DE102006052922B4

DE102006052922B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Verbesserung der Durchmischung bei der UV-Desinfektion von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102006052922B4
Application number: DE102006052922A
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dietrich Meese; Geoff Jones-Prichard
Original assignee: ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: Xylem IP Holdings LLC
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: CA2668964A1; WO2008055552A1; US20100089839A1; KR20090089374A; NZ577468A; CA2668964C; HK1134479A1; DE102006052922A1; AU2007317014B2; US8696898B2; CN101553433B; CN101553433A; AU2007317014A1; EP2086889A1; JP2010509042A

Abstract

Vorrichtung zur UV-Desinfektion von Flüssigkeiten in einem offenen oder geschlossenen Gerinne (1), mit einem Zufluss für die zu desinfizierende Flüssigkeit, wenigstens einem in einer Hauptströmungsrichtung (9) stromabwärts von dem Zufluss angeordneten UV-Strahler (2) sowie mit einem stromabwärts von dem UV-Strahler (2) angeordneten Abfluss, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zufluss und dem wenigstens einen UV-Strahler (2) eine elektromotorisch angetriebene Mischvorrichtung (6, 12, 13, 14, 18, 21) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, eine Querströmung (8, 8') mit wenigstens einer Geschwindigkeitskomponente quer zu der Hauptströmungsrichtung (9) zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur UV Desinfektion von Flüssigkeiten.
Die Desinfektion von Flüssigkeiten, insbesondere von Trinkwasser oder Abwasser mit UV-Strahlung ist seit langem bekannt. Zu diesem Zweck wird die zu des infizierende Flüssigkeit in einem offenen oder geschlossenen Kanal an UV-Strahlern vorbei geleitet. Für eine wirksame Desinfektion ist es erforderlich, dass jedes Volumenelement des Flüssigkeitsstroms eine bestimmte Mindestdosis an UV-Strahlung erhält. Da andererseits der Energieverbrauch von UV-Desinfektionsanlagen ein wichtiges Kriterium für die besondere Wirtschaftlichkeit ist, soll nicht übermäßig hohe Strahlungsleistung aufgewendet werden. Es ist deshalb wesentlich, dass der Flüssigkeitsstrom so gut durchmischt wird, dass jedes Volumenelement die gleiche Strahlungsdosis erhält und sich keine Strömungspfade ausbilden, in denen die Strahlungsdosis zu gering ist.
Aus dem Stand der Technik sind hierfür verschiedene Lösungen bekannt. Zum einen gibt es Desinfektionsanlagen, bei denen lang gestreckte UV-Strahler in dem Kanal längst in Strömungsrichtung angeordnet sind, so dass die Flüssigkeit parallel zur Längsachse der Strahler strömt. Bei dieser Konfiguration ist auf eine gleichmäßige Verteilung der Strahler über den Querschnitt zu achten. Außerdem werden in den freien Querschnitt der Vorrichtung Stauscheiben eingesetzt, die vor den Strahlern oder auf den Strahlern angeordnet werden. Diese Stauscheiben induzieren eine turbulente Strömung, die Volumenelemente aus der Mitte des freien Strömungsquerschnitts ablenkt und in die Nähe der Oberfläche der Strahler bringt.
Weiter sind Desinfektionsanlagen bekannt, bei denen die Strahler mit ihrer Längsachse quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind. Bei diesen Anlagen induzieren die Strahler selbst eine turbulente Strömung. Die einzelnen Volumenelemente der zu behandelnden Flüssigkeit werden durch den zwischen zwei benachbarten Strahlern entstehenden Spalt gedrängt und strömen dahinter in einen größeren freien Querschnitt, bis zu der nächsten Reihe von UV-Strahlern. Dieser Querschnittswechsel bewirkt bereits eine Durchmischung.
Schließlich ist es bekannt, vor den Desinfektionseinrichtungen ein Wehr oder eine Staustufe anzubringen, über die das zu behandelnde Wasser strömen muss. Auch hierbei wird eine große Turbulenz eingeleitet, die eine gute Durchmischung der zu behandelnden Flüssigkeit garantieren soll.
Sämtliche Vorrichtungen der oben genannten Art sind passiv, sie nutzen also die genetische Energie der strömenden Flüssigkeit, um die Turbulenzen zu erzeugen. Dies führt unweigerlich zu einer Erhöhung des dynamischen Widerstands oder des Staudrucks, der sich vor der Desinfektionsanlage aufbaut. Dies ist insbesondere dort nachteilig, wo die zu behandelnde Flüssigkeit allein aufgrund des Gefälles in einer bestehenden Umgebung strömt. Dies ist insbesondere bei Kläranlagen regelmäßig der Fall, in dem nur ein begrenztes Gefälle zwischen einem Zulauf und einem Ablauf zur Verfügung steht. Reicht dieses Gefälle nicht aus, so wird es erforderlich, das zu behandelnde Abwasser durch Pumpen zu fördern. Dies ist aufwendig.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur besseren Durchmischung von Flüssigkeiten zur UV-Desinfektion zu schaffen, bei denen gegenüber einem Kanal ohne zusätzliche Einrichtungen zur Erzeugung von Turbulenzen ein nur unwesentlich oder gar nicht erhöhter Staudruck auftritt.
Diese Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Weil zwischen dem Zufluss und dem wenigstens einen UV-Strahler eine elektromotorisch angetriebene Mischvorrichtung angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, eine Querströmung mit wenigstens einer Geschwindigkeitskomponente quer zu der Hauptströmungsrichtung zu erzeugen, wird die Durchmischung der Flüssigkeit unmittelbar vor der UV-Desinfektion verbessert.
Wenn die Mischvorrichtung einen Propeller mit einer Drehachse aufweist, die in einem Winkel (a) von 90° zu der Hauptströmungsrichtung ausgerichtet ist, kann eine Durchmischung im wesentlichen ohne Beeinflussung des hydrodynamischen Widerstandes im Gerinne erzielt werden. Flüssigkeit wird auch aus dem Wandungsbereich des Gerinnes abgesaugt und durchmischt, wenn die Mischvorrichtung eine Saugseite und eine Druckseite aufweist und der Abstand zwischen der Saugseite und einer Wandung des Gerinnes geringer ist als der Abstand zwischen der Druckseite und einer Wandung des Gerinnes.
Ein besonders guter Wirkungsgrad ergibt sich, wenn die Mischvorrichtung einen Propeller und einen den Propeller umgebenden Düsenring aufweist. Dieser wird weiter verbessert, wenn die Mischvorrichtung saugseitig mit einem mittels einer Trennwand separierten Teilstrom verbunden ist, weil eine Kurzschlussströmung zwischen Saug- und Druckseite verhindert wird.
Eine besonders gleichmäßige Durchmischung im Gerinne wird erreicht, wenn zwei Mischvorrichtungen an sich gegenüber liegenden Seiten des Gerinnes angeordnet sind. Zur Beeinflussung des hydrodynamischen Widerstands des Gerinnes kann die wenigstens eine Mischvorrichtung in einem von 90° abweichenden Winkel zu der Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sein.
Ein nur zeitweiser Betrieb der Mischvorrichtung ohne Störung der Durchströmung des Gerinnes wird möglich, wenn die Mischvorrichtung in einem von dem Gerinne abzweigenden Seitenkanal zur Erzeugung eines Teilstroms angeordnet ist, wobei der Seitenkanal stromaufwärts des UV-Strahlers wieder in das Gerinne mündet und der Teilstrom in einem Winkel zu der Hauptströmungsrichtung in das Gerinne geleitet wird. Der Seitenkanal kann durch Schieber oder Ventile abgetrennt werden, wenn die Mischvorrichtung außer Betrieb ist. Insbesondere ist vorteilhaft, wenn die Mischvorrichtung außerhalb des freien Querschnitts des Gerinnes angeordnet ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten, mit den Schritten a) Einleiten eines Volumenstroms der Flüssigkeit in ein Gerinne mit einer Hauptströmungsrichtung, b) Erzeugen einer Geschwindigkeitskomponente quer zu der Hauptströmungsrichtung mittels einer elektromotorisch angetriebenen Mischvorrichtung, und c) Bestrahlen des Volumenstroms mit einer UV-Strahlung wird ein hoher Desinfektionsgrad im Verhältnis zur eingesetzten Strahlungsleistung erzielt. Wenn die Mischvorrichtung in einem separierten Teilstrom angeordnet ist und dass die Geschwindigkeitskomponente durch das Einleiten des Teilstroms unter einem Winkel in den restlichen Strom erfolgt, kann die Mischvorrichtung nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1: Ein offenes Gerinne einer UV-Desinfektionsanlage in einer Draufsicht;
2: Das Gerinne aus 1 in einem Querschnitt von der Seite;
3: Das Gerinne gemäß 1 und 2 in einem Querschnitt entlang der Linie III. aus 1;
4: Ein Gerinne entsprechend 1 mit zwei Mischvorrichtungen;
5: Ein Gerinne entsprechend 1 mit einer Mischvorrichtung mit geneigter Achse;
6: Ein Gerinne entsprechend 1 mit einer Mischvorrichtung in einem Seitenkanal; sowie
7: Eine Vorrichtung mit einem durch eine Trennwand abgetrennten Teilstrom.
