DE102012103871A1

DE102012103871A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ozonierung von Wasser

Info

Publication number: DE102012103871A1
Application number: DE201210103871
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: DE102012103871B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ozonierung von Wasser, umfassend: einen Strömungsrohrreaktor (12), mit einem ersten Einlass (16) an einem oberen Ende (15) und einem ersten Auslass (18) an einem unteren Ende (17), und einem zweiten Einlass (24) an dem oberen Ende (15) des Strömungsrohrreaktors (12) und einem zweiten Auslass (26) im Bereich des unteren Endes (17) des Strömungsrohrreaktors (12), und ferner umfassend eine Ozonbeladungseinheit (14), zum Einbringen von Ozon in Wasser, mit einem dritten Einlass (28) und einem dritten Auslass (30), wobei der zweite Auslass (26) und der dritte Einlass (28), sowie der zweite Einlass (24) und der dritte Auslass (30) so miteinander verbunden sind, dass Wasser jeweils zwischen diesen jeweiligen Einlässen (24, 28) und Auslässen (30, 26) fließen kann. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ozonierung von Wasser, das z. B. mit dieser Vorrichtung durchführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ozonierung von Wasser.
Die oxidative Behandlung von Wasser ist ein wesentlicher Bestandteil der Wasserreinigung, z. B. bei der Trinkwasseraufbereitung oder Abfüllung von Mineralwassern. Ziel dieser oxidativen Behandlung ist eine Desinfektion, bei der im Wasser enthaltene unerwünschte organische Spezies, insbesondere hochmolekulare Spezies, wie z. B. Proteine in Viren und Mikroorganismen von denen eine gesundheitliche Belastung ausgeht, in unbedenkliche Substanzen umgewandelt werden. Beispiele hierfür sind das Entfernen von z. B. Bakterien, Viren, Pilzen oder Pilzsporen indem diese unschädlich gemacht werden.
Der Begriff ”Ozonierung”, wie er in diesem Zusammenhang verwendet wird, bedeutet das Behandeln einer Flüssigkeit mit Ozon. Üblicherweise wird die Ozonierung einer Flüssigkeit und insbesondere von Wasser mit dem Ziel durchgeführt, die Menge an in der Flüssigkeit vorhandenen organischen Verbindungen zu reduzieren und diese im Idealfall völlig zu entfernen.
Bei der Verwendung von Ozon als Oxidationsmittel zu Reinigungs- bzw. Desinfektionszwecken können allerdings bei bromidhaltigen Wassern, die z. B. aus Wasserquellen in Küstennähe stammen können, Bromate gebildet werden. Dies ist von Nachteil, da Bromate potentiell krebserregend sind. Entsprechend gibt es für Bromat Grenzwerte, die derzeit für Trinkwasser 10 μg/L und für Mineralwasser 3 μg/L betragen. Ein möglicher Reaktionsweg, auf dem die Bromatbildung geschieht, ist im Folgenden in der Formel I dargestellt:
Die hier gezeigte Reaktion verläuft durch direkte Oxidation des Bromidanions durch Ozon in einem ersten Schritt über das Zwischenprodukt der hypobromigen Säure. Dieser erste Reaktionsschritt zu der hypobromigen Säure läuft im Vergleich zu den nachfolgenden Reaktionsschritten bei der Bromatbildung schnell ab. Ein Abfangen dieses Zwischenprodukts und damit ein Unterbinden der Weiterreaktion ist somit ein möglicher Ansatzpunkt, um die Bromatbildung zu vermeiden oder zu verringern. Dies kann durch Zugabe bzw. Erzeugung von Substanzen geschehen, die mit der hypobromigen Säure reagieren können. Solche Substanzen können beispielsweise Ammoniak oder Wasserstoffperoxid sein, wobei Wasserstoffperoxid von besonderem Interesse ist, da dieses beispielsweise durch UV-Bestrahlung von bereits mit Ozon versetztem Wasser in situ erzeugt werden kann. Das so gebildete, bzw. zusätzlich zugegebene Wasserstoffperoxid liegt im wässrigen Medium teilweise dissoziiert vor, wobei das dabei gebildete HO₂ ^– unter Freisetzung von Sauerstoff die hypobromige Säure zu Bromid reduziert.
