DE10200812A1

DE10200812A1 - Dreiweg UV-Ultraschall Wasserreinigungsreaktor

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Publication number: DE10200812A1
Application number: DE2002100812
Authority: DE
Original assignee: SOBNIN JURI
Current assignee: SOBNIN JURI
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Eine breite Anwendung bei der Wasser-Reinigung und -Desinfektion - ultraviolette Strahlung. DOLLAR A Diese Methode weist eine Reihe von Vorteilen auf, birgt aber auch einige Nachteile in sich: DOLLAR A 1. Ungenügende Bestrahlung des aufzubereitenden Wassers. DOLLAR A 2. Geringer Abbau organischer und anorganischer Verbindungen. DOLLAR A 3. Nicht komplette Desinfektion. DOLLAR A 4. Verschmutzung und Biobewuchs des Quarzstutzglases. DOLLAR A Eine Erhöhung der ultravioletten Dosis (Verweildauer des aufzubereitenden Wassers im Reaktor) wird erreicht durch eine Erweiterung der Reaktorkonstruktion um Trennwände, wodurch die Verweildauer des Wassers im Reaktor um das 3-fache ansteigt. DOLLAR A Im Angebotsreaktor werden zwei Verfahren kombiniert: die Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen und die fokussierte Ultraschallbestrahlung. DOLLAR A Bei bestimmter Intensität und Frequenz des Ultraschalls im Strom des aufzubereitenden Wassers kommt es zu einer starken Erhöhung der Kavitation, der Temperatur und des Druckes. Dies erhöht die Effektivität der UV-Bestrahlung um das Hundertfache. DOLLAR A Eine intensive Kavitation führt zur vermehrten Bildung von Rissen im Wassermedium an Stellen mit Ungleichartigkeiten. Als Ungleichartigkeiten dienen Pilz- und Bakteriensporen, gelöste organische und anorganische Verbindungen, die sich beim Platzen eines Bläschens in seiner Mitte befinden und eine Art Zielscheibe bilden. Bei so einer verstärkten Kavitation wird die Zersetzung von organischen und anorganischen Verbindungen um das Mehrfache ...

Description

Wasser-Reinigung und - Desinfektion gehören zu den aktuellen Problemen unserer Zeit. Es existieren verschiedene Verfahren zur Wasserreinigung.

Eine breite Anwendung bei der Wasser-Reinigung und -Desinfektion in Wassergewinnungsanlagen, Becken, Reinigungsanlagen sowie in der Industrie findet das Wasseraufbereitungsverfahren durch ultraviolette Strahlung.

Diese Methode weist eine Reihe von Vorteilen auf, birgt aber auch einige Nachteile in sich:

1. Ungenügende Bestrahlung des aufzubereitende Wassers
2. Geringe Zersetzung von organischen und anorganischen Verbindungen
3. Nicht komplette Desinfektion
4. Verschmutzung und Biobewuchs der Quarzstutzglas.

Die zur Wasseraufbereitung traditionell eingesetzten UV-Niederdruck-Lampen erledigen meistens die Wasserdesinfektion, erweisen jedoch wenig Effizienz bei der Vernichtung sporenbildender Bakterien, Viren, Pilzen, Algen und Schimmel. Die Höchstwerte der Wasserbestrahlung durch UV-Quellen bei annehmbaren Leistungen der UV-Anlagen liegen weit unter den Werten, die zur kompletten Unschädlichmachung von Sporenformen erforderlich sind. Diese Strahlenwerte betragen für eine Reihe von Sporen und Pilzen 300 mJ/cm², während die UV-Strahlen gerade noch Werte von 16-30 mJ/cm² liefern können. Zur Zeit werden in der Praxis Reaktoren mit einem Wasserlauf eingesetzt (Fig. 1), bei denen das Wasser in der Strahlungszone nur sehr kurze Zeit verweilt. Oft wird während dieser kurzen Zeit nicht das gesamte Wasservolumen bestrahlt, was eine Erhöhung der Anlagenkapazität erforderlich macht.

Eine Erhöhung der Anlagenkapazität führt wiederum zu Preissteigerung und Erhöhung des Energieverbrauchs.