Die 1 zeigt eine UV-Desinfektionsanlage für den Ablauf einer Abwasserkläranlage in einer Draufsicht. Die Desinfektionsanlage ist von der Bauart mit einem offenen Gerinne 1, in dem eine Anzahl von UV-Strahlern 2 eingesetzt sind. Die UV-Strahler 2 sind bei dieser Ausführungsform als Niederdruck UV-Strahler ausgeführt und mit ihrer Längsachse parallel zur Strömungsrichtung orientiert. Ein erstes Wehr 3 und zweites Wehr 4 regeln den Wasserstand in dem Gerinne 1. Ein Sensor 5 überwacht den Wasserstand.
In dem Bereich zwischen dem ersten Wehr 3 und dem UV-Strahler 2 ist eine Mischvorrichtung 6 angeordnet, die nach der Bauart eines Impellers über einen elektromotorischen angetriebenen Propeller 7 eine Strömung in Richtung der Strömungspfeile 8 erzeugt. Diese Strömung ist in Querrichtung zu der mit den Strömungspfeilen 9 veranschaulichten Strömung ausgerichtet. Die Strömungspfeile 9 zeigen die Durchströmung des Gerinnes 1 allein aufgrund des in der Abwasseranlage vorhandenen Gefälles an. Die Strömung in Richtung der Pfeile 9 ist nahezu laminar.
Die 2 zeigt das Gerinne gemäß 1 in einem Querschnitt in der Hauptströmungsrichtung 9. Gleiche Bauelemente sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Die Mischvorrichtung 6 weist neben dem Propeller 7 einen den Propeller konzentrisch umgebenden Düsenring 11 auf. Dieser Düsering 11 fördert die Ausbildung der Querströmung 8 im Betrieb. Er bewirkt auch, das Wasser aus der unmittelbaren Umgebung der in Strömungsrichtung linken Seitenwand des Gerinnes 1 abgesaugt wird und sich auch dort keine stationäre Strömung einstellt.
Die 3 zeigt die Anordnung gemäß 1 und 2 in einem Querschnitt entlang der Linie III-III. aus 1.
Die UV-Strahler 2 sind in der Strömungsrichtung gesehen, also in der Darstellung gemäß 3, im Querschnitt rund und langgestreckt. Eine Anzahl von UV-Strahlern (hier: 32) sind so angeordnet, dass sie den freien Querschnitt des Gerinnes 1 bis zum vorgesehenen maximalen Wasserstand gleichmäßig ausfüllen. Durch diese Anordnung wird eine gleichmäßige Verteilung der UV-Strahlung über den Querschnitt gefördert. Allerdings können sich gerade zwischen den Strahlern und in den Eckbereichen des Gerinnes laminare Strömungspfade ausbilden, in denen die UV-Dosis ein Minimum aufweist. Die Mischvorrichtung 6, die in Strömungsrichtung vor den UV-Strahlern 2 angeordnet ist und eine Querströmung 8 induziert, bewirkt im Betrieb Turbulenzen, die verhindern, dass einzelne Mikroorganismen den gesamten Weg durch die UV-Strahler 2 entlag eines solchen laminaren Strömungspfades zurücklegen können. Die Durchmischung durch die Querströmung 8 bewirkt deshalb eine bessere Beaufschlagung der Mikroorganismen mit UV-Strahlung. Auf diese Weise wird die in jedes einzelne Volumenelement des Abwasserstroms abgegebene UV-Dosis nahezu gleich groß. Die Bestrahlung der einzelnen Volumenelemente wird also gleichmäßiger.
