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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Nassdesinfektion von infiziertem Abwasser, bei dem das Abwasser auf eine Desinfektionstemperatur erhitzt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Für die Einleitung von Abwässern in Gewässer bzw. in die Kanalisation sind hinsichtlich Bakterien, Viren, Prionen oder Protozoen zwar grundsätzlich keine Grenzwerte festgelegt, jedoch sind nach Herkunftsbereichen eine Desinfektion bzw. Sterilisation vorgeschrieben oder empfohlen. Dies betrifft insbesondere gentechnische Anlagen, Tierkörperbeseitigungsanstalten und Gerbereien sowie Krankenhausbereiche.
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Bei einer dafür ausgerichteten Desinfektionsanlage mit Wärmerückführung ist es bekannt, das gesammelte infizierte Abwasser von einem Sammelbehälter zu einem von zwei Chargenbehältern zu pumpen, in dem jeweils abwechselnd eine thermische Desinfektion durch Erhitzen auf eine entsprechende vorgegebene Abtötungstemperatur, üblicherweise bei 121°C durchgeführt wird. Dabei ist es bekannt, eine Wärmeübertragung von den desinfizierten Abwässern aus dem ersten Chargenbehälter zum mit infiziertem Abwasser zu befüllenden zweiten Chargenbehälter oder umgekehrt vorzusehen. Die Verweilzeit in den Chargenbehältern beträgt dabei ca. 15 bis 20 Minuten.
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Nachteilig an dieser Anlage ist, dass zwei zu beheizende und druckfeste Chargenbehälter vorzusehen sind, die zudem mit Armaturen, wie Ventilen und so weiter versehen sind, die im Hochtemperaturbereich liegen. Dies führt zu hohen Investitions-, Wartungs- und Reparaturkosten. Darüber hinaus ist es nachteilig, dass in den Chargenbehältern sich unkontrollierte „kalte Zonen“ an den Behälterflanschen und Ventilhälsen bilden können, die zu einer nicht vollständigen Desinfektion führen könnten bzw. eine deutliche Temperaturüberhöhung bzw. eine längere Verweilzeit zur Erreichung einer vollständigen Keimabtötung bedingen. Ferner ist ein Chargenbetrieb zeitaufwendig und störanfällig und benötigt einen größeren Steueraufwand.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen möglichst kontinuierlich ablaufenden Desinfektionsprozess und -vorrichtung dafür anzugeben, bei dem/der auf aufwendige und störanfällige Installationen und Steuerungsaufwand verzichtet werden kann und gleichwohl eine sehr zuverlässige thermische Desinfektion bei sehr geringem Energieverbrauch möglich ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem thermischen Nassdesinfektionsverfahren gemäß Anspruch 1 und einer thermischen Nassdesinfektionsanlage gemäß Anspruch 6.
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Dadurch, dass kontinuierlich das bereits erhitzte, desinfizierte Abwasser im Gegenstrom von einem zirkulierten Wärmeträgermedium gekühlt, dieses erwärmte Wärmeträgermedium über die erforderliche Desinfektionstemperatur erhitzt und damit im Gegenstrom das zufließende infizierte Abwasser auf die erforderliche Desinfektionstemperatur erhitzt wird, wird das zu desinfizierende Abwasser über das im Gegenstrom zirkulierte Wärmeträgermedium auf die Desinfektionstemperatur erhitzt und somit sicher desinfiziert. Dafür ist ein gesonderter Kreislauf für ein Wärmeträgermedium mit einem ersten Wärmetauscher und einem zweiten Wärmetauscher vorgesehen, wobei eine Heizeinrichtung zum Erhitzen des Wärmeträgermediums stromaufwärtig des ersten Wärmetauschers angeordnet ist, womit das zufließende infizierte Abwasser im Gegenstrom auf die erforderliche Desinfektionstemperatur erhitzt und anschließend das desinfizierte Abwasser im Gegenstrom im zweiten Wärmetauscher abgekühlt wird. Somit gleicht die am gesonderten Kreislauf angeordnete Heizeinrichtung lediglich den durch Wärmeverlust der Anlage und der Temperaturdifferenz am Wärmetauscher eintretende Energiedifferenz aus, so dass durch die im Gegenstrom organisierte Wärmeübertragung, einmal zur Erwärmung des Abwassers und danach zu Abkühlung eine hohe Energieeffizienz aufweist.