Die UV-Strahlen verstärken praktisch den Selbstreinigungsprozess eines Mediums, es erfolgt eine teilweise Zersetzung von organischen Verbindungen, die anorganischen Verbindungen durchläuft ein geringer Abbau. Die UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 253-267 Nm sind besonders effektiv bei der Vernichtung von der Zersetzung von Verunreinigungen. Geht man von einer Aktivität der UV-Strahlen von max. 100% aus, kann der Effekt wie folgt beschrieben werden:
70-80% Vernichtung von Mikroorganismen
50-70% Zersetzung von organischen Verbindungen
5-10% Abbau von anorganischen Verbindungen

Bei der Anwendung dieses Verfahrens zur Reinigung und Desinfektion von Abwasser sowie von Wasser mit gelöstem Eisen, Calcium und hohem Anteil an organischen Verbindungen entstehen Probleme mit der ständigen Verschmutzung der Quarzstutzglas der UV-Lampen. Dies macht es erforderlich, die Anlage anzuhalten, den Reaktor mit Säure zu spülen bzw. mechanisch zu reinigen.

Unter ultravioletter Dosis versteht man jene Menge von Ultraviolett, die jedes Quadratzentimeter Wasser während des Durchlaufs durch den Reaktor ausgesetzt wird. Eine Erhöhung der ultravioletten Dosis (Verweildauer Des aufzubereitenden Wassers im Reaktor) wird erreicht durch eine Erweiterung der Reaktorkonstruktion um Trennwände (7), wodurch die Verweildauer des Wassers im Reaktor um das 3- fache ansteigt. (Fig. 2)

Zur Beseitigung anderer Nachteile wird ein Verfahren vorgeschlagen, das auf dem Einsatz mechanischer Schwingungen des Ultraschall-Bereiches, d. h. auf dem Einsatz der s. g. Ultraschallschwingungen basiert.

Der Einfluss von Ultraschallschwingungen auf verschiedene Verfahrensvorgänge in Flüssigmedien führt dazu, dass diese Prozesse zwischen zwei oder mehreren heterogenen Medien um mindestens das 10-100-fache beschleunigt werden.

Die Wirkung von Ultraschall in flüssigen Medien beruht auf den unterschiedlichsten Effekten, welche durch die sogenannte Kavitation hervorgerufen werden. Wie alle Schallwellen breitet sich auch Ultraschall in einem flüssigen Medium durch eine Abfolge von Kompressions- und Unterdruckwellen aus, die in den Molekülen des Mediums induziert werden. Bei ausreichend hoher Ultraschallintensität werden in der Schwingungsunterdruckphase die Bindekräfte zwischen den Molekülen soweit reduziert, dass sich mikroskopisch kleine Luftblasen bilden, wobei der Druck in der Luftblase den atmosphärischen Druck erheblich überschreitet. Durch die nach Sekundenbruchteilen folgende Überdruckphase implodieren diese Luftblasen wieder, wodurch bei schneller Zyklusfolge genügend Energie für chemische und mechanische Effekte freigesetzt wird.

Das Arbeitsgerät eines Ultraschall-Schwingungssystems bringt nicht nur die angrenzenden Teilchen des zu bearbeitenden Mediums in Bewegung relativ zur Gleichgewichtslage, sondern führt zu deren ständigen Verschiebung, dem s. g. Ultraschallwind.

Der Ultraschallwind äußert sich durch starke Strömungen, die zum Verquirlen des Mediums führen. Dieser Effekt führt zu einer wesentlichen Beschleunigung vieler Verfahrensvorgänge (Fig. 3)

Bei der Verbreitung von intensiven Ultraschallschwingungen in der Flüssigkeit kann ein durch den Ultraschall-Druck bedingter Effekt beobachtet werden, den man als Ultraschall-Kavitation bezeichnet. Die Kavitationserscheinung ist darauf zurückzuführen, dass Flüssigkeiten riesige Verdichtungen aus allen Richtungen problemlos "überstehen", jedoch eine hohe Sensibilität gegenüber Zugkräften aufweisen.