Gegenüber der ursprünglichen Konfiguration, bei der durch eine Anhebung der tatsächlich abgegebenen Strahlungsleistung auch die Desinfektion der Eckbereiche und der ungestörten Strömungspfade mit der vorgesehenen minimalen Dosis sichergestellt wird, kann die Strahlungsleistung gesenkt werden, sodass sich der Energieverbrauch verringert. In der Praxis ist die Absenkung der Strahlungsleistung größer als die Antriebsleistung für die Mischvorrichtung 6, so dass sich ein wirtschaftlicher Vorteil ergibt. Bei unveränderter Strahlungsleistung ist eine bis zu 25% verbesserte Desinfektionswirkung durch den Einsatz der Mischvorrichtung 6 beobachtet worden.
Die 4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind insgesamt 2 Mischvorrichtungen 12 und 13 vorgesehen, die an 2 in Strömungsrichtung der Hauptströmung 9 aufeinander folgenden Positionen angeordnet sind. Die Mischvorrichtung 12 bewirkt eine Querströmung 8, die wie in 1 nach rechts gerichtet ist. Die Mischvorrichtung 13 bewirkt eine Querströmung in der entgegengesetzten Richtung, die mit 8- gekennzeichnet ist. Die elektrische Leistung, die zur Erzeugung der Querströmungen 8 und 8- aufgewendet wird, wird auf die beiden Antriebsmotoren der Mischvorrichtungen 12 und 13 verteilt. Gegenüber der Ausführung in 1 können beide Mischvorrichtungen jeweils etwa die Hälfte der elektrischen Leistung der Mischvorrichtung 6 aufweisen. Diese Konfiguration ist in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft.
Die 5 zeigt eine Anordnung entsprechend 1. Bei dieser Anordnung ist eine Mischvorrichtung 14 in einem von 90° zu der Hauptströmungsrichtung 9 orientierten Winkel angeordnet. Entsprechend bildet sich eine schräg gegen die Längsachse gerichtete Strömung 15 aus. Die schräge Querströmung 15 kann wie in 5 eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Hauptströmung 9 aufweisen. Die Durchströmung des Gerinnes 1 wird dadurch beschleunigt. Alternativ kann die Mischvorrichtung 14 auch in die andere Richtung ausgerichtet werden, so dass sich eine Geschwindigkeitskomponente entgegen der Hauptströmungsrichtung 9 ausbildet. Die Durchströmung des Gerinnes 1 wird dann etwas verlangsamt. Es bildet sich ein dynamischer Widerstand aus. Es wird jedoch erwartet, dass die Durchmischung dadurch intensiver wird.
Entsprechend der Ausführungsform der 4 können auch zwei Mischvorrichtungen auf gegenüberliegenden Seiten des Gerinnes 1 mit einem Neigungswinkel Alpha abweichend von 90° angeordnet werden. Die Durchmischung des zu behandelnden Abwassers wird dadurch weiter verbessert.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Teilstrom 16 aus dem zu behandelnden Abwasserstrom abgezweigt und in einem Seitenkanal 17 geleitet wird. In dem Seitenkanal 17 sitzt ein Propeller 18, der hier als Mischvorrichtung arbeitet und der den Teilstrom 16 beschleunigt in einem schrägen Winkel in den Hauptstrom des Gerinnes 1 einleitet. Der freie Querschnitt in der Hauptströmungsrichtung 9 von dem ersten Wehr 3 zu den UV-Strahlern 2 ist bei dieser Ausführungsform nicht durch Einbauten beeinträchtigt. Bei dieser Ausführungsform kann der Propeller 12 bei offenem oder geschlossenem Seitenkanal außer Betrieb bleiben, ohne das die Funktionsfähigkeit der UV-Desinfektionsanlage ansonsten durch strömungstechnisch behindernde Einbauten in dem Gerinne 1 beeinträchtigt würde. Diese Ausführungsform ermöglicht es, den Propeller 18 nur bei besonderen Anforderungen in Betrieb zu nehmen, beispielsweise wenn eine besondere Trübung oder eine besonders hohe Keimbelastung festgestellt wird.