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In weiterer vorrichtungsgemäßer Ausgestaltung sind der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher Koaxialwärmetauscher, wobei das Abwasser im inneren Rohr und das Wärmeträgermedium unter höherem Druck als das Abwasser im äußeren Rohr geführt wird. Die Koaxialwärmetauscher, die aus einem innenliegenden Rohr zur Führung der Abwässer und aus einem äußeren koaxial zum inneren Rohr angeordneten Außenrohr zur Führung des Wärmeträgermediums bestehen, weisen sehr glatte Oberflächen und keine Totvolumen auf, so dass sich weder kalte Zonen noch Schmutzablagerungen und somit Quellen von Bakterien, Vieren, Prionen oder dergleichen bilden können. Der Druck im Wärmeträgermedium wird bewusst so hoch gehalten, dass sich einerseits nach den erforderlichen Prozesstemperaturen von bis zu 200°C kein Dampf bildet und zusätzlich der gesonderte Kreislauf für das Wärmeträgermedium eine Art Sicherheitskreislauf ist, da bei einer etwaigen Undichtigkeit zwischen dem, das infizierte Abwasser führenden Innenrohr und dem Außenrohr kein infiziertes Abwasser in das Wärmeträgermedium gelangen kann. Bevorzugt wird der Systemdruck überwacht.
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Um das desinfizierte Abwasser auf die zulässige Einlauftemperatur für die Kanalisation oder die Gewässer gesondert herunterkühlen zu können, wird das im Gegenstrom vom Wärmeträgermedium abgekühlte, desinfizierte Abwasser – wenn notwendig – durch Zumischen von Frischwasser weiter gekühlt.
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Zur Überwachung des Desinfektionsprozesses wird die Temperatur im zu desinfizierenden Abwasser bei dieser Temperatur gemessen und registriert. Dabei wird bevorzugt die Durchflussmenge des Abwassers anhand der gemessenen Temperatur geregelt. Bei einer gemessenen Temperatur unterhalb eines unteren Schwellwertes wird somit die Durchflussmenge durch Verringerung der Pumpleistung (Drehzahl geregelte Pumpe) verringert oder die Temperatur erhöht, um im ersten Wärmetauscher den Wärmeübertrag zu verbessern und folglich die Temperatur des infizierten Abwasser zu erhöhen. Entsprechend kann bei einem Anstieg der Temperatur über einen oberen Schwellenwert die Durchflussmenge erhöht werden, um eine optimale Prozesseffizienz bei ausreichender Verweildauer und Desinfektionstemperatur zu erreichen.
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Bevorzugt sind der erste Wärmetauscher und/oder der zweite Wärmetauscher in mehreren, bevorzugt gleichdimensionierten, Segmenten aufgebaut, wobei jedem Segment ein Temperatursensor und Absperrhähne zugeordnet sind. Damit kann während des Betriebes durch Ablesen der Temperaturen festgestellt werden, welches Segment des Tauschers gereinigt bzw. gewechselt werden muss. Die einzelnen Segmente sind beispielsweise mit sog. Milchverschraubungen verbunden, so dass es relativ einfach ist, durch Schließen der Absperrhähne und Lösen der Verschraubungen einzelne Segmente auszutauschen, zu reinigen und einzubauen oder den Tauscher durch weitere Segmente zu vergrößern.
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Wenn eine erste Förderpumpe für das Abwasser und eine zweite Pumpe für das Wärmeträgermedium vorgesehen sind, wobei die Pumpen im kalten Bereich des Kreislaufes und/oder der Abwasserleitung angeordnet sind, verringert sich der Verschleiß an den Pumpen und erhöht sich entsprechend die Standzeit. Dies gilt ebenso für Ventile und sonstige technische Geräte, die in den Fluidkreisläufen einzubinden sind.
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Bevorzugt sollte die Desinfektionsanlage durchlaufen, damit der kontinuierlich ablaufende Desinfektionsprozess nicht unterbrochen werden muss, was ein Neuanfahren der Anlage bedingen würde. Zur Anpassung an den momentanen Bedarf dient einerseits ein Sammelbehälter für das zu desinfizierende Abwasser und andererseits kann die Durchflussmenge durch die Anlage zwischen einem langsamen Durchfluss, bei dem ein Zusetzen des Wärmetauschers noch sicher vermieden wird, und einem maximalen Durchfluss auf den zu behandelnden Abwasserzufluss eingestellt werden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung detailliert beschrieben.
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Darin zeigt:
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1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur thermischen Nassdesinfektion.
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In 1 ist ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur thermischen Nassdesinfektion dargestellt. In Fliessrichtung des Abwassers weist die Vorrichtung nachfolgend beschriebene Bestandteile auf.
