäulen
werden die Befüllungspumpen
(33) durch den Füllstandssensor
(47) abgeschaltet. Das Reaktorenfüllventil (41) wird
geschlossen. Der Verdichterblock (36) baut im Ionisationsmodul
mit Ionisationselement und Differenziator einen Druck von ca. 2,5
bar auf. Der Differenziator beeinflußt dabei die zielgerichtete
Ladung von Sauerstoffmolekülen
und ergänzt
die Erzeugung von positiven und negativen Luftionen je nach Qualität des Wassers.
Der PH-Wert wird ebenfalls konstant zum Ausgangswert gehalten.
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Nachdem der genannte Druck anliegt, öffnet das
Reaktorzuluftventil (42) und leitet den Luftstrom mit ionisierten
Sauerstoffmolekülen über die
Fritte (39) (Duran-Glas-Perlator)
in die Reaktorensäulen.
Dabei wird durch den zugeleiteten ionisierten Luftstrom ein Druck
von ca. 2,2 bar erzeugt.
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Durch die Duran-Glasfritte (39)
und durch den stetig ansteigenden Druck in den Reaktorsäulen, wird ein äußerst feines
Verteilungsbild erreicht. Somit dispergieren die vorhandenen Luftionen
gut im Rohwasser und lösen
eine natürliche
Oxidation aus. Durch die Gegenstromkonstruktion der Reaktorsäulen wird
auch im kontinuierlichen Betrieb der Anlage eine sehr lange Verweildauer
mit höchst
möglicher
Reaktionsintensität
erreicht. Um einen konstanten Anlagendruck zu gewährleisten,
wird über
das Entspannungsventil (44) ab einem Druckanstieg über 2,2
bar der Überdruck
entspannt. Die entweichende Reaktionsluft kann problemlos an die Umgebung
abgegeben werden. Zur Unterstützung
der gleichmäßigen Reaktion
in allen Reaktorsäulen
wird eine Zirkulationspumpe (43) zugeschaltet.
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Nach erfolgter Reaktionszeit wird
das Reaktorentleerungsventil (45) geöffnet. Gleichzeitig wird das Entspannungsventil
(44) geschlossen. Die Zirkulationspumpe (43) schaltet
nach Beendigung der eingestellten Reaktionszeit ab. Durch den bereits
anliegenden Druck und die weitere Einleitung des Luftionenstromes,
wird die Reaktorenkolonne schnell entleert. Das behandelte Wasser
wird durch die Aktivkohleendfilter-Patrone (49) geleitet.
Anschließend
wird das Fertigwasser in den Speichertank (50) geführt. Im
Speichertank (50) befindet sich der Grenzwertsensor (48),
der bei Maximalbefüllung
des Speichertanks die gesamte Anlage abschaltet.
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Wird eine beliebige Menge an Wasser
entnommen, schaltet die Anlage bis zur Maximalbefüllung der Anlage
wieder zu.
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1 zeigt
den beispielsweisen Bau des Ionisationselements. Hierin bedeuten:
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- 1.
- elektrische
Anschlüsse
(200 – 240
Volt) Gleichspannung
- 2.
- Gehäuserahmen
- 3.
- Anodengeflecht
- 4.
- Kathodengeflecht
- 5.
- Einrichtung
zur mechanischen Spannung des Anoden- und Kathodengeflechtes
- 6.
- Luftrichtung
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Durch die geringe Distanz von Anodengeflecht
und Kathodengeflecht erfolgt ein schneller Ladungsaustausch. Dadurch
werden die vorbeiströmenden
Sauerstoffmoleküle
schnell geladen. Bestmöglicher
Ladungstrenner ist bekanntlich Luft. Somit wird ein Optimum an Ladungsübergang
zum Sauerstoffmolekül
erreicht. Der Vorteil dieses loinisationselements liegt bei:
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- – optimaler
Ladungsübergang
zum Sauerstoffmolekül
- – äußerst geringer
Wartungsaufwand
- – bestmögliche Energieausnutzung
der Spannungsversorgung
- – äußerst geringer
Koronarenentladungs-Verschleiß
- – großflächiger Ladungsübergang
mit hoher Effizenz
- – sehr
lange Standdauer
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2 zeigt
den beispielsweisen Bau des Ionisationsmoduls mit dem Differenziator.
