DE102004009636B4

DE102004009636B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser

Info

Publication number: DE102004009636B4
Application number: DE200410009636
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmid
Original assignee: Individual
Current assignee: Schmid Andreas Dr-Ing 95703 Plossberg De
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2024-02-28
Also published as: WO2005082786A1; DE102004009636A1

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffbelastete Wasser in einer Rohrleitung (2, 4) und durch wenigstens eine in der Rohrleitung (2, 4) angeordnete Verengung (3) so geführt wird, daß die Fließgeschwindigkeit des schadstoffbelasteten Wassers bei Durchtritt durch die Verengung (3) unter abnehmendem Druck erhöht und in dem schadstoffbelasteten Wasser Kavitation erzeugt wird, wobei die Kavitation in der Rohrleitung (4) steuerbar aufrechterhaltbar ist und so im Wasser enthaltene Schadstoffe ohne Einstrahlung zusätzlicher Energie zu unschädlicheren Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt werden, wobei die Kavitation durch die Druckverhältnisse in der nach der Verengung (3) angeordneten Rohrleitung (4) aufrechterhalten wird und wobei die Dauer der Kavitation über die Länge der abströmseitig nach der Verengung (3) angeordneten Rohrleitung (4) steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser.
In der Umwelt und mithin im Grund- bzw. Trinkwasser kommt es zunehmend zu einer Anreicherung von biologisch schwer abbaubaren Stoffen, die nach und nach zu einer schweren Schädigung von Mensch und Umwelt führen können. Diese biologisch schwer abbaubaren Stoffe werden in Industrieprozessen sowie in Endprodukten bspw. als Lösungsmittel oder Zusatzstoffe verwendet.
Dimethylether fällt bspw. in der chemischen Industrie als Nebenprodukt bei der Herstellung von Methanol an. Des weiteren wird Dimethylether bei der Herstellung von künstlichem Kautschuk und als Methylierungsmittel bei der Herstellung von Dimethylsulfat verwendet. Ebenfalls findet Dimethylether als Extraktionsmittel, Kühlmittel und Treibgas für Aerosole technischen Einsatz.
Bei Kraftstoffen wird heutzutage anstelle der früher verwendeten Bleialkylverbindungen Methyl-tert.-butylether (MTBE) als Antiklopfmittel zugesetzt. In der Atmosphäre wird MTBE rasch abgebaut. Im Grundwasser und im Boden erfolgt jedoch nahezu kein Abbau. MTBE wird hauptsächlich den Superbenzinen zugesetzt.
Die Sorte Super-Plus-Benzin enthielt im Jahre 1996 durchschnittlich ca. 6 Vol.-% MTBE. Der Gesamtverbrauch an MTBE in Deutschland ist in den letzten Jahren relativ konstant und betrug 1999 nach Schätzung des Umweltbundesamtes in Berlin, Deutschland, ca. 500.000 Tonnen.
Obgleich MTBE relativ ungiftig ist, besitzt MTBE ein hohes Gewässergefährdungspotential. Aufgrund der guten Mischbarkeit von MTBE mit Wasser und bei gleichzeitig sehr geringer Bindungstendenz an Bodenteilchen ist MTBE im Untergrund sehr mobil. Neben einer geringen biologischen Abbaubarkeit ist MTBE nachteiligerweise sehr geruchsintensiv. Trinkwasser mit mehr als etwa 0,02 bis 0,04 mg MTBE/l Trinkwasser ist aufgrund des intensiven Geruchs für den menschlichen Genuß nicht mehr geeignet, auch wenn bei diesem Grenzwert die Vergiftungschwelle noch nicht erreicht ist.
Das MTBE wird zum Teil an Tankstellen als auch von den Kraftfahrzeugen im unverbrannten Kraftstoffanteil in die Umwelt abgegeben. Bei höheren Konzentrationen, wie sie bspw. in Raffinerien auftreten, kann MTBE bei Menschen, bspw. bei Raffineriearbeitern, zu Kopfschmerzen, Schwindel, Augenreizung, Nasen- und Rachenbrennen sowie Übelkeit führen.
Neben den vorstehend genannten organischen Stoffen, Dimethylether und Methyl-tert.-butylether, gibt es eine große Anzahl weiterer organisch-chemischer Verbindungen, die in die Umwelt und mithin in das Trink- bzw. Grundwasser eingetragen werden und sich dort sukzessive anreichern. Da bei der Abwasser- oder Trinkwasseraufbereitung große Volumina an Abwasser bzw. Trinkwasser aufbereitet werden müssen, kommen als Aufbereitungsverfahren nur Verfahren in Frage, die einen äußerst großen Volumendurchsatz erlauben.

In der DE 100 30 241 A1 wird vorgeschlagen, schadstoffbelastetes Wasser in einem Mischfeld kavitativ zu beanspruchen. Das Kavitationsfeld soll dabei einerseits eine intensive Homogenisierung des schadstoffbelasteten Wassers und zum anderen homogen verteilte Hydroxylradikale erzeugen, die das Aufbrechen organischer Verbindungen bewirken. Die DE 100 30 241 A1 offenbart jedoch weder ein konkretes Verfahren noch eine Vorrichtung, mit der große Volumina schadstoffbelastetes Abwasser behandelt werden könnten.

Die US 5,326,468 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufbereitung von mit Kohlenwasserstoffen verunreinigtem Abwasser. Das Abwasser wird gemäß der Lehre der US 5,326,468 nach einer Vorbehandlung zunächst durch eine Kavitationsdüse und nachfolgend durch einen Reaktor mit hochenergetischer UV-Lichteinstrahlung geleitet. Das hochenergetische UV-Licht wird durch eine Xenon-Blitzlampe erzeugt, das ein Spektrum von 185 bis 330 nm besitzt. Anstelle der Xenon-Blitzlampe kann auch eine Quecksilberlampe verwendet werden. Des weiteren wird gemäß der Lehre der US 5,326,468 neben hochenergetischem UV-Licht auch zusätzlich Wasserstoffperoxid eingesetzt, um einen Abbau der Kohlenwasserstoffverunreinigungen im Abwasser bewirken zu können. Die aus der US 5,326,468 bekannte Vorrichtung bzw. das entsprechende Verfahren sind nachteilig, da neben der Kavitationserzeugung zusätzlich hochenergetisches UV-Licht eingestrahlt sowie Wasserstoffperoxid zugegeben werden muss, um einen wirksamen Abbau der Schadstoffe im Abwasser bewirken zu können. Damit ist das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß der US 5,326,468 komplex und stark regelungsbedürftig.

Die US 5,393,417 offenbart eine geregelte Vorrichtung zur Wasseraufbereitung, bei der durch Kavitation chemische Reaktionen induziert werden, die in einem nach einer Kavitationsdüse angeordneten Verweil- und Einwirkungsbehälter ablaufen.