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Ein Zulauf 11 für infiziertes Abwasser führt in einen Sammelbehälter 1, der als Pufferspeicher dient. Der Sammelbehälter 1 weist eine Be- und Entlüftung 10 sowie eine Abzugsleitung 12 auf. Die Abzugsleitung 12 ist an eine bevorzugt Drehzahl geregelte Pumpe 13 angeschlossen, an die stromabwärtig ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil 14 angeordnet ist. Vom Rückschlagventil 14 führt eine Zuführleitung 21 zu einem ersten Wärmetauscher 2, der als Koaxial- Wärmetauscher ausgebildet ist. In der Zuführleitung 21 sind bevorzugt mindestens ein Drucksensor 15 vorgesehen. Ferner ist am ersten Wärmetauscher 2, der bevorzugt aus einer Vielzahl von gleichartigen Segmenten besteht, jeweils am Eingang und Ende des ersten Wärmetauschers 2 sowie zu jedem Segment ein Temperatursensor 23 vorgesehen. Der erste Wärmetauscher 2 als Koaxial-Wärmetauscher weist ein Innenrohr 24 und ein Außenrohr 25 auf. Im Innenrohr 24 ist das zu desinfizierende Abwasser geführt. Im Ringbereich zwischen Innenrohr 24 und Außenrohr 25 ist im Gegenstrom zum Abwasser ein Wärmeträgermedium, bevorzugt überhitztes Wasser geführt. Stromabwärtig des Innenrohrs 24 ist eine Verbindungsleitung 22 zu einem zweiten Wärmetauscher 3 angeschlossen. Der zweite Wärmetauscher 3 ist ebenfalls als Koaxial-Wärmetauscher mit einem Innenrohr 31 und einem Außenrohr 32 ausgebildet. Das desinfizierte Abwasser ist im Innenrohr 31 geführt. Im Ringbereich zwischen Innenrohr 31 und Außenrohr 32 des zweiten Wärmetauschers 3 ist das Wärmeträgermedium im Gegenstrom geführt.
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Das Wärmeträgermedium, hier überhitztes Wasser, ist in einem gesonderten Kreislauf 4 geführt. Der Kreislauf 4 hat beginnend am Auslass des Außenrohrs 25 des ersten Wärmetauschers 2 eine erste Verbindungsleitung 41, die am Einlass in den zweiten Wärmetauscher 3 an dessen Außenrohr 32 angeschlossen ist. Stromabwärtig des zweiten Wärmetauschers 3 ist der Kreislauf 4 über eine zweite Verbindungsleitung 42 mit dem Einlass am ersten Wärmetauscher 2, nämlich dessen Außenrohr 25 verbunden, womit der Kreislauf 4 geschlossen ist.
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In der ersten Verbindungsleitung 41, die sich im kalten Bereich des Kreislaufs 4 befindet, sind die erforderlichen hydraulischen Regel-, Kontroll- und Sicherheitseinrichtungen angebracht. Dies sind insbesondere eine zweite Pumpe 43, ein Ausdehnungsgefäß 44 sowie eine Nachfüllleitung 45 zum bedarfsweisen Füllen bzw. Entleeren des Kreislaufs 4. In der zweiten Verbindungsleitung 42 ist lediglich eine Heizeinrichtung 46 vorgesehen, die der Beheizung des Wärmeträgermediums auf bzw. über die gewünschte Desinfektionstemperatur dient.
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Der zweite Wärmetauscher 3 ist ebenfalls in eine Vielzahl von Segmente geteilt, die jeweils an ihren Übergängen mit Milchverschraubungen miteinander verbunden sind und an den Übergängen Absperrhähne aufweisen. Ferner ist jedem Segment ein Temperatursensor 33 zugeordnet. Zusätzlich ist an beiden Seiten des zweiten Wärmetauschers 3 je ein Temperatursensor 33 vorgesehen, um die jeweiligen Ausgabetemperaturen für das abgekühlte, desinfizierte Abwasser und das vorerwärmte Wärmeträgermedium überwachen zu können. Stromabwärtig des zweiten Wärmetauschers 3 ist ein Gegendruckventil 34 an einer Abflussleitung 35 vorgesehen.