Die 7 zeigt schließlich eine Ausführungsform mit einer Trennwand 20 innerhalb des Gerinnes 1, die ebenfalls einen Teilstrom abzweigt und einer Mischvorrichtung 21 zuführt. Bei dieser Ausführungsform wird ein hydraulischer Kurzschluss zwischen der Saugseite und der Druckseite der Mischvorrichtung 21 ausgeschlossen. Diese Ausführungsform ist besonders Energie sparend.
Bezugszeichenliste

1: Gerinne
2: UV-Strahler
3: Wehr
4: Wehr
5: Sensor
6: Mischvorrichtung
7: Propeller
8: + 8'Querströmung
9: Hauptströmungsrichtung
10: frei
11: Düsenring
12: Mischvorrichtung
13: Mischvorrichtung
14: Mischvorrichtung
15: schräge Strömung
16: Teilstrom
17: Seitenkanal
18: Propeller
19: frei
20: Trennwand
21: Propeller

Claims

Vorrichtung zur UV-Desinfektion von Flüssigkeiten in einem offenen oder geschlossenen Gerinne (1), mit einem Zufluss für die zu desinfizierende Flüssigkeit, wenigstens einem in einer Hauptströmungsrichtung (9) stromabwärts von dem Zufluss angeordneten UV-Strahler (2) sowie mit einem stromabwärts von dem UV-Strahler (2) angeordneten Abfluss, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Zufluss und dem wenigstens einen UV-Strahler (2) eine elektromotorisch angetriebene Mischvorrichtung (6, 12, 13, 14, 18, 21) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, eine Querströmung (8, 8') mit wenigstens einer Geschwindigkeitskomponente quer zu der Hauptströmungsrichtung (9) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (3) einen Propeller (7) mit einer Drehachse aufweist, die in einem Winkel (a) von 90° zu der Hauptströmungsrichtung (9) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (3) eine Saugseite und eine Druckseite aufweist, und dass der Abstand zwischen der Saugseite und einer Wandung des Gerinnes (1) geringer ist als der Abstand zwischen der Druckseite und einer Wandung des Gerinnes (1).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (3) einen Propeller (7) und einen den Propeller (7) umgebenden Düsenring (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Mischvorrichtungen (12, 13) an sich gegenüber liegenden Seiten des Gerinnes (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Mischvorrichtung (12, 13, 14, 18, 21) in einem von 90° abweichenden Winkel () zu der Hauptströmungsrichtung (9) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung saugseitig mit einem mittels einer Trennwand (20) separierten Teilstrom verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung in einem von dem Gerinne abzweigenden Seitenkanal (17) zur Erzeugung eines Teilstroms (16) angeordnet ist, wobei der Seitenkanal stromaufwärts des UV-Strahlers (2) wieder in das Gerinne mündet und der Teilstrom (16) in einem Winkel zu der Hauptströmungsrichtung (9) in das Gerinne geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung außerhalb des freien Querschnitts des Gerinnes (1) angeordnet ist.
Verfahren zur Desinfektion von Flüssigkeiten, mit den Schritten – Einleiten eines Volumenstroms der Flüssigkeit in ein Gerinne (1) mit einer Hauptströmungsrichtung (9), – Erzeugen einer Geschwindigkeitskomponente quer zu der Hauptströmungsrichtung (9) mittels einer elektromotorisch angetriebenen Mischvorrichtung (3, 12, 17, 14, 18, 21), Bestrahlen des Volumenstroms mit einer UV-Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung in einem separierten Teilstrom angeordnet ist und dass die Geschwindigkeitskomponente durch das Einleiten des Teilstroms unter einem Winkel in den restlichen Strom erfolgt.