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Hierin bedeuten:
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- Fig.
1
- Ionisationselement
- 61
- Differenziator
pos. u. neg. Gleichspannungsanschluss
- 62
- Gehäuse
- 63
- Lufteintritt
- 64
- Luftaustritt
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Funktionsweise:
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Die Luft fließt an dem Differenziator vorbei.
Durch gezielte Polung der An– und
Kathode werden die Ladungsrichtung der Sauerstoffmoleküle in positive
oder negative Luftionen gesteuert. Somit wird der Ladungszustand
welcher primär
vom Ionisationsmodul erzeugt wird, sensibilisiert in Richtung vorwiegend
positiv oder negativ, je nach Notwendigkeit des Oxidationspotentials
im Rohwasser. Dies garantiert ein Höchstmaß an Ausnutzung der Erzeugungsenergie
und optimale Anpassung des Oxidationsprozesses.
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3 zeigt
als Beispiel einen Schnitt durch eine Reaktorsäule mit folgenden Bezugszeichen
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- 11
- Abluftstutzen/Fortluftauslaß
- 12
- Reaktormantel
PN 10
- 13
- Fertigwasserauslaß
- 14
- Verschraubung
PN 10
- 15
- Reaktor-Innenrohr
- 16
- Durchlassbohrungen
- 17
- Fritte,
Duran-Glas-Perlator
- 18
- Reaktorzuluftstutzen
- 19
- Dichtungssatz
für Reaktorinnenrohr
- 20
- Zulaufstutzen
für Rohwasser
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden Kohlenwasserstoffe und deren chemisch artverwandte Verbindungen
schnell und wirkungsvoll oxidiert. Durch das hohe Oxidationspotential
der geladenen Luftionen werden auch Bakterienhüllen gespalten und somit nachhaltig
vernichtet. In Wasser gelöste
Huminstoffe gehören
zu den schwer abbaubaren Substanzen in der Trinkwasseraufbereitung.
Auch hier werden gute Ergebnisse erzielt.
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Im Gegensatz zur Wasseraufbereitung
unter Einsatz von Ozon benötigt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
wesentlich geringere Energiemengen. Der Gesamtenergiebedarf liegt
bei ca. 1,2 Watt/l mittelschwer belastetem Rohwasser.
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Durch die entwickelte Wasseraufbereitung
wird eine hohe Oxidationsintensität erreicht. Bisher wurde Ozon
als bestmöglicher
Oxidator angesehen. Jedoch ist die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Wasseraufbereitung
(durch Ionisation) entschieden höher.
Dies ergibt sich aus folgender Tabelle der Abbaueffekte (in %):
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Erfindungsgemäß gelingt auch die Trinkwasseraufbereitung
von Rohwasser, das von Herbiziden verseucht ist. Einer der Hauptvertreter
dieser schwer abbaubaren Triazinherbizide ist das Atrazin. Das Abbauvermögen in der
Natur beträgt
faktisch Null. Nachfolgende Tabelle zeigt die guten Ergebnisse beim
Abbau solcher Triazinherbizide:
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Bei der Aufbereitung von Bad- und
Poolwasser, die durch erhebliche Chlorzugabe zu weiteren Verunreinigungen
wie Chlorphenolen führen,
ist die Wasseraufbereitung ebenfalls erfolgreich. Hier werden sehr
geringe Abbauzeiten ermittelt, wie sich aus nachfolgender Tabelle
ergibt (Konzentration in mg/l):