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Sollte die am letzten Temperatursensor 33 am Ausgang des zweiten Wärmetauschers 3 gemessene Temperatur des desinfizierten und abgekühlten Abwassers zu hoch sein, beispielsweise nicht den gesetzlichen Vorgaben zur Einleitung von Abwässern in die Kanalisation oder in Gewässer entsprechen, kann eine zusätzliche Abkühlung des Abwassers in der Abflussleitung 35 vorgesehen werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Kühleinrichtung 5 in Form eines Mischrohrs 51 vorgesehen, an das ein Frischwasserzulauf 52 über dafür erforderliche Armaturen, insbesondere einen Rohrtrenner sowie einem Dosierventil angeschlossen ist.
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Nachfolgend wird das in der thermischen Nass-Durchlauf-Desinfektionsanlage durchgeführte Verfahren unter Bezugnahme auf die 1 und den vergebenen Bezugszeichen beschrieben.
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Infiziertes Abwasser wird in dem Sammelbehälter 1 gesammelt und zwischengespeichert. Das infizierte Abwasser wird dann über die Abzugsleitung 12 mittels der ersten Pumpe 13 gegen den Gegendruck des Gegendruckventils 34 über das Rückschlagventil 14 in die Anlage gepresst. Dabei wird dafür Sorge getragen, dass der Druck in dem System ausreichend hoch ist, um eine Verdampfung des Abwassers bei der Desinfektion zu vermeiden.
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Das infizierte Abwasser wird somit in den ersten Wärmetauscher 2 in das dortige Innenrohr 24 im Gegenstrom zum im Ringbereich zwischen dem Innenrohr 24 und dem Außenrohr 25 zugeführtes erhitztes Wärmeträgermedium, hier überhitztes Wasser, durch den ersten Wärmetauscher 2, der als Koaxial-Wärmetauscher ausgebildet ist, geleitet. Dabei ist die Pumpleistung der ersten Pumpe 13 so eingestellt, dass in dem Koaxial-Wärmetauscher 2 ein ausreichender Wärmeübertrag zum zu desinfizierenden Abwasser erfolgt, so dass das Abwasser die geforderte Desinfektionstemperatur erreicht. Zur Überwachung der Funktionsfähigkeit der einzelnen Segmente des ersten Koaxial-Wärmetauschers 2 dienen die dort jeweils zugeordneten Temperatursensoren 23. Bei Bedarf können einzelne Segmente ausgetauscht, gereinigt und wieder eingesetzt werden oder der Wärmetauscher um weitere Segmente verlängert werden. Das auf Desinfektionstemperatur erhitzte Abwasser wird dann über Verbindungsleitung 22 zum zweiten Wärmetauscher 3 dort ebenfalls in das Innenrohr 31 geleitet. Da auch im zweiten Koaxial-Wärmetauscher 3 im Ringraum zwischen Innenrohr 31 und Außenrohr 32 das Wärmeträgermedium, hier Wasser im Kreislauf 4 im Gegenstrom zirkuliert wird, wird das desinfizierte Abwasser im zweiten Wärmetauscher 3 abgekühlt.
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Dazu wird das im Kreislauf 4 zirkulierte Wasser, das von der Heizeinrichtung 46 auf über Desinfektionstemperatur erhitzt wird, über die zweite Verbindungsleitung 42 in den Ringraum des ersten Koaxial-Wärmetauschers 2 geleitet und dort im Gegenstrom gegen das zu desinfizierende Abwasser durch Wärmeübertragung an das Abwasser abgekühlt. Entsprechend verlässt das Wasser den ersten Wärmetauscher 2 zur ersten Verbindungsleitung 41 mit deutlich verringerter Temperatur (beispielsweise 25°C). In diesem kalten Bereich des Kreislaufs 4 an der ersten Verbindungsleitung 41 sind entsprechend die für die Zirkulation, die Steuerung und Sicherung erforderlichen Armaturen angeordnet, womit diese einem geringeren Verschleiß unterliegen und entsprechende geringere Reparatur- und Wartungskosten zu veranschlagen sind. Dieses abgekühlte Wasser als Wärmeträgermedium gelangt dann im Gegenstrom in den zweiten Koaxial-Wärmetauscher 3 und nimmt die vom desinfizierten Abwasser abzugebene Wärme im Gegenstrom auf, womit das im Ringraum zwischen Innenrohr 31 und Außenrohr 32 strömende Wasser wiederum erwärmt wird, beispielsweise auf eine Temperatur von 150°C. Im Gegenstrom wird dabei das desinfizierte Abwasser von beispielsweise 165°C, der beispielhaften Desinfektionstemperatur, auf 35°C abgekühlt. Mit dieser Temperatur verlässt das desinfizierte Abwasser den zweiten Wärmetauscher 3 und gelangt über das Gegendruckventil 34 in die Abflussleitung 35 und wird an freie Gewässer oder die Kanalisation abgegeben.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Kühleinrichtung 5 in Form eines Mischrohres 51 vorgesehen, mit dem durch Frischwasserzulauf 52 kaltes Frischwasser mit dem desinfizierten Abwasser vermischt werden kann, um eine weitere Abkühlung auf beispielsweise unter 30°C zu erreichen. Alternativ kann eine weitere Abkühlung auch über Kühlturmwasser mit einem weiteren Wärmetauscher erfolgen.