Wenngleich durch diese Verfahren die Bromatbildung reduziert werden kann, ist es hierfür notwendig, zusätzliche Stoffe zu dem Ozonierungsschritt hinzuzugeben. Dies bedeutet entweder, dass man die genannten Substanzen wie Ammoniak oder Wasserstoffperoxid, die beide reaktive Gefahrstoffe darstellen, in ausreichend großen Mengen lagern und bereithalten muss, oder dass man bei der alternativen Erzeugung von Wasserstoffperoxid in situ einen höheren Energieaufwand durch die UV-Bestrahlung hat. Zusätzlich ergibt sich dann noch zu den ohnehin mit der Lagerung von großen Mengen an Gefahrstoffen oder der energieintensiven UV-Bestrahlung verbundenen Nachteilen ein größerer Kostenaufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ozonierung von Wasser bereitzustellen, bei dem ohne Zugabe oder energieintensive Erzeugung weiterer Substanzen eine geringere Bromatbildung, vorzugsweise keine Bromatbildung, auftritt und gleichzeitig eine hohe Effektivität der oxidativen Behandlung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Vorrichtung zur Ozonierung von Wasser gelöst, umfassend:
einen Strömungsrohrreaktor, mit einem ersten Einlass an einem oberen Ende und einem ersten Auslass an einem unteren Ende und einem zweiten Einlass an dem oberen Ende des Strömungsrohrreaktors und einem zweiten Auslass im Bereich des unteren Endes des Strömungsrohrreaktors, und ferner umfassend
eine Ozonbeladungseinheit, zum Einbringen von Ozon in Wasser, mit einem dritten Einlass und einem dritten Auslass,
wobei der zweite Auslass und der dritte Einlass, sowie der zweite Einlass und der dritte Auslass so miteinander verbunden sind, dass Wasser jeweils zwischen diesen jeweiligen Einlässen und Auslässen fließen kann.
Weiterhin wird die zuvor genannte Aufgabe ebenfalls durch ein Verfahren zum Ozonieren von Wasser gelöst, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Strömungsrohrreaktors, durch den Wasser in eine Flussrichtung fließen kann, und
Bereitstellen einer Ozonbeladungseinheit, zum Einbringen von Ozon in Wasser,
Hindurchführen von zu ozonierendem Wasser in Form eines Hauptstroms durch den Strömungsrohrreaktor,
Bereitstellen von mit Ozon versetztem Wasser, durch
Abzweigen eines Nebenstroms aus dem Strömungsrohrreaktor und
Hindurchführen des Nebenstroms durch die Ozonbeladungseinheit, dabei Einbringen von Ozon in das Wasser des Nebenstroms,
Zuführen des ozonhaltigen Nebenstroms zu dem Hauptstrom im Strömungsrohrreaktor,
wobei das Abzweigen des Nebenstroms am Strömungsrohrreaktor in Bezug auf die Flussrichtung des Hauptstroms im Strömungsrohrreaktor nach dem Zuführen des Nebenstroms geschieht.
In anderen Worten ausgedrückt wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die oxidative Behandlung des Wassers dadurch erreicht, dass dieses durch einen Strömungsrohrreaktor (plug flow reactor, PFR) fließt, wobei dem Wasser im oberen Bereich des Reaktors mit Ozon versetzes Wasser, welches sozusagen als Träger des Ozons verwendet wird, zugeführt wird und mit diesem vermischt. Dieses mit Ozon versetzte Wasser wird in einer Ozonbeladungseinheit erzeugt, wobei es sich bei dem dieser Ozonbeladungseinheit zugeführten Wasser um Wasser aus dem Strömungsrohrreaktor handelt, dass heißt um Wasser das Bereits eine Ozonbehandlung erfahren hat. Somit wird in einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren der vorliegenden Erfindung eine gewisse Menge des bereits behandelten Wassers rezirkuliert und als Träger für das Ozon verwendet.
Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, dass es durch die zuvor beschriebene Vorrichtung als auch durch das Verfahren möglich ist, Wasser zu ozonieren und dadurch oxidativ zu behandeln, ohne dass es dabei zu einer detektierbaren Bromatbildung im erhaltenen behandelten Wasser kommt. Dabei ist es mit der Vorrichtung und dem Verfahren möglich gleichzeitig eine sehr effektive oxidative Behandlung z. B. in Form einer mehr als 99%igen Desinfektion zu erreichen. Sowohl die Unterdrückung der Bromatbildung als auch die Effektivität der oxidativen Behandlung können dabei ohne die Zugabe von separaten Substanzen oder die Erzeugung von Wasserstoffperoxid durch UV-Bestrahlung erreicht werden.
Die Fähigkeit der Vorrichtung und des Verfahrens Wasser zu Ozonieren, ohne dass dabei Bromat gebildet wird, beruht nach derzeitiger Ansicht der Anmelderin, ohne dabei auch mit den folgenden Ausführungen an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, sowohl darauf, dass die Ozonierung in einem Strömungsrohrreaktor erfolgt als auch darauf, dass als Träger für das Ozon, wie oben beschrieben, rezirkuliertes bereits ozoniertes Wasser verwendet wird.
In einem (idealen) Strömungsrohrreaktor liegt eine laminare Strömung in Richtung der Flussrichtung durch den Reaktor vor. Die Folge dieser laminaren Strömung ist, dass sich, eine Reaktion in dem Reaktor vorausgesetzt, innerhalb des Reaktors entlang der Flussrichtung Konzentrationsgradienten bzw. -profile ausbilden. So nehmen hierbei Edukt- und Reaktantkonzentrationen mit zunehmender Verweilzeit im Reaktor ab, während die Produktkonzentration zunimmt. In radialer Richtung liegt demgegenüber jedoch eine ideale Durchmischung vor, so dass senkrecht zur Flussrichtung keine Konzentrationsgradienten existieren. Dies wird mit der sogenannten Pfropfenströmung erklärt. Bei der Pfropfenströmung geht man davon aus, dass einzelne scheibenförmige Elemente bzw. Kreiselemente in Flussrichtung durch den Reaktor aneinandergereiht durch diesen strömen. Diese Kreiselemente sind dabei mit ihrer Grundfläche senkrecht zur Flussrichtung ausgerichtet und haben in der Theorie eine infinitesimal kleine Erstreckung in Flussrichtung des Reaktors. Innerhalb eines solchen Kreiselements herrscht eine ideale Durchmischung, die die Abwesenheit von Konzentrationsprofilen in radialer Richtung erklärt. Demgegenüber findet kein Stoffaustausch zwischen den verschiedenen benachbarten Kreiselementen statt, was letztendlich die Konzentrationsprofile in Flussrichtung erkärt.
Bei solchen Strömungsrohrreaktoren ist der generelle Reaktionsverlauf so, dass zu Beginn sowohl eine hohe Edukt- als auch Reaktantkonzentration vorliegt. Diese nehmen beide mit Fortschreiten der Verweilzeit, also in Flussrichtung wie erwähnt ab, während die Produktkonzentration ansteigt. Am Ende des Strömungsrohrreaktors liegt dann idealerweise kein Edukt und Reaktant sondern nur noch Produkt vor.
Das Gegenstück bildet in der Theorie der ideale kontinuierlich betriebene Rührkessel (continous stirred-tank reactor, CSTR). In diesem herrscht im gesamten Reaktorraum eine ideale Durchmischung, so dass im Reaktor keine Konzentrationsgradienten vorliegen. Die Folge ist, dass in den Reaktor zugegebenes Edukt und zugegebener Reaktant auf eine relativ hohe Konzentration an Produkt treffen.
Aufgrund der unterschiedlichen Konzentrationsverhältnisse in einem PFR gegenüber einem CSTR hat die Anmelderin herausgefunden, dass bei einem PFR schon mit deutlich geringeren Mengen an Ozon gegenüber den bisher üblicherweise verwendeten CSTRs eine effektive oxidative Behandlung, z. B. in Form einer Desinfektion, erreicht werden kann.
Ohne dass sie auf einen genauen Funktionsmechanismus festgelegt sein möchte, vermutet die Anmelderin in Hinblick auf die Vorteile des Strömungsrohrreaktors ferner, dass zu Beginn der Ozonierung, d. h. am Reaktorbeginn eine gewisse Belastung mit unerwünschten Substanzen, wie z. B. Bakterien sowie eine gewisse Bromidkonzentration vorliegt. Beide Substrate, also in diesem Beispiel die Bakterien und das Bromid können nach der Zugabe des mit Ozon beladenen Wassers mit dem Ozon reagieren. Dabei ist die Reaktion des Ozons mit den Bakterien von der Reaktionsgeschwindigkeit deutlich schneller als die Reaktion des Bromids zu Bromat durch Ozon. Im vorliegenden Beispiel findet die Desinfizierung somit bevorzugt statt. Mit fortschreitender Verweilzeit im Strömungsrohrreaktor nimmt entsprechend der zuvor erwähnten Ausbildung der Konzentrationsprofile sowohl die Bakterien- als auch die Ozonkonzentration ab. Somit liegt, auch wenn ab einer bestimmten Verweilzeit aufgrund der gesunkenen Bakterienkonzentration die Bromid-Bromat-Reaktion nun stärker auftreten könnte, die Konzentration an Ozon zu diesem Zeitpunkt bereits auf einem solchen Niveau, dass keine signifikanten Mengen an Bromat mehr gebildet werden können. Folglich kann durch die Verwendung des Strömungsrohrreaktors dieser Unterschied in der Reaktionsgeschwindigkeit so ausgenutzt werden, dass das Ozon zunächst zur gewünschten Desinfektion führt und bei der nachrangigen Bromatbildung nicht mehr, oder nur noch in unwesentlichen Mengen, vorliegt.
Des Weiteren geht die Anmelderin derzeit davon aus, dass durch das bereits ozonierte Wasser, das der Ozonbeladungseinheit zugeführt wird, eine bessere Lösbarkeit des in der Ozonbeladungseinheit zugeführten Ozons in dem Wasser erreicht werden kann. Dies führt in der Folge dazu, dass eine vergleichsweise hohe Konzentration an im Wasser physikalisch gelösten Ozon vorliegt, welches eine effektive oxidative Behandlung, wie eine Desinfektion, bewirken kann. Hierzu hat die Anmelderin überraschenderweise festgestellt, dass in dem der Ozonbeladungseinheit zugeführten Wasser kein oder nur geringe Mengen an sogenanntem gelösten organischen Kohlenstoff (dissolved organic carbon, DOC) sowie kein oder nur geringe Mengen an Wasserstoffperoxid vorliegen.
Gelöster organischer Kohlenstoff reagiert mit Ozon durch Ozonolyse. Dabei wird im wässrigen Milieu Wasserstoffperoxid als ein Nebenprodukt gebildet. Wasserstoffperoxid, insbesondere dessen dissozierte Form HO₂ ^– reagiert seinerseits mit Ozon, wobei sich verschiedene radikalische Spezies, wie OH-, O₂ ^–- und HO₂-Radikale bilden. Dadurch wird somit zum einen das für die gewünschte Desinfektion, oder allgemein oxidative Bahandlung gewünschte Ozon abgebaut und gleichzeitig eine Vielzahl von unerwünschten hochreaktiven radikalischen Spezies gebildet, die kurzlebig sind und unselektiv reagieren.
Für gewöhnlich liegt gelöster organischer Kohlenstoff bei zu desinfizierenden Wassern bereits in Mengen vor, die die zuvor genannten unerwünschten Reaktionen herbeiführen könnten. Dass vorliegend in dem der Ozonbeladungseinheit zugeführten Wasser jedoch kein oder nur ein geringer Anteil an gelöstem organischen Kohlenstoff vorliegt, führt die Anmelderin derzeit darauf zurück, dass dieser in dem Reaktor mit dem eingebrachten Ozon abreagiert. Dabei bildet sich, wie zuvor erwähnt wiederum Wasserstoffperoxid.
Dass in dem abgezweigten und der Ozonbeladungseinheit zugeführten Wasser zusätzlich kein, oder nur eine geringe Konzentration an Wasserstoffperoxid vorhanden ist, liegt nach derzeitiger Vermutung der Anmelderin daran, dass dieses nach seiner Bildung im Reaktor entsprechend der eingangs gemachten Ausführungen mit hypobromiger Säure, die nach Formel I aus Bromid gebildet werden kann, abreagiert. Zusätzlich wird hiermit im Strömungsrohrreaktor die zuvor im Zusammenhang mit der Formel I beschriebene Unterdrückung der Bromatbildung durch Entfernen der hypobromigen Säure aus dem Gleichgewicht der Formel I erreicht.
Die Abwesenheit oder geringe Menge von gelöstem organischen Kohlenstoff und Wasserstoffperoxid in dