DE102005049743A1

DE102005049743A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwässern, insbesondere aus gentechnischen Laboren

Info

Publication number: DE102005049743A1
Application number: DE200510049743
Authority: DE
Inventors: Jürgen Veth; Rudolf Zocher
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-04-19

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwässern, insbesondere aus gentechnischen Laboren, werden die Abwässer (8) durch einen Reaktor (9) gefördert, in dem sie mit Ozon (7) in Kontakt gebracht werden. Der Reaktor (9) ist in der Förderrichtung der Abwässer (8) durch mehrere mit Durchtrittslöchern (18) versehene Zwischenwände (17) unterteilt, wobei die Durchtrittslöcher (18) jeweils einen Durchmesser von 0,24 bis 0,75 mm und ein Verhältnis Länge zu Durchmesser von 3 bis 10 aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwässern, insbesondere aus gentechnischen Laboren, mit Ozon, die die Merkmale des Oberbegrifs des Patentanspruchs 1 aufweist.

Die Behandlung von verschiedenen Abwässern mit Ozon ist grundsätzlich bekannt. Dabei kann die Behandlung der Abwässer mit dem Ozon zum Einen zum oxidativen Abtöten von Keimen und zum Anderen zum oxidativen Abbau von chemischen Substanzen dienen, mit denen die Abwässer belastet sind. Eine solche chemische Substanz ist Ethidiumbromid, das als Genmarker eingesetzt wird und das eine erhebliche Verunreinigung von Abwässern aus gentechnischen Laboren darstellt.

Eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwässern mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der DE 100 61 890 A1 bekannt. Ein lang gestreckter, vertikal ausgerichteter Reaktor ist durch Lochböden unterteilt und wird von unten nach oben von einer Flüssigkeit-Gas-Emulsion aus den zu behandelnden Abwässern und dem Ozon durchströmt. In dem Reaktor wird jeglicher Kontakt des Ozons mit Metallflächen vermieden, die als Katalysator für eine Zersetzung des Ozons wirken könnten. Durch die Lochböden wird die Flüssigkeit-Gas-Emulsion in eine Vielzahl von Teilströmen aufgeteilt, um zusätzliche Reaktionsflächen zwischen dem gasförmigen Ozon und den flüssigen Abwässern bereitzustellen. Statt Lochböden können bei der bekannten Vorrichtung auch Gesteinspartikel in den Reaktor eingebracht werden, um die Aufteilung der Flüssigkeit-Gas-Emulsion in eine Vielzahl von Teilströmen zu bewirken. Dem Reaktor ist ein Adsorber für Restozon nachgeschaltet, um aus dem Reaktor austretendes Ozon von den behandelten Abwässern abzufiltern. Die bekannte Vorrichtung zeichnet sich bezüglich des Reaktors durch große Abmessungen aus. Obwohl sie für den Abbau von Ethidiumbromid und Hydrazin mit Ozon geeignet ist, ist sie daher für den Einsatz am Ort des Entstehens derart belasteter Abwässer, z.B. innerhalb gentechnischer Labore wenig geeignet. Sie kann sinnvoll nur in separaten Räumen installiert werden.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die einen extrem kompakten Aufbau des Reaktors zulässt, so dass eine vollständige Vorrichtung zur Behandlung von Abwässern mit Ozon beispielsweise in einen Einschub für einen üblichen 19 Zoll Geräteschrank integrierbar ist.

LÖSUNG

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei der neuen Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwässern mit Ozon sind die Durchtrittslöcher in den Zwischenwänden des Reaktors, durch den die Abwässer zusammen mit dem Ozon hindurchgefördert werden, so gestaltet, dass sie jeweils einen Durchmesser von 0,25 bis 0,75 mm und dabei ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 3 bis 10 aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass die Beschleunigung der Reaktion zwischen den Abwässern, d. h. deren interessierenden Inhaltsstoffen, und dem Ozon ganz erheblich von der Ausgestaltung der Durchtrittslöcher in den Zwischenwänden des Reaktors abhängt. Mit den hier definierten Löchern relativ kleinen Durchmessers und vergleichsweise großer Länge wird ein Optimum in Bezug auf die Beschleunigung der Reaktion zwischen den Abwässern und dem Ozon einerseits und der Herstellbarkeit und der Funktionssicherheit der neuen Vorrichtung andererseits erreicht. Wenn die Durchtrittslöcher noch länger als hier angegeben gewählt werden, wird im Vergleich zu dem Aufwand für die Bereitstellung der Löcher und für das Durchpumpen der Abwässer durch die Löcher kein gleichwertiger Vorteil in Bezug auf das Reaktionsergebnis zwischen den Abwässern und dem Ozon mehr erzielt. Dasselbe gilt für Löcher von noch geringerem Durchmesser. In beiden Fällen kommt auch die Gefahr eines Zusetzens der Durchtrittslöcher hinzu. Durch die spezielle Ausbildung der Zwischenwände des Reaktors der neuen Vorrichtung wird der Wirkungsgrad des Reaktors so sehr gesteigert, dass die neue Vorrichtung mit insgesamt sehr kompakten Abmessungen ausgebildet werden kann. Dies gilt insbesondere, wenn die Vorrichtung zusätzlich die im Folgenden erläuterten bevorzugten Merkmale aufweist.

So beträgt der Durchmesser der Durchtrittslöcher in den Zwischenwänden jeweils vorzugsweise 0,40 bis 0,60 mm, d. h. ca. 0,5 mm. Das ideale Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Durchtrittslöcher liegt insbesondere bei einem Durchmesser der Durchtrittslöcher von ca. 0,5 mm zwischen 5 und 7, d. h. bei 6.

Jedes Volumen der Flüssigkeit-Gas-Emulsion aus Abwasser und Ozon tritt durch jede Zwischenwand des Reaktors genau einmal hindurch. Die Anzahl der Zwischenwände bestimmt daher, wie häufig ein solches gedachtes Volumen durch ein Durchtrittsloch mit den erfindungsgemäßen Abmessungen hindurch tritt, und damit, in welchem Umfang die Reaktion des Ozons mit den interessierenden Inhaltsstoffen der Abwässer insgesamt gefördert wird. Eine typische Anzahl der Zwischenwände liegt bei der neuen Vorrichtung im Bereich von 3 bis 10. Bevorzugt sind 5 bis 8 Zwischenwände. Mehr Zwischenwände sind für eine vollständige Reaktion der Abwässer mit dem Ozon überflüssig und erhöhen nur unnötig die Baugröße der neuen Vorrichtung. Bei weniger Zwischenwänden besteht die Gefahr einer unzureichenden Reaktion der Abwässer mit dem Ozon.

Um den Strömungswiderstand der Zwischenwände nicht unnötig groß werden zu lassen, ist es bevorzugt, wenn in jeder Zwischenwand eine sehr große Anzahl von typischerweise 100 bis 500 Durchtrittslöchern vorgesehen ist. Bevorzugt sind etwa 250 bis 450 Durchtrittslöcher. Diese Angaben beziehen sich auf eine Querschnittsfläche des Reaktors von typischerweise 7 bis 30, vorzugsweise 10 bis 16 cm². Dabei wird davon ausgegangen, dass die Querschnittsfläche des Reaktors genauso groß ist wie die Fläche der Zwischenwände, in der die Durchtrittslöcher vorgesehen sind. Bei einem runden Reaktor liegt der typischer Durchmesser zwischen 3 und 6 cm. D. h., der Reaktor ist verglichen mit den Abmessungen eines 19 Zoll Geräteschranks sehr kompakt. Die Gesamtabmessungen der neuen Vorrichtung werden so im Wesentlichen von dem Ozongenerator und nicht mehr von dem Reaktor diktiert.

Die voranstehenden Angaben in Bezug auf die Anzahl der Löcher in den einzelnen Zwischenwänden und auch auf die Querschnittsfläche des Reaktors stehen in Relation zu dem möglichen Durchsatz durch den Reaktor. Mit größer werdender Anzahl der Löcher steigt der mögliche Durchsatz proportional an. Typischerweise liegt der Durchsatz so, dass im Mittel 0,02 bis 0,1 l Abwasser pro Stunde durch jedes Durchtrittsloch jeder Zwischenwand hindurchgefördert werden. Da die Zwischenwände in Reihe geschaltet sind, bedeutet dies, dass bei der Auslegung des Reaktors als Multiplikator nur die Anzahl der Durchtrittslöcher in einer Zwischenwand zu berücksichtigen ist.

Auf den Durchsatz der neuen Vorrichtung ist auch eine Förderpumpe abzustimmen, die das Abwasser mit der Gesamtdurchsatzrate durch den Reaktor hindurchfördert. Die Förderpumpe ist zudem so auszulegen, dass sie den in dem Reaktor durch die Zwischenwände mit den kleinen Löchern bewirkten Strömungswiderstand überwinden kann. Außerdem erhöht ein Überdruck die Löslichkeit des Ozons in den Abwässern. Bevorzugt ist es, wenn die Förderpumpe die Abwässer mit einem Überdruck von 300 bis 1000 hPa gegenüber einem Ablauf des Reaktors in den Reaktor einpumpt.

Bei dem neuen Reaktor können die Zwischenwände, ohne dass dies einen negativen Einfluss auf die Gesamtfunktion des Reaktors hat, vergleichsweise dicht hintereinander angeordnet werden. Der freie Abstand zwischen den Zwischenwänden beträgt typischerweise 5 bis 25 mm. Vorzugsweise liegt er in dem Intervall von 10 bis 20 mm. Hieraus resultiert eine Gesamthöhe des Reaktors in der typischen Größenordnung von knapp 10 bis gut 20 cm, wobei eine Länge von etwa 15 cm bevorzugt ist. Obwohl der neue Reaktor auch horizontal ausgerichtet werden kann, wobei dann die Zwischenwände vertikal ausgerichtet sind, ist es bevorzugt, wenn seine Zwischenwände horizontal ausgerichtet sind und sowohl die Abwässer als auch das Ozon dem Reaktor unterhalb der ersten Zwischenwand zugeführt werden.

In einer besonderen Ausführungsform der neuen Vorrichtung sind die Oberflächen der Zwischenwände des Reaktors insbesondere halbkugel- oder kegelförmige Auswölbungen der Zwischenwände vergrößert. Damit ist es möglich, bei einer gleichen Flächendichte der Durchtrittslöcher in den Zwischenwänden und einer gleichen Querschnittsfläche des Reaktors mehr Durchtrittslöcher in jeder Zwischenwand vorzusehen, um den Durchsatz des Reaktors bei gleich bleibender Qualität der Ozonbehandlung zu steigern.

Auch bei dem Reaktor der neuen Vorrichtung ist es bevorzugt, wenn das Ozon vor seiner Reaktion mit den Abwässern bzw. einem Austritt aus dem Reaktor nicht mit katalytisch wirksamen Oberflächen, wie beispielsweise Edelmetall oder Edelstahl in Kontakt kommt. Der neue Reaktor ist daher vorzugsweise einschließlich der Zwischenwände aus Kunststoff, wie beispielsweise Acryl, ausgebildet. Weiterhin ist es auch bei der neuen Vorrichtung bevorzugt, wenn dem Reaktor eine Einrichtung zum Ozonabbau nachgeschaltet ist. Hierbei kann es sich um einen Katalysator handeln, der das verbliebene Ozon zu Sauerstoff abbaut oder auch ein Absorptionsfilter für das überschüssige Ozon.

Wie bereits im Rahmen der Aufgabe der vorliegenden Erfindung angedeutet wurde, ist diese in einer besonders bevorzugten Ausführungsform innerhalb eines Einschubs für einen Geräteschrank, wie beispielsweise einen üblichen 19 Zoll-Geräteschrank, vorgesehen. Sie kann damit problemlos vor Ort, d. h. am Ort des Entstehens beispielsweise Ethidiumbromid- oder Hydrazin-haltiger Abwässer installiert und zur Anwendung gebracht werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt schematisch den Aufbau der neuen Vorrichtung bei einer in einen Einschub für einen 19 Zoll-Geräteschrank integrierten Ausführungsform.
2 zeigt einen Vertikalschnitt durch den Reaktor der Vorrichtung gemäß 1.
3 zeigt eine mit Durchtrittslöchern versehene Zwischenwand des Reaktors der neuen Vorrichtung in einer zu 2 alternativen Ausführungsform in perspektivischer Ansicht; und
4 zeigt eine mit Durchtrittslöchern versehene Zwischenwand des Reaktors der neuen Vorrichtung in einer weiteren zu 2 alternativen Ausführungsform ebenfalls in einer perspektivischen Ansicht.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung 1 zum Behandeln von Abwässern, insbesondere Ethidiumbromid- oder Hydrazin-haltigen Abwässern, mit Ozon. Die Vorrichtung 1 ist in einen Einschub 2 für einen 19 Zoll-Geräteschrank integriert. Die Ansicht gemäß 1 entspricht einem Blick von oben in den geöffneten Einschub 2. Die senkrecht zu der Zeichenebene von 1 verlaufende Gesamthöhe des Einschubs 2 weist eine typische Größenordnung von 25 cm, d. h. etwa 10 Zoll auf. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Ozongenerator 3, der Ozon aus in Luft enthaltenem Sauerstoff generiert. Das Wirkungsprinzip des Ozongenerators kann beispielsweise auf der Bestrahlung des Sauerstoffs mit ultraviolettem Licht beruhen. Die Luft 4 wird dem Ozongenerator durch einen Kompressor 5 zugeführt, der die Luft 4 über einen Lufteinlass 6 aus der Umgebung der Vorrichtung 1 ansaugt. Alternativ zu dem Kompressor 5 kann der Vorrichtung auch Druckluft aus einem häufig vorhandenen Druckluftsystem zur Verfügung gestellt werden. Das von dem Ozongenerator 3 erzeugte Ozon 7 bzw. die mit Ozon angereicherte Luft, wird unten in einen Reaktor 9 eingeleitet, dem dort gleichzeitig ein Abwasser 8 zugeführt wird. Das Abwasser 8 wird von einer Förderpumpe 10 zusammen mit dem Ozon 7 durch den Reaktor 9 gefördert, wobei an der Förderpumpe 10 ein Einlass 11 für belastetes Abwasser in die Vorrichtung 1 vorgesehen ist. Oben an dem Reaktor 9 ist ein Auslass 14 für das behandelte Abwasser vorgesehen, andererseits tritt. Darüber tritt an der Oberseite des Reaktors 9 Abluft 12 aus dem Generator 9 aus, die noch Restozon enthält. Die Abluft wird in einen Katalysator 13 geleitet, der zum Abbau des Restozons zu Sauerstoff vorgesehen ist. An einem Auslass 19 des Katalysators 13 tritt die von Restozon befreite Abluft aus der Vorrichtung 1 aus.
2 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Reaktors 9 gemäß 1. Über ein Zulaufrohr 15 gelangt das von der hier nicht dargestellten Förderpumpe 10 kommende Abwasser 8 in den unteren Bereich des Reaktors 9. Hier wird dem Reaktor auch das von dem hier ebenfalls nicht dargestellten Ozongenerator 3 kommende Ozon 7 zugeführt. Der Innenraum 16 des Reaktors 9 ist durch eine Mehrzahl von hier sechs Zwischenwänden 17 in der Förderrichtung des Abwassers 8 von unten nach oben durch den Reaktor 9 unterteilt. Jede der Zwischenwände 17 überspannt den gesamten Querschnitt des Reaktorraums 16. Dabei ist jede Zwischenwand 17 mit einer Vielzahl von Durchtrittslöchern 18 versehen, durch die die durch den Reaktorraum 16 strömende Flüssigkeit-Gas-Emulsion aus dem Abwasser 8 und dem Ozon 7 hindurchgedrückt wird. Die Durchtrittslöcher 18 sind dabei so ausgebildet, dass aus der Durchströmung der Durchtrittslöcher 18 in den Zwischenwänden 17 eine maximale Unterstützung der Reaktion zwischen dem Ozon 7 und in dem Abwasser 8 enthaltenen und abzubauenden Substanzen resultiert. Konkret weisen die Zwischenwände 17 bei einem Gesamtdurchsatz des Reaktors 9 von 20 l Abwasser 8 pro Stunde jeweils etwa 300 Löcher mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einer Länge von etwa 3 mm auf. Jeder Volumenanteil des mit Ozon 7 versetzten Abwassers 8 muss durch sechs solcher Durchtrittslöcher 18 hindurch strömen, bevor sich die Flüssigkeit-Gas-Emulsion oben in dem Reaktor 9 auftrennt und das behandelte Abwasser 8 durch den Auslass 14 austritt, während die noch Restozon enthaltende Abluft in den hier nicht dargestellten Katalysator 13 übertritt. An diesem Punkt ist eine vollständige Reaktion des Ozons mit den abzubauenden Substanzen in dem Abwasser 8 erfolgt.
Die in 2 halbkugelförmige Auswölbung der Zwischenwände 17 nach oben vergrößert bei gleichem Durchmesser des Reaktors 9 ihre Oberfläche und erlaubt es daher, eine größere Anzahl an Durchtrittslöchern 18 bei gleicher Lochdichte pro Fläche in den Zwischenwänden 17 vorzusehen. Die Auswölbung der hier halbkugelschalenförmigen Zwischenwände vergrößert zwar die Bauhöhe des Reaktors 9, aber nur einmal, d. h. unabhängig von der Anzahl der hintereinander geschalteten Zwischenwände 17. Der freie Abstand zwischen den Zwischenwänden 17 wird durch Abstandhalter 20 definiert, die jeweils 15 mm hoch sind. hierdurch ergibt sich insgesamt der für die Integration des Reaktors 9 in den Einschub 2 gemäß 9 notwendige kompakte Aufbau.
3 skizziert eine kegelmantelförmig ausgewölbte Zwischenwand 17, bei der die Oberfläche ebenfalls zur möglichen Erhöhung der Anzahl der Durchtrittslöcher 18 vergrößert ist.
In dem Reaktor 9 können aber auch ebene Zwischenwände vorgesehen sein. Eine solche ebene Zwischenwand 17 ist in 4 skizziert. Hier sind auch der Durchmesser 21 und die Länge 22 der Durchtrittslöcher 18 bei jeweils einem Durchtrittsloch 18 exemplarisch eingezeichnet.