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Das Verfahren und die Vorrichtung zur thermischen Nassdesinfektion zeichnet sich somit durch einen kontinuierlichen Durchlauf-Betrieb aus, bei dem das zu desinfizierende Abwasser in hygienisch leicht zu reinigenden und bei der entsprechenden Temperatur- und Druckeinstellung der beiden zirkulierten Medien äußerst sicheren Verfahrensablauf desinfiziert wird, wobei durch die leicht zu reinigenden und kein Totvolumen aufweisenden Koaxial-Wärmetauscher in Verbindung mit einer Temperatur- und Drucküberwachung eine vollständige Desinfektion des Abwassers ermöglicht. Durch den gesonderten Kreislauf eines Wärmeträgermediums über zwei Wärmetauscher wird das Abwasser zur Desinfektion im Gegenstrom erhitzt und nach der Desinfektion vom gleichen Wärmeträgermedium wiederum im Gegenstrom erwärmt, womit eine hohe Energieeffizienz erreicht wird, da die Heizung lediglich die Wärmeverluste und die Differenztemperatur des Wärmetauschers ausgleichen muss.
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Je nach Anlagenauslegung und Temperaturbereich dürfte eine Energierückführung von somit zwischen 80 und 90 % möglich sein. Gegenüber bisherigen Verfahren, die in Chargenbehältern durchgeführt wurden, entfallen in dieser Anlage sowohl der Chargenbetrieb wie auch die dafür erforderlichen Chargendruckbehälter. Somit entfallen auch die turnusgemäßen Druckbehälterprüfungen, womit die Anlage deutlich günstiger im Unterhalt ist und nicht regelmäßig zu Prüfzwecken heruntergefahren werden muss.
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Da sich die hydraulischen Steuer-, Regel- und Sicherheitseinrichtungen im kalten Bereich befinden, erhöht sich deren Standzeit erheblich, was ebenfalls zu einer Verringerung der Reparatur- und Wartungskosten führt. Gegenüber den Anlagen mit Chargenbehältern reduziert sich der Anlagenraumbedarf auf ca. 65 %. Durch die einfache Anlagengestaltung betragen die Investitionskosten gegenüber einer Anlage mit Chargenbehältern und gleicher Leistung etwa nur die Hälfte. Aufgrund der Auswahl der Wärmetauscher in Form von Koaxial-Wärmetauschern sind kalte Zonen ausgeschlossen, womit eine optimale Desinfektionsleistung erzielt wird. Da bei vielen Anlagenkonstellationen ein gesonderter Kühlwasserzulauf nicht erforderlich ist, kann auf diesen Anlagenteil (Mischrohr) verzichtet werden bzw. ist dieser Anlagenteil nur bei besonderen Umgebungstemperaturen erforderlich. Insbesondere bei einer Abwasserzulauftemperatur von unter 20°C dürfte bei einer geeigneten Auslegung der Anlage eine Nachkühlung nicht erforderlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sammelbehälter
- 10
- Be- und Entlüftung
- 11
- Zulauf
- 12
- Abzugsleitung
- 13
- erste Pumpe
- 14
- Rückschlagventil
- 15
- Drucksensor
- 2
- erster Wärmetauscher
- 21
- Zuführleitung
- 22
- Verbindungsleitung
- 23
- Temperatursensor
- 24
- Innenrohr
- 25
- Außenrohr
- 3
- zweiter Wärmetauscher
- 31
- Innenrohr
- 32
- Außenrohr
- 33
- Temperatursensoren
- 34
- Gegendruckventil
- 35
- Abflussleitung
- 4
- Kreislauf
- 41
- erste Verbindungsleitung
- 42
- zweite Verbindungsleitung
- 43
- zweite Pumpe
- 44
- Ausdehnungsgefäß
- 45
- Befüll- und Entleerungsleitung
- 46
- Heizeinrichtung
- 5
- Kühleinrichtung
- 51
- Mischrohr
- 52
- Frischwasserzulauf