Bei der Entspannungsphase der Ultraschallwelle reißt die Flüssigkeit, es entstehen mehrere Risse, in die in der Flüssigkeit gelöste Gase und Dämpfe strömen. Es bilden sich Kleinstbläschen (unter 0,1 mm), die man als Kavitationsbläschen bezeichnet. Diese bilden sich meistens an den Stellen mit geschwächter Flüssigkeitsfestigkeit, d. h. an den Stellen mit kleinen Bläschen ungelösten Gases, mit Partikeln von Fremdbeimischungen sowie an der Grenze Flüssigkeits-Flüssigkeit, Flüssigkeits-Festkörper u. s. w. Kavitationsbläschen absolvieren pulsierende Schwingungen, um diese bilden sich starke Mikroströmungen, die zur aktiven lokalen Verwirbelung des Mediums führen. Nach kurzem Bestehen platzt ein Teil der Bläschen. Beim Platzen der Kavitations- Blässchen kommt es im Inneren zu einem Temperaturanstieg auf bis zu 5500°C, es kommt zum momentanen Druckaufbau bis auf Hunderte bzw. Tausende atm, es entstehen elektrische Entladungen, es bilden sich aktive Radikale: Wasserstoffperoxyd, molekularer Wasserstoff, Ozon, molekularer Sauerstoff, u. s. w.

Im Angebotsreaktor(6) (Zeichnung 1) werden zwei Verfahren kombiniert:
Die Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen (16) und die fokussierte Ultraschallbestrahlung (14) (Fig. 4).

Bei bestimmter Intensität und Frequenz des Ultraschalls im Strom des aufzubereitenden Wassers(13) kommt es zu einer starken Erhöhung der Kavitation, der Temperatur und des Druckes(15). Dies erhöht die Effektivität der UV-Bestrahlung um das Hundertfache.

Eine intensive Kavitation führt zur vermehrten Bildung von Rissen im Wassermedium an Stellen mit Ungleichartigkeiten. Als Ungleichartigkeiten dienen Pilz- und Bakteriensporen, gelöste organische und anorganische Verbindungen, die sich beim Platzen eines Bläschens in seiner Mitte befinden und eine Art Zielscheibe bilden. Bei so einer verstärkten Kavitation wird die Zersetzung von organischen und anorganischen Verbindungen um das Mehrfache beschleunigt.

Ein fokussierender Ultraschallstrahler (5) im Inneren des Reaktors funktioniert wie eine "Waschmaschine", die die Innenflächen des Reaktors und der Quarzstutzglas der UV-Strahlers wäscht und damit deren Biobewuchs und Verschmutzung verhindert.

Der Angebotsreaktor beseitigt die Nachteile bekannter Ultraviolett-Anlagen zur Wasser- Desinfektion und -Reinigung:

1. 1.1 Ungenügende Bestrahlung - durch zusätzliche Trennwände (7) im Inneren des Reaktors(6), wodurch sich die Verweildauer des aufzubereitenden Wassers im Reaktor verlängert.
2. 2.2/3.3 Nicht vollständige Desinfektion, geringer Abbau von organischen und anorganischen Verbindungen - durch Integration eines fokussierten Ultraschallstrahlers (5) in Kombination mit ultravioletter Bestrahlung (14)
3. 4.4 Verschmutzung und Biobewuchs der Quarzstutzglas - durch Ultraschallbestrahlung im Inneren des Reaktors.

Bezugszeichenliste 1 UV-Strahler
2 Quarzglas
3 Temperaturmesser
4 Schwingerelement
5 Ultraschall-Resonator
6 Reaktor
7 Trennwand
8 Ablassrohr
9 Ventilator
10 Schutzmantel
11 Sehluke
12 Strahlfühler
13 Behandeltes Wasser
14 Ultraschallwellen
15 Hochkavitationszone
16 UV-Strahlung

Claims

1. Dreiweg UV-Ultraschall Wasserreinigungsreaktor zur Desinfektion und/oder Reinigung Schadstoffbelasteten Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor (6) (Zeichnung Nr. 1) UV-Strahler (1) vorzugsweise mit der Wellenlänge 170-380 nm und PZT-Schwingerelemente (4) im Frequenzbereich von 20 kHz bis 2 MHz bei Leitung 2 W/cm²-20 W/cm², spezielle Ultraschallfokussierungsreflektoren (5) angeordnet sind.

2. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor zwei Verfahren, die Bestrahlung mit ultravioletten Strahlen (16) (Fig. 4) und die fokussierte Ultraschallbestrahlung (14), angeordnet sind.

3. Reaktor nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktor vertikale Trennwände (7) angeordnet sind.

4. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (7) und Quarzstutzglas (2) zueinander strömungsgünstig angeordnet sind.

5. Reaktor nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (5) aus Metall bestehen.