Es besteht mithin ein Bedarf, die Wasseraufbereitung mit einer apparativ einfachen und mithin störungsunanfälligen Vorrichtung bei gleichzeitig niedrigen Energiekosten durchführen zu können.

Aus der US 6,200,486 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der das Abwasser in einem Kavitationsreaktor behandelt wird. Gemäß der Lehre der US 6,200,486 B1 werden eine erste und eine zweite Scherzone erzeugt. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird hinter den Düsen ein Prallblech angeordnet. Nachteilig ist, daß die erzeugte Kavitation unmittelbar nach Durchtritt durch die Düse wieder zusammenbricht. Eine effektive Behandlung von schadstoffbelastetem Abwasser ist mithin nicht möglich.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es mithin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung, das bzw. die in konstruktiver und regelungstechnischer Hinsicht einfach ist und eine wirksame Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser bei geringem Energieeintrag ermöglicht, bereitzustellen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 20 angegeben.

Die nachstehend im Hinblick auf das Verfahren gegebenen Erläuterungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Unter dem Begriff „schadstoffbelastetes Wasser" wird im Sinne der Erfindung jegliche Wasserqualität verstanden, bei der das Wasser einer Aufbereitung unterzogen werden muß. Insbesondere werden erfindungsgemäß unter dem Begriff „schadstoffbelastetes Wasser" Abwasser, Rohwasser, Industriebabwässer, wie bspw. industrielles Prozeßwasser oder Raffinierieabwässer, und noch aufzubereitendes Trinkwasser verstanden. Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Begriff „schadstoffbelastetes Wasser" verwendet.

Unter dem Begriff „Schadstoffe" werden im Sinne der Erfindung sowohl anorganische als auch organische Schadstoffe verstanden.

Organische Schadstoffe sind insbesondere aliphatisch und/oder aromatische Substanzen oder enthalten diese.

Unter anorganischen Schadstoffen werden mithin Textilfarbstoffe wie Reaktiv-, Direkt-, Küpen-, Schwefel-, Dispersion-, kationische und Kupplungsfarbstoffe bspw. Azofarbstoffe, verstanden. Die mit Textilfarbstoffen verschmutzten Abwässer stellen bei der herkömmlichen Abwasseraufbereitung ein Problem dar.

Unter organischen Schadstoffen werden insbesondere biologisch wirksame Stoffe, wie Arzneimittel oder Arzneimittelrückstände verstanden. Arzneimittel oder Arzneimittelrückstände im Abwasser, Rohwasser oder Trinkwasser stellen ein sehr großes Problem dar, da sie bei Aufnahme in den menschlichen oder tierischen Körper nach wie vor ihre physiologische Wirkung entfalten. Im Falle von Antibiotika können somit bei Mensch und Tier unerwünschte Antibiotika-Resistenzen erzeugt werden.

Anorganische Schadstoffe sind insbesondere unerwünschte Mineralstoffe wie anorganische Eisenverbindungen, bspw. Eisenoxide, anorganische Manganverbindungen oder Calciumverbindungen. Bei der Trinkwasseraufbereitung wird mithin eine Enteisenung, Entmanganung bzw. Entkalkung durchgeführt.

Vorzugsweise werden die im Wasser enthaltenen Schadstoffe zu unschädlichen Stoffen bzw. Verbindungen abgebaut oder umgesetzt. In der Regel erfolgt unter den erzeugten Bedingungen ein oxidativer Abbau bzw. eine oxidative Umsetzung der Schadstoffe, wobei unschädlichere bzw. unschädliche Oxidationsprodukte erhalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Aufbereitung von schadstoffbelastetem Wasser, das in großen Volumina anfällt. Somit kann die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise in Kläranlagen, Trinkwasser-, Rohwasser-, Prozeßwasser- oder Abwasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden, bei denen täglich bspw. mehrere 100 bis mehrere 1000 m³ an Abwasser aufbereitet werden müssen.

Vorteilhafterweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kavitation zeitlich und räumlich aufrechterhalten werden und somit der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne weiteres und in gewünschter Weise erhöht werden.

Vorteilhafterweise wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren ein wirksamer Abbau von Schadstoffen bzw. eine effiziente Aufbreitung von schadstoffbelastetem Wasser ohne Einstrahlung zusätzliche Energie, bspw. in Form von hochenergetischer UV-Strahlung, erreicht. Darüber hinaus ist auch keine thermische Behandlung, d.h. keine Erwärmung des schadstoffbelasteten Wassers erforderlich. Ebenfalls ist es bei dem vorliegenden Verfahren nicht erforderlich, Radikalbildner oder Peroxide, bspw. Wasserstoffperoxid, zuzusetzen, um einen wirksamen Abbau von Schadstoffen im Wasser zu erreichen. Es ist bevorzugt, daß dem schadstoffbelasteten Wasser kein separates Oxidationsmittel wie bspw. Wasserstoffperoxid und kein separater Radikalbildner zugesetzt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entstehung der Kavitation steuerbar, in dem der Innendurchmesser der Rohrleitung so gewählt wird, daß der Innendurchmesser an der Verengung am geringsten ist und der Innendurchmesser der Rohrleitung anströmseitig vor der Verengung des Innendurchmesser größer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung abströmseitig nach der Verengung.

Weiterhin ist erfindungsgemäß die Dauer der Kavitation über die Länge der abströmseitigen nach der Verengung angeordneten Rohrleitung steuerbar.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die im schadstoffbelasteten Wasser bei Durchtritt durch die Verengung erzeugte Kavitation in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung aufrechterhalten. Über den Innendurchmesser der nachgeordneten Rohrleitung und/oder über die Länge der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung, kann die Aufrechterhaltung bzw. die Dauer der Kavitation gesteuert und mithin der Wirkungsgrad der Vorrichtung bzw. des Verfahren erhöht werden. D.h., wenn die nach der Verengung angeordnete Rohrleitung verlängert wird, verlängert sich auch die zeitliche und räumliche Einwirkung der Kavitation auf das schadstoffbelastete Wasser.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Verengung in der Rohrleitung variierbar. Bspw. kann die Verengung als solche mechanisch verstellbar sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Verengung auch mit der vor bzw. nach der Verengung angeordneten Rohrleitung lösbar verbunden sein. Das heißt, die Verengung und die Rohrleitungen können sowohl einstückig als auch mehrstückig ausgebildet sein. Es ist mithin möglich, eine Verengung, bspw. eine Düse, entsprechend den äußeren Bedingungen auszuwählen und zwischen den Rohrleitungen anzuordnen.

In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen, bspw. der Leistungsstärke einer zur Förderung des schadstoffbelasteten Wassers durch die Rohrleitung verwendeten Pumpe oder aber auch der in dem schadstoffbelasteten Wasser befindlichen Schadstoffe kann der Innendurchmesser vor und nach der Verengung bzw. der Innendurchmesser der Verengung als auch die Länge der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung entsprechend gewählt und eingestellt werden.

Vorteilhafterweise entstehen durch die erzeugte Kavitation bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weder an der Verengung noch an der in Fließrichtung des schadstoffbelasteten Wassers nachgeordneten Rohrleitung mit gegebenenfalls angeordneten Armaturen Abrasion oder sonstige Schädigungen.

Es wird vermutet, daß die Kavitationsblasen aufgrund eines höheren Drucks an der Wandung des Strömungsrohrs überwiegend in der Mitte des Strömungsrohrs auftreten. Durch eine vorzugsweise geradlinige Strömung entsteht ein konzentrisches Druckpolster an der Wandung des Strömungsrohrs, was verhindert, daß Kavitationsblasen an der Wandung des Strömungsrohrs auftreten. Die in der Mitte der Strömung auftretenden Kavitationsblasen kommen mithin nicht in Kontakt mit der Wandung des Strömungsrohrs und können insoweit auch zu keiner Abrasion führen.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, daß in dem schadstoffbelasteten Wasser mitgeführte oder enthaltene Gasblasen vor dem Einbringen in die Rohrleitung wenigstens teilweise entfernt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das schadstoffbelastete Wasser durch Fördern aus einem getauchten Schacht wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit. Dabei wird vorzugsweise eine Tauchpumpe in dem getauchten Schacht angeordnet, um das schadstoffbelastete Wasser in die Rohrleitung zu fördern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Reynoldszahl des durch die Rohrleitung geführten schadstoffbelasteten Wassers wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000.

Vorzugsweise ist die wenigstens eine Verengung eine Düse. Vorzugsweise weist die Düse die Geometrie einer Lavaldüse auf. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Geometrie einer Lavaldüse sich besonders gut bei der vorliegenden Erfindung eignet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Feststoffmaterial, vorzugsweise wenigstens ein Opfermaterial, in dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich angeordnet oder wird dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich zugesetzt. Das zugesetzte bzw. angeordnete Feststoffmaterial ist dabei vorzugsweise im wesentlichen chemisch inert, d.h. weist keine besondere chemische Reaktivität auf.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Kavitation durch Anordnung wenigstens eines Feststoffmaterials in der erfindungsgemäßen Vorrichtung beeinflußt werden kann.

Bei der Kavitation entstehen Hohlräume bzw. Blasen in einer Flüssigkeit, d.h. vorliegend in dem schadstoffbelasteten Wasser. In diese Hohlräume bzw. Blasen diffundieren die in der Flüssigkeit gelösten Gase hinein. Steigt der Druck in der Flüssigkeit wieder an, kollabieren die Gasblasen durch den äußeren Druck. Während des Blasenkollaps wird der Blaseninhalt so stark komprimiert, daß lokal hohe Drücke, bis zu einigen hundert bar und hohe Temperaturen von mehreren hundert Kelvin erzeugt werden. Bei diesem Vorgang wird das Gas in der Blase ionisiert und es entstehen Radikale. Des weiteren entstehen während des Kollaps der Kavitationsblasen Schockwellen. Falls sich die Kavitationsblasen in der Nähe von festen Oberflächen befinden, tritt ein Flüssigkeitsjet durch die Kavitationsblase hindurch. Diese Flüssigkeitsjets besitzen dann eine Kraft, mit der sie bspw. Partikel von festen Oberflächen ablösen bzw. feste Materialien durch Erosion zerstören.

Erfolgt der Kollaps der Kavitationsblasen in der Flüssigkeit, so entstehen Schockwellen, die symmetrisch nach außen verlaufen und deren Druckstoß einige hundert bar erreichen kann. Eine solcher Kollaps wird im folgenden auch als symmetrischer Kollaps bezeichnet.

Erfolgt der Kollaps der Kavitationsblase jedoch nicht frei in der Flüssigkeit, sondern in der Nähe einer Grenzfläche zu einer Festphase, so verläuft der Kollaps nicht symmetrisch, sondern vielmehr asymmetrisch. Eine solcher Kollaps wird im folgenden auch als asymmetrischer Kollaps bezeichnet. Infolge des gestörten Kollaps wird die Blase deformiert und es kommt zur Ausbildung eines Flüssigkeitsjets. Darüber hinaus bewirkt ein solcher asymmetrischer Kollaps einen verstärkten Flüssigkeitsfluß in der Nähe der Blase. Die Schockwellen und der verstärkte Flüssigkeitsfluß können weiterhin einen starken Scherstreß in der Flüssigkeit verursachen. Die bei einem asymmetrischen Kollaps einer Kavitationsblase lokal an der Spitze eines Flüssigkeitsjets entstehenden Drücke von meheren tausend bar und Temperaturen von mehreren tausend Kelvin liegen somit regelmäßig über denen bei einem symmetrischen Kollaps, so daß die im Wasser enthaltenen Schadstoffe äußerst wirksam zu unschädlicheren bzw. unschädlichen Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt werden.

Über die Anordnung eines Feststoffmateriales in der Kavitationszone oder dem Kavitationsbereich bzw. durch die Zugabe von Feststoffmaterialien in die erfindungsgemäße Vorrichtung, so daß diese in die Kavitationszone bzw. den Kavitationsbereich gelangen, wird die Entstehung asymmetrischer Kavitationsblasen stark begünstigt.

Unter Kavitationszone bzw. Kavitationsbereich wird der Bereich in der stromabwärts nach der Verengung angeordneten Rohrleitung verstanden, in dem die Kavitation entsteht bzw. aufrechterhalten wird.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß durch Induktion von asymmetrisch kollabierenden Kavitationsblasen der Wirkungsgrad bei der Behandlung von mit Schadstoffen belastetem Wasser signifikant erhöht wird. Das in die Kavitationszone bzw. den Kavitationsbereich zugegebene Feststoffmaterial bzw. das in der Kavitationszone oder dem Kavitationsbereich angeordnete Feststoffmaterial ist dabei vorzugsweise ein Opfermaterial, das bei längerer Verwendung erodiert bzw. verbraucht wird.

D.h., im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Opfermaterial" ein Festphasen- oder Feststoffmaterial verstanden, das während des Verfahrens über die Zeit verbraucht wird und in bestimmten Zeitabständen erneuert werden muß.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial partikulär. Dabei kann das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial anorganische Feststoffe, vorzugsweise mineralische Partikel, wie z.B. Sand oder Gesteinspartikel, umfassen. Als Partikel können auch metallische Partikel, wie bspw. Metallspäne, insbesondere Eisenspäne, verwendet werden.

Das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial kann aber auch organische Feststoffe umfassen. Bspw. können Polyethylen- oder Polypropylengranulate verwendet werden. Selbstverständlich können auch andere Kunststoffmaterialien verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Variante werden als organische Feststoffmaterialien recycelte Kunststoffe verwendet. Bspw. können als organische Feststoffmaterialien zerkleinerte bzw. granulierte recycelte Kunststoffe verwendet werden. D.h., das Kunststoffmaterial liegt vorzugsweise in Granulatform vor.

Die Partikelgröße liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 1 μm bis 5 mm, weiter bevorzugt von 10 μm bis 500 μm.

Das partikuläre anorganische oder organische Feststoffmaterial wird dabei vorzugsweise in die vor der Verengung angeordnete Rohrleitung eingebracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das granuläre anorganische oder organische Material beim Fördervorgang des schadstoffbelasteten Wassers in die vor der Verengung angeordnete Rohrleitung eingebracht werden.

Überraschenderweise kommt es zu keiner Erosion der Innenwandung der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung. Es wird vermutet, daß, da die Kavitationsblasen sich in der Mitte der Strömung befinden, eine asymmetrischer Kollaps von Kavitationsblasen auch nur in der Mitte der Strömung induziert werden kann und somit keine Schädigungen an dem Strömungsrohr verursacht werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial abströmseitig nach der Verengung in der Rohrleitung, vorzugsweise im wesentlichen zentrosymmetrisch zur Längsachse der Rohrleitung, angeordnet.

Weiterhin ist es bevorzugt, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial vorzugsweise zur Innenwandung der Rohrleitung beabstandet angeordnet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial faden- oder bandartig, vorzugsweise flexibel, ausgebildet.

Es hat sich gezeigt, daß bspw. Fäden oder Bänder in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung angeordnet werden können, um einen asymmetrischen Kollaps von Kavitationsblasen zu bewirken. Als fadenförmiges oder bandförmiges Feststoffmaterial können flexible oder steife Materialien aus Naturfasern, Metallfasern oder aber auch Kunststoffmaterialien verwendet werden.

Die Anordnung von Kunststoffäden, bspw. Nylonfäden, in der nach der Verengung nachgeordneten Rohrleitung hat zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Verfahrens geführt. Anstelle von Kunststoffäden bzw. -bändern können selbstverständlich auch Fäden oder Bänder aus Naturfasern oder Metallfasern, bspw. Eisen- oder Stahlfasern, verwendet werden. Selbstverständlich können auch Fäden oder Bänder aus mineralische Fasern, bspw. aus Steinwolle, verwendet werden.

Weiterhin ist es bevorzugt, daß das faden- oder bandartige Feststoffmaterial Verdickungen, vorzugsweise knotenartige Verdickungen, aufweist. Die Verdickungen oder Knoten können bspw. in einem Abstand von etwa 1 cm bis etwa 50 cm, vorzugsweise von etwa 5 cm bis etwa 25 cm, weiter vorzugsweise von etwa 10 cm bis etwa 20 cm, vorgesehen sein.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Anordnung von Knoten in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen bei den in der Kavitationszone bzw. im Kavitationsbereich angeordneten Fäden ein asymmetrischer Kollaps von Kavitationsblasen begünstigt wird.

Die Fäden bzw. Bänder sind dabei an oder hinter der Verengung angeordnet und erstrecken sich im vorzugsweise im wesentlichen über die Länge der Kavitationszone bzw. des Kavitationsbereichs in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung. Die Fäden bzw. Bänder sind Opfermaterialien, die nach einer gewissen Betriebsdauer in Abhängigkeit von den äußeren Randbedingungen erneuert werden müssen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Feststoffmaterial als ein in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung angeordnetes Innenrohr ausgebildet, wobei die Außenwandung des Innenrohrs zur Innenwandung der Rohrleitung beabstandet ist.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß ein vorzugsweise konzentrisch in der Rohrleitung angeordnetes Innenrohr zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Aufbereitung von schadstoffbelastetem Wasser führt. Das Innenrohr weist dabei einen solchen Außendurchmesser auf, so daß das Innenrohr in einem geeigneten Abstand zur Innenwandung der Rohrleitung angeordnet werden kann. Die Anordnung kann bspw. über Abstandhalter, die zwischen der Innenwandung der Rohrleitung und der Außenwandung des Innenrohrs angebracht sind, bewirkt werden.

Anstelle des Innenrohrs kann auch ein massiver Stab verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch ein Innenrohr verwendet, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand bei gleichzeitig großer Oberfläche zu erzeugen. Darüber hinaus kann ein Innenrohr sowohl an der Außenseite, d.h. auf der der Innenwandung der Rohrleitung zugewandten Seite des Innenrohrs, als auch in dem Innenbereich des Innenrohrs zu einem asymmetrischen Kollaps von Kavitationsblasen führen.

Um eine gegebenenfalls negative Beeinflussung der Strömung des schadstoffbelasteten Wassers in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung und eine gegebenenfalls auftretende Abrasion der Abstandshalter durch Kavitationseinflüsse zu vermeiden, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Innenrohr über eine Halterung, die bspw. nach dem Ende des Kavitationsbereiches in der Rohrleitung, wo der Innendurchmesser so vergrößert ist, daß in diesem Bereich keine Kavitation mehr auftritt, angeordnet ist, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung befestigt.

Es hat sich gezeigt, daß sich insbesondere Innenrohre mit einer rauhen Oberfläche für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders eignen. Es wird vermutet, daß eine rauhe Oberfläche des Innenrohrs den asymmetrischen Kollaps von Kavitationsblasen stark begünstigt.

Die mittlere Rauhtiefe der Oberfläche des Innenrohrs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 μm bis 50 μm, weiter bevorzugt von 3 μm bis 10 μm.

Bspw. kann das Innenrohr aus minderwertigem Stahl oder aus Gußeisen hergestellt sein, die üblicherweise eine geeignete Oberflächenrauheit aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schadstoffe biologisch schwer abbaubare, vorzugsweise in Wasser lösliche oder gelöste, organisch-chemische Substanzen und/oder anorganische Schadstoffe. Vorzugsweise sind die Schadstoffe aliphatische und/oder aromatische Substanzen bzw. enthalten letztere.

Es ist nicht erforderlich, daß die Schadstoffe in dem Wasser gelöst sein müssen. Die Schadstoffe können mit dem Wasser auch eine Emulsion bilden bzw. im Wasser als getrennte Flüssigphase vorliegen. Durch die turbulenten Strömungsverhältnisse in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt eine ausreichende Durchmischung der Phasen, so daß ein wirksamer Abbau der Schadstoffe auch dann erfolgen kann, wenn diese in einer getrennten Flüssigphase vorliegen sollten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Schadstoffe Methyl-tert.-butylether (MTBE) oder sind MTBE.

Die Schadstoffe können aber auch mono- und/oder polyhalogenierte aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nunmehr möglich – ohne zusätzliche Einstrahlung von Energie, bspw. in Form von hochenergetischer UV-Strahlung, und ohne Zusatz von chemisch reaktiven Komponenten, wie bspw. Radikalbildner, Peroxid, etc. – im Wasser enthaltene biologisch schwer abbaubare Schadstoffe, insbesondere MTBE oder halogenierte und/oder nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffe, wirksam und mit vergleichsweise geringem Energieaufwand bzw. -eintrag abzubauen. Als sehr geeignet hat sich das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Aufarbeitung von mit Arzneimitteln, Arzneimittelrückständen oder Textilfarbstoffen belastetem Wasser erwiesen.

Vorteilhafterweise ist das Verfahren als kontinuierliches Verfahren ausgebildet, das einen hohen Volumendurchsatz an zu behandelndem schadstoffbelasteten Wasser erlaubt. Das Verfahren kann des weiteren auch als Kreisprozess ausgebildet werden, wobei das schadstoffbelastete Wasser mehrfach durch die erfindungsgemäße Vorrichtung geführt wird, bis der gewünschte Abbau der Schadstoffe erfolgt ist.

Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein vollständiger bzw. im wesentlichen vollständiger Schadstoffabbau, bspw. von mehr als 70 %, vorzugsweise von mehr als 90 %, weiter bevorzugt von mehr als 95 %, äußerst bevorzugt von mehr als 98 %.

Der spezifische Energieeintrag pro Kubikmeter schadstoffbelastetem Wasser ist, verglichen mit herkömmlichen Behandlungsverfahren, gering und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 Wh/m³ bis 2000 Wh/m³, weiter bevorzugt von 20 Wh/m³ bis 1000 Wh/m³, äußerst bevorzugt von 50 bis 500 Wh/m³. Somit stellt das erfindungsgemäße Verfahren ein einfaches, wirksames und energiesparendes Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in Wasser bereit.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des weiteren durch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser gelöst, wobei die Vorrichtung eine wenigstens eine Verengung aufweisende Rohrleitung und eine Einrichtung zum Fördern von schadstoffbelastetem Wasser durch die Rohrleitung aufweist, so daß die Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser unter Einwirkung von Kavitation erfolgt, wobei in der Rohrleitung wenigstens ein Feststoffmaterial zusätzlich vorgesehen ist.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 22 bis 46 angegeben.

Die vorstehend im Hinblick auf das Verfahren gegebenen Erläuterungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Zusätzlich werden noch folgende Erläuterungen gegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Innendurchmesser an der Rohrleitung an der Verengung am geringsten und der Innendurchmesser der Rohrleitung anströmseitig vor der Verengung größer als der Innendurchmesser der Rohrleitung abströmseitig nach der Verengung. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis des Innendurchmessers der Rohrleitung vor der Verengung und des Innendurchmesser der Rohrleitung nach der Verengung etwa 5:1 bis etwa 1,2:1 beträgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis etwa 3:1 bis etwa 1,5:1, bevorzugt 2:1.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Verhältnis des Innendurchmessers der Rohrleitung vor der Verengung und des Innendurchmessers der Rohrleitung nach der Verengung auch 1:1 betragen kann. Im letzteren Fall ist der Energieeintrag durch die Fördereinrichtung, bspw. eine Pumpe, zum Fördern des schadstoffbelasteten Wassers durch die Rohrleitung zu erhöhen.

Anders ausgedrückt, der Energieeintrag durch die Fördereinrichtung bzw. Pumpe kann geringer sein, wenn der Innendurchmesser der Rohrleitung nach der Verengung geringer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung vor der Verengung.

Es ist bevorzugt, daß die wenigstens eine Verengung einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfaßt, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist.

Vorzugsweise ist die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die geometrische Ausgestaltung der Verengung oder Düse nicht symmetrisch zu dem Abschnitt mit dem geringsten Innendurchmesser der Verengung oder der Düse ist. Bei asymmetrischer Ausgestaltung der Verengung bzw. der Düse kann die gewünschte Kavitation so eingestellt werden, daß ein möglichst wirkungsvoller Abbau von Schadstoffen im Wasser erfolgt. Insbesondere läßt sich über den Austrittswinkel der Düse die Länge der nachfolgenden Kavitationsbildung und mithin die Einwirkdauer der Kavitation auf das schadstoffbelastete Wasser steuern. Insbesondere eignet sich eine Verengung oder Düse, die die Geometrie einer Lavaldüse aufweist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist abströmseitig nach der Verengung in der Rohrleitung eine Drossel angeordnet. Über die Drossel ist eine Steuerung der Aufrechterhaltung der Kavitation in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung möglich. Die Drossel kann im einfachsten Fall als Schieber oder als Drosselklappe ausgebildet sein. Über die Drossel können die Druckverhältnisse in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung und mithin die Aufrechterhaltung der Kavitation beeinflußt werden.

Vorteilhafterweise ist die Länge der abströmseitig nach der Verengung angeordneten Rohrleitung variabel einstellbar. Die Länge der Rohrleitung kann bspw. durch einfache Anordnung von Anschlußrohrleitungsstücken verlängert werden. Es ist aber auch möglich, die nach der Verengung angeordnete Rohrleitung teleskopartig auszubilden. Die Länge der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung kann mithin entsprechend den äußeren Bedingungen eingestellt werden.

Vor der Verengung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Konfusor angeordnet sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist nach der Verengung ein Diffusor angeordnet.

Bei einer weiteren geeigneten Ausführungsform ist abströmseitig von der Verengung, jedoch vorzugsweise vor der Drossel, ein Diffusor angeordnet.

Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Fördern des schadstoffbelasteten Wassers eine Pumpe. Als sehr geeignet hat sich hierbei eine Tauchmotorpumpe erwiesen. Selbstverständlich können aber auch andere Pumpen verwendet werden.

Weiterhin ist bevorzugt, daß in der Vorrichtung ein zusätzliches Feststoffmaterial vorgesehen ist, das vorzugsweise ein Opfermaterial ist.

Zur Vermeidung von Wiederholungen wird entsprechend auf die Ausführungen, die weiter oben in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren gegeben wurden, vollständig verwiesen. D.h., die Ausführungen zur Verwendung von zusätzlichem Feststoffmaterial, das bspw. partikulär oder aber auch als Innenrohr ausgebildet sein kann, gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Zur Einbringung von partikulärem Feststoffmaterial ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Vorrichtung vorgesehen, die anströmseitig partikuläres Feststoffmaterial dem Rohrleitungssystem zuführt. Abströmseitig von der Vorrichtung kann eine Abtrennungseinrichtung, bspw. ein Filtersystem vorgesehen sein. Selbstverständlich können auch andere Abtrennungssysteme verwendet werden, bspw. ein System, bei dem die Abtrennung von behandeltem schadstoffbelastetem Wasser und partikulärem Feststoffmaterial durch Sedimentation des partikulären Feststoffmaterials erfolgt. Das abgetrennte partikuläre Feststoffmaterial kann dann zur Einbringungs- oder Zuführungseinrichtung zurückgeführt, bspw. zurückgepumpt, werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 bis 6 weiter veranschaulicht. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Implosionsvorganges einer Kavitationsblase,
2 eine Photographie einer kollabierenden Kavitationsblase,
3 eine Photographie und eine schematische Darstellung einer asymmetrisch kollabierenden Kavitationsblase,
4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 eine schematische Darstellung einer in einem getauchten Schacht angeordneten Pumpe,
7 eine Darstellung eines in einer Rohrleitung anzuordnenden Innenrohrs mit Abstandhalter,
8 eine Darstellung eines in einer Rohrleitung anzuordnenden Innenrohrs mit Flanschbefestigung,
9 eine Darstellung über den Abbau von MTBE mit und ohne Verwendung eines Opfermaterials.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Implosionsvorgangs einer Kavitationsblase. In der Darstellung ist zu sehen, wie eine zunächst im wesentlichen kugelförmige Kavitationsblase zentral kollabiert unter Ausbildung einer ringartigen Struktur, wobei lokal Drücke von mehreren hundert bar und Temperaturen von mehreren hundert Kelvin erzeugt werden.
2 zeigt eine Photographie einer kollabierenden Kavitationsblase, die in etwa der dritten Abbildung der schematischen Darstellung in 1 entspricht.
In 3 ist eine asymmetrisch kollabierende Kavitationsblase sowohl als Photographie als auch in schematischer Darstellung gezeigt. An der Spitze des entstehenden Mikrojets kommt es zu noch höheren Drücken von mehreren tausend bar und Temperaturen von mehreren tausend Kelvin als bei symmetrisch kollabierenden Kavitationsblasen. Die punktuell erzeugten hohen Energien führen dann zu einem effektiven Abbau von Schadstoffen, insbesondere von halogenierten oder nicht-halogenierten Kohlenwasserstoff-haltigen Schadstoffen, im Wasser.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Pumpe (1) fördert schadstoffhaltiges Wasser über eine Rohrleitung (2) durch eine Düse (3) in eine Rohrleitung (4). In der Rohrleitung (4) kann eine Drossel (5) vorgesehen sein. Das behandelte schadstoffbelastete Wasser bzw. aufbereitete Wasser gelangt nachfolgend aus der Rohrleitung (4) über eine Abgabevorrichtung (6) bspw. zurück in ein Entnahmebecken. Selbstverständlich kann das behandelte schadstoffbelastete Wasser bzw. aufbereitete Wasser über die Abgabevorrichtung (6) auch in ein anderes Auffangbecken abgegeben werden. Sowohl in der Düse (3) sind bei dieser beispielhaften Ausführungsform partikuläre Feststoffmaterialien (7) als auch in der Rohrleitung (4) (nicht gezeigt) angeordnet. Anstelle der partikulären Feststoffmaterialien (7) kann bspw. auch ein Innenrohr in der nach der Düse (3) angeordneten Rohrleitung (4) vorgesehen sein (siehe auch 7 oder 8).
Die Pumpe (1) kann sowohl vor der Düse (3) als auch nach der Düse (3) in der Rohrleitung (2) oder (4) angeordnet sein. Die Rohrleitung (2) weist einen Innendurchmesser auf, der bevorzugt größer als der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) ist, wobei der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) größer als der geringste Innendurchmesser der Düse (3) ist.
Als Pumpe (1) kann jede Abwasserpumpe oder andere geeignete Wasserpumpe verwendet werden. Die von der Düse (3) abströmseitig angeordnete Rohrleitung (4) bewirkt aufgrund des in bezug auf die anströmseitig zur Düse (3) angeordnete Rohrleitung (2) verringerten Innendurchmessers eine verlängerte Einwirkdauer der in der Düse (3) erzeugten Kavitation auf das schadstoffbelastete Wasser. Die Länge der Rohrleitung (4) kann in Abhängigkeit von der gewünschten Einwirkdauer der Kavitation eingestellt werden. Bspw. kann die Länge der Rohrleitung (4) variabel einstellbar sein.
Weiterhin kann die Entstehung von Kavitationsblasen bzw. die Aufrechterhaltung von Kavitationsblasen auch durch den durch die Drossel (5) einstellbaren Druck in der Rohrleitung (4) gesteuert werden. Die Abgabevorrichtung (6) kann bspw. als Sprühdüse ausgebildet sein. Eine Abgabeeinrichtung ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Vor der Düse (3) kann ein Konfusor angeordnet sein, der den Innendurchmesser der das schadstoffbelastete Wasser zuführenden Rohrleitung (2), d.h. der zur Düse anströmseitig angeordneten Rohrleitung (2), reduziert. Hierdurch wird der Übergang zwischen zuführender Rohrleitung (2) und Düse (3) verbessert.
Weiterhin ist es bevorzugt, zwischen Düse (3) und Drossel (5) einen Diffusor anzuordnen, der den Innendurchmesser der von der Düse (3) abströmseitig angeordneten Rohrleitung (4) erweitert. Durch die Erweiterung des Innendurchmessers der Rohrleitung (4) wird der Druck in dem schadstoffbelasteten Wasser erhöht und die Kavitation beendet.
Dadurch kann ein Einwirken von Kavitation, d.h. ein Auftreffen von Kavitationsblasen auf die Drossel (5) und mithin Schaden bspw. Abrasion an der Drossel (5) bspw. der Drosselklappe zuverlässig verhindert werden.
Bevorzugt wird der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) nach dem Diffusor auf einen Innendurchmesser erweitert, der in etwa dem Innendurchmesser der anströmseitig zur Düse (3) angeordneten Rohrleitung (2) entspricht.
Über die Länge der Rohrleitung (4) mit reduziertem Innendurchmesser zwischen Düse (3) und Diffusor kann die Dauer der Kavitation und damit die Einwirkdauer der Kavitation gesteuert werden. Die Länge der Rohrleitung (4) zwischen Düse (3) und Diffusor kann veränderbar ausgestaltet sein, bspw. teleskopartig ausgebildet sein.
Grundsätzlich ist es auch möglich, mehrere Düsen (3) bspw. zwei oder drei Düsen in einem Rohrleitungssystem hintereinander oder parallel zueinander anzuordnen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Abbau von Schadstoffen bspw. Kohlenwasserstoffen im Wasser durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bereits mit einer Düse (3) erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in konstruktiver Hinsicht überraschend einfach. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich mithin äußerst vorteilhaft für einen im wesentlichen wartungsfreien und mithin kostengünstigen Betrieb. Vorteilhaft wird für den Betrieb kein geschultes Personal benötigt. Insofern kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft sowohl bei großen als auch bei kleinen Trinkwasser-, Prozeßwasser- oder Abwasseraufbereitungsanlagen, bspw. Kläranlagen, verwendet werden.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die weitgehend der in der vorstehenden 4 beschriebenen Vorrichtung entspricht. Im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß 4 ist die Pumpe (1) mit einem Vorlagebehälter (9) verbunden, in dem partikuläres Feststoffmaterial (7), bspw. Sand, bevorratet ist. Das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gepumpte schadstoffbelastete Wasser wird in den Vorlagebehälter (9) über einen Zulauf (12) eingeleitet, wobei das partikuläre Feststoffmaterial (7), bspw. Sand, suspendiert wird. Der Sand wird dann mit dem schadstoffbelasteten Wasser von der Pumpe (1) durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gepumpt, wobei sich Sand und schadstoffbelastetes Wasser innerhalb weniger Minuten gleichmäßig miteinander vermischen unter Ausbildung einer nahezu homogenen Suspension. Das Verfahren kann dann solange im Kreis gefahren werden, bis die in dem Wasser befindlichen Schadstoffe auf ein vorgegebenes bzw. gewünschtes Niveau abgesenkt sind. Dabei wird das schadstoffbelastete Wasser über eine nach der Drossel (5) angeordnete Rohrleitung (11) in den Vorlagebehälter (9) zurückgeführt. Das aufbereitete Wasser kann dann bspw. nach Sedimentation des partikulären Feststoffmaterials (7) aus dem Überstand über den Ablauf (10) abgezogen werden. Noch zu behandelndes schadstoffbelastetes Wasser kann wieder über den Zulauf (12) dem Vorlagebehälter (9) zugeführt werden.
6 zeigt eine in einem unter der Oberfläche des schadstoffbelasteten Wassers angeordneten Schacht (8) angeordnete Tauchpumpe (1). Der Schacht (8) wird im Sinne der Erfindung als getauchter Schacht (8) bezeichnet. In dem getauchten Schacht (8) ist eine Tauchpumpe (1) angeordnet, die das schadstoffbelastete Wasser in die Rohrleitung (2) fördert. Zwischen der Tauchpumpe (1) und den Innenwandungen des getauchten Schachts (8) bildet sich eine Entgasungszone aus. In der Entgasungszone werden zumindest teilweise in dem schadstoffbelasteten Wasser mitgeführte oder enthaltene Gasblasen abgetrennt und freigesetzt, die durch den in Richtung zur Oberfläche offenen Schacht entweichen, was die Kavitationsbildung in der Verengung oder Düse begünstigt.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Innenrohrs (13), das Abstandshalter (14) aufweist. In 7 sind die auf der Rückseite des Innenrohrs (13) angeordneten Abstandshalter (14) verdeckt und mithin nicht zu sehen. Die Abstandshalter (14) sind entlang des Umfangs des Innenrohrs (13) vorzugsweise äquidistant angeordnet, so daß bspw. wie bei der dargestellten Ausführungsform zwischen den Abstandshaltern (14) ein Winkel von jeweils 120° eingeschlossen wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, vier oder fünf Abstandshalter (14) entlang des Umfangs des Innenrohrs (13) anzuordnen, wobei dann zwischen den Abstandshaltern jeweils ein Winkel von 90° bzw. von 72° eingeschlossen wird. Entlang der Längserstreckung des Innenrohrs sind wenigstens zwei Sätze von solchen Abstandshaltern (14) entlang des Umfangs des Innenrohrs (13) angeordnet. In Abhängigkeit von der Länge des Innenrohrs (13) können aber auch 3, 4 oder mehr solcher Sätze an Abstandshaltern (14) entlang des Innenrohrs (13) angeordnet sein. Die verschiedenen Sätze an Abstandshaltern (14) können in Richtung der Längsachse des Innenrohrs (13) miteinander fluchten oder aber auch zueinander versetzt sein. Das mit den Abstandshaltern (14) versehene Innenrohr (13) kann dann in der der Verengung bzw. Düse (3) nachgeordneten Rohrleitung (4) angeordnet sein. Bspw. kann das mit Abstandshaltern (14) versehene Innenrohr (13) in die Rohrleitung (4) einschiebbar ausgestaltet sein.
8 zeigt eine weitere Möglichkeit, das Innenrohr (13) in der Rohrleitung (4) anzuordnen. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform weist das Innenrohr (13) an dem der Düse (3) abgewandten Ende der Rohrleitung (4) eine Flanschverbindung (15) auf, die über Befestigungselemente (16) mit dem Innenrohr (13) verbunden ist. Über die Flanschverbindung (15) kann das Innenrohr (13) an der Rohrleitung (4) befestigbar sein. Bspw. kann die Rohrleitung (4) auf dem der Düse (3) abgewandten Ende zur Befestigung eine Gewindeflansch- oder Flanschverbindung (15) aufweisen. Vorzugsweise ist die Flanschverbindung (15) in einem Bereich der Rohrleitung (4) angeordnet, in dem der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) bereits so erweitert ist, daß in diesem Bereich keine Kavitation mehr auftritt. In letzterem Fall wird eine Abrasion der Befestigungselemente (16), die bspw. als Befestigungsschenkel ausgebildet sein können, vermieden. D.h., bei dieser Anordnung ragt das Innenrohr (13) in den Bereich der Rohrleitung (4) hinein, in dem ein asymmetrischer Kollaps von Kavitationsblasen induziert werden soll, wobei die Befestigung jedoch in einem Bereich der Rohrleitung (4) erfolgt, in dem keine Kavitation mehr auftritt.
In 9 sind die Ergebnisse eines Experiments grafisch dargestellt, bei dem der MTBE-Abbau im kavitativen Strömungsfeld mit und ohne Verwendung von Opfermaterial dargestellt ist. Aus der Steigung der Messkurven ist ersichtlich, daß bei Verwendung von Opfermaterial im kavitativen Strömungsfeld ein wesentlich stärkerer Abbau von MTBE erfolgt, verglichen mit einem MTBE-Abbau in einem kavitativen Strömungsfeld ohne Zusatz von Opfermaterial. Wie aus dem MTBE-Abbau im kavitativen Strömungsfeld unter Verwendung von Opfermaterial ersichtlich ist, wurde bei dem vorliegenden Experiment etwa die 1,4-fache Konzentration an MTBE über einen 60-minütigen Behandlungszeitraum auf etwa die gleiche Endkonzentration abgebaut wie bei einer Behandlung ohne Verwendung von Opfermaterial im kavitativen Strömungsfeld. Dies zeigt deutlich die signifikante Verbesserung des Abbaus eines biologisch äußerst schwer abbaubaren Schadstoffes, nämlich von MTBE, in Wasser.
Das MTBE-belastete Wasser wurde dabei mit den zum Zeitpunkt t = 0 angegebenen Ausgangskonzentrationen durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gefördert, wobei die zuführende Rohrleitung (2) eine Länge von ca. 50 cm und einen Durchmesser von ca. 50 mm, eine Düse mit einem Durchmesser an der engsten Stelle von ca. 8 mm und die nach der Düse (3) nachgeordnete Rohrleitung (4) eine Länge von ca. 200 cm und einen Durchmesser von ca. 38 mm aufwies. Die Pumpe die das MTBE-belastete Wasser in die Rohrleitung (2) förderte, wies eine Leistung von ca. 2,0 kW auf. Der spezifische Energieeintrag betrug ca. 60 Wh/m³. Als Opfermaterial wurde dabei ein Stahlrohr (ST37) mit einem Durchmesser von 18 mm und mit einer Wandstärke von 2 mm und einer Länge von 100 cm verwendet, wobei das Stahlrohr konzentrisch in der Rohrleitung (4) angeordnet wurde. Das Abwasser wurde dabei analog 5 im Kreis geführt, wobei die Gesamtmenge an MTBE-belastetem Wasser 150 l betrug.

