DE20122005U1

DE20122005U1 - Vorrichtung zur Aufbereitung von mechanisch, organisch oder biologisch verunreinigtem Wasser

Info

Publication number: DE20122005U1
Application number: DE20122005U
Authority: DE
Original assignee: Luwatec Luft und Wasserte GmbH; Luwatec Luft- und Wassertechnik GmbH
Current assignee: Luwatec Luft und Wasserte GmbH; Luwatec Luft- und Wassertechnik GmbH
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2011-03-15

Abstract

Vorrichtung (Anlage) zur Aufbereitung von mechanisch, organisch oder biologisch verunreinigtem Wasser (Rohwasser), bestehend aus Kombinationen verschiedener Filteranordnungen, Füllpumpen, Ionisationsmodul zur Ionisation von Luft, Reaktoren, einem Nachfilter und Fertigwassertank, wobei die einzelnen Teile durch Rohrleitungen verbunden und die Stoffströme über Ventile und Sensoren gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß
– das Ionisationsmodul mit großfläcigenKatoden und Anoden, einer dazwischen befindlichen Glasplatte und Ein- und Ausgängen für Luft und
– die Reaktoren mit Ein- und Ausläufen für Wasser und die ionisierte Luft, wobei die Luft unter Druck breitflächigüber Glasfritten eingeführt wird, versehen sind.

Description

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.
Die Aufbereitung von mechanisch, organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser ist ein wichtiges Problem des Umweltschutzes und der Wassergewinnung.
Viele Wasseraufbereitungen beruhen auf der Zugabe von Chlor und Chlorgas, Wasserstoffperoxid oder anderen Oxidationsmitteln. Bekannt sind auch Elektroverfahren nach Zugabe von Natriumchlorid.
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.
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.
Die Vorrichtung (Anlageschema gemäß 1) zur Aufbereitung von mechanisch, organisch oder biologisch verunreinigtem Wasser (Rohwasser) besteht erfindungsgemäß aus

– 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.

Wichtig für ein effektives Arbeiten der Anlage ist das lonisationsmodul (2), bestehend aus

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.

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.
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.
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.
Der Arbeitsbereich der Wasseraufbereitung ist dabei auf einen lonenbereich des oxidierten Potentials auf ionisierten Sauerstoff beschränkt:
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.
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.
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.
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).
Auf diese Art wird ein Ionisationsgrad der Sauerstoffmoleküle von etwa 90.bis 96 Vol.% erreicht.
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.
Die einzelnen Reaktoren (s.3) bestehen
– aus einem äußeren Reaktormantel (12)
– einem Reaktor-Innenrohr (15) mit Durchflußbohrungen (16) und einer Glasfritte (17) am unteren Ende,
– unterem Stutzen (18) zur Luftzufuhr und oberen Stutzen (11) zur Luftableitung,
– seitlich angeordnetem Wassereinlaß (20) und Wasserauslaßstutzen(13) und
– Verschraubungen (14) und Dichtungen (19).
Als Glasfritte wird zweckmäßig ein Duran-Glas-Perlator eingesetzt.
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.
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.
Die Vorrichtung ergibt sich aus dem beispielhaft in 1 dargestellten Anlagenschema. Darin bedeuten:

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

Anhand dieses Schemas können die Vorrichtung und ihre Arbeitsweise wie folgt beispielhaft beschrieben werden.
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.
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.
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.
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.
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.
Wird eine beliebige Menge an Wasser entnommen, schaltet die Anlage bis zur Maximalbefüllung der Anlage wieder zu.
1 zeigt den beispielsweisen Bau des Ionisationselements. Hierin bedeuten:

1.: elektrische Anschlüsse (200 – 240 Volt) Gleichspannung
2.: Gehäuserahmen
3.: Anodengeflecht
4.: Kathodengeflecht
5.: Einrichtung zur mechanischen Spannung des Anoden- und Kathodengeflechtes
6.: Luftrichtung

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:

– optimaler Ladungsübergang zum Sauerstoffmolekül
– äußerst geringer Wartungsaufwand
– bestmögliche Energieausnutzung der Spannungsversorgung
– äußerst geringer Koronarenentladungs-Verschleiß
– großflächiger Ladungsübergang mit hoher Effizenz
– sehr lange Standdauer

2 zeigt den beispielsweisen Bau des Ionisationsmoduls mit dem Differenziator.
Hierin bedeuten:

Fig. 1: Ionisationselement
61: Differenziator pos. u. neg. Gleichspannungsanschluss
62: Gehäuse
63: Lufteintritt
64: Luftaustritt

Funktionsweise:
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.
3 zeigt als Beispiel einen Schnitt durch eine Reaktorsäule mit folgenden Bezugszeichen

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

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.
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.
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 %):
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:
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):

Claims

Vorrichtung (Anlage) zur Aufbereitung von mechanisch, organisch oder biologisch verunreinigtem Wasser (Rohwasser), bestehend aus Kombinationen verschiedener Filteranordnungen, Füllpumpen, Ionisationsmodul zur Ionisation von Luft, Reaktoren, einem Nachfilter und Fertigwassertank, wobei die einzelnen Teile durch Rohrleitungen verbunden und die Stoffströme über Ventile und Sensoren gesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß – das Ionisationsmodul mit großfläcigen Katoden und Anoden, einer dazwischen befindlichen Glasplatte und Ein- und Ausgängen für Luft und – die Reaktoren mit Ein- und Ausläufen für Wasser und die ionisierte Luft, wobei die Luft unter Druck breitflächig über Glasfritten eingeführt wird, versehen sind.
Vorrichtung (Anlage) zur Aufbereitung von Rohwasser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionisationsmodul aus a) einem luftdurchströmten Ionisationselement mit je einem großflächigen Anodengeflecht und Kathodengeflecht und einer dazwischen befindlichen Glasplatte in einem Gehäuse mit Spannungszuführungen und Luftein- und – ausleitungen und b) einem Differenziator, bei dem in einem Gehäuserahmen mit Spannungszuführungen ein Kathodengeflecht unter zwei Glasplatten eingeschlossen ist und sich auf beiden Seiten einer Glasplatte ein Anodengeflecht befindet, bestehen.
Vorrichtung (Anlage) zur Aufbereitung von Rohwasser nach Anspruch 6 und Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Reaktoren – aus einem äußeren Reaktormantel – einem Reaktor-Innenrohr mit Durchflußbohrungen und einer Glasfritte am unteren Ende, – unterem Stutzen zur Luftzufuhr und oberen Stutzen zur Luftableitung, – seitlich angeordnetem Wassereinlaß und Wasserauslaßstutzen und – Verschraubungen und Dichtungen bestehen.
Vorrichtung (Anlage) zur Aufbereitung von Rohwasser nach Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfritte den inwandigen Reaktorboden unten abschließt und aus Duran-Glas besteht.
Vorrichtung (Anlage) zur Aufbereitung von Rohwasser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenöffnungen der Glasfritten so gewählt werden, dass die entstehenden Luftbläschen einen Durchmesser von 0,1 bis 2,0 mm haben.