1: Vorrichtung
2: Einschub
3: Ozongenerator
4: Luft
5: Kompressor
6: Lufteinlass
7: Ozon
8: Abwasser
9: Reaktor
10: Förderpumpe
11: Einlass
12: Abluft
13: Katalysator
14: Auslass
15: Einlassrohr
16: Innenraum
17: Zwischenwand
18: Durchtrittsloch
19: Luftauslass
20: Abstandhalter
21: Durchmesser
22: Länge

Claims

Vorrichtung zur Aufbereitung von Abwässern, insbesondere aus gentechnischen Laboren, wobei die Abwässer durch einen Reaktor gefördert werden, in dem sie mit Ozon in Kontakt gebracht werden und der in der Förderrichtung der Abwässer durch mehrere mit Durchtrittslöchern versehene Zwischenwände unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittslöcher (18) der Zwischenwände (17) des Reaktors jeweils einen Durchmesser (21) von 0,25 bis 0,75 mm und ein Verhältnis Länge (22) zu Durchmesser (21) von 3 bis 10 aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (21) der Durchtrittslöcher (18) 0,40 bis 0,60 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Länge (22) zu Durchmesser (21) der Durchtrittslöcher (18) 5 bis 7 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 3 bis 10, vorzugsweise 5 bis 8, Zwischenwände (17) hintereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zwischenwand (17) 100 bis 500, vorzugsweise 250 bis 400, Durchtrittslöcher (18) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Reaktors 7 bis 30, vorzugsweise 10 bis 16, Quadratzentimeter beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Förderpumpe (10) vorgesehen ist, die im Mittel 0,02 bis 0,1 Liter Abwasser (8) pro Stunde durch jedes Durchtrittsloch (18) jeder Zwischenwand (17) hindurchfördert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (10) die Abwässer (8) mit einem Überdruck von 300 bis 1000 hPa gegenüber einem Ablauf (19) des Reaktors (9) in den Reaktor (9) einpumpt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwände (17) einen freien Abstand untereinander von 5 bis 25, vorzugsweise 10 bis 20, mm aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenwände (17) horizontal ausgerichtet sind, wobei die Abwässer (8) dem Reaktor (9) zusammen mit dem Ozon (7) unterhalb der ersten Zwischenwand (17) zugeführt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Zwischenwände (17) durch insbesondere halbkugelschalen- oder kegelmantelförmige Auswölbungen der Zwischenwände (17) vergrößert ist.