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffbelastete Wasser in einer Rohrleitung (2, 4) und durch wenigstens eine in der Rohrleitung (2, 4) angeordnete Verengung (3) so geführt wird, daß die Fließgeschwindigkeit des schadstoffbelasteten Wassers bei Durchtritt durch die Verengung (3) unter abnehmendem Druck erhöht und in dem schadstoffbelasteten Wasser Kavitation erzeugt wird, wobei die Kavitation in der Rohrleitung (4) steuerbar aufrechterhaltbar ist und so im Wasser enthaltene Schadstoffe ohne Einstrahlung zusätzlicher Energie zu unschädlicheren Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt werden, wobei die Kavitation durch die Druckverhältnisse in der nach der Verengung (3) angeordneten Rohrleitung (4) aufrechterhalten wird und wobei die Dauer der Kavitation über die Länge der abströmseitig nach der Verengung (3) angeordneten Rohrleitung (4) steuerbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entstehung der Kavitation steuerbar ist, indem der Innendurchmesser der Rohrleitung (2, 4) so gewählt wird, daß der Innendurchmesser an der Verengung (3) am geringsten ist und der Innendurchmesser der Rohrleitung (2) abströmseitig vor der Verengung (3) des Innendurchmessers größer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) abströmseitig nach der Verengung (3).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Verengung (3) in der Rohrleitung (2, 4) variierbar ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem schadstoffbelasteten Wasser mitgeführte oder enthaltene Gasblasen vor dem Einbringen in die Rohrleitung (2, 4) wenigstens teilweise entfernt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffbelastete Wasser durch Fördern aus einem getauchten Schacht (8) wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reynoldszahl des durch die Rohrleitung (2, 4) geführten schadstoffbelasteten Wassers wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000, beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verengung (3) eine Düse ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Feststoffmaterial, vorzugsweise wenigstens ein Opfermaterial, in dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich angeordnet oder dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich zugesetzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial partikulär ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial anorganische Feststoffe, vorzugsweise mineralische Partikel wie bspw. Sand oder Gesteinspartikel, oder metallische Partikel, wie bspw. Metallspäne, umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial organische Feststoffe, wie bspw. Polyethylen- oder Polypropylengranulate, umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen Feststoffmaterialien recycelte Kunststoffe, vorzugsweise in Granulatform, sind.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial abströmseitig nach der Verengung (3) in der Rohrleitung (4), vorzugsweise im wesentlichen zentrosymmetrisch zur Längsachse der Rohrleitung (4), angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial vorzugsweise zur Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial faden- oder bandartig, vorzugsweise flexibel, ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das faden- oder bandartige Feststoffmaterial Verdickungen, vorzugsweise knotenartige Verdickungen, aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststoffmaterial als ein in der Rohrleitung (4) angeordnetes Innenrohr ausgebildet ist, wobei die Außenwandung des Innenrohrs zur Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe biologisch schwer abbaubare, vorzugsweise in Wasser lösliche oder gelöste, organisch-chemische Substanzen, vorzugsweise aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe, und/oder anorganische Schadstoffe sind oder diese enthalten.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe Methyl-tert.-butylether enthalten.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe mono- und/oder polyhalogenierte aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe sind oder enthalten.
Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine wenigstens eine Verengung (3) aufweisende Rohrleitung (2, 4) und eine Einrichtung (1) zum Fördern von schadstoffbelastetem Wasser durch die Rohrleitung (2, 4) aufweist, so daß die Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser unter Einwirkung von Kavitation erfolgt, wobei in der Rohrleitung (4) wenigstens ein Feststoffmaterial zusätzlich vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Rohrleitung (2, 4) an der Verengung (3) am geringsten ist und der Innendurchmesser der Rohrleitung (2) anströmseitig vor der Verengung (3) größer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) abströmseitig nach der Verengung (3).
Vorrichtung gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Innendurchmessers der Rohrleitung (2) vor der Verengung (3) und des Innendurchmessers der Rohrleitung (4) nach der Verengung (3) etwa 5:1 bis etwa 1,2:1 beträgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis etwa 3:1 bis etwa 1,5:1, bevorzugt 2:1, beträgt
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verengung (3) einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfaßt, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer ist als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß abströmseitig nach der Verengung (3) in der Rohrleitung (4) eine Drossel (5) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der abströmseitig nach der Verengung (3) angeordneten Rohrleitung (4) variabel einstellbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß anströmseitig vor der Verengung (3) ein Konfusor angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung (3) eine Düse ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß abströmseitig von der Verengung (3), bevorzugt vor der Drossel (5), ein Diffusor angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) zum Fördern des schadstoffbelasteten Wassers eine Pumpe ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe in einem getauchten Schacht (8) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial ein Opfermaterial ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial partikulär ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial anorganische Feststoffe, vorzugsweise mineralische Partikel wie bspw. Sand oder Gesteinspartikel, oder metallische Partikel, wie bspw. Metallspäne, umfaßt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das partikuläre Feststoffmaterial organische Feststoffe, wie bspw. Polyethylen- oder Polypropylengranulate, umfaßt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen Feststoffe recycelte Kunststoffe, vorzugsweise in Granulatform sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung anströmseitig eine Einrichtung zur Einbringung des wenigstens einen partikulären Feststoffmaterials in die Rohrleitung (2, 4) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung abströmseitig von der Rohrleitung (4) eine Einrichtung zur Abtrennung des wenigstens einen partikulären Feststoffmaterials von dem behandelten schadstoffbelasteten Wasser aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Rückführung des abgetrennten partikulären Feststoffmaterials zur Einbringungseinrichtung aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial abströmseitig nach der Verengung (3) in der Rohrleitung (4), vorzugsweise im wesentlichen zentrosymmetrisch zur Längsachse der Rohrleitung (4), angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial zur Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial faden- oder bandartig, vorzugsweise flexibel, ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, daß das faden- oder bandartige Feststoffmaterial Verdickungen, vorzugsweise knotenartige Verdickungen, aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial als ein in der Rohrleitung (4) angeordnetes Innenrohr ausgebildet ist, wobei die Außenwandung des Innenrohrs zur Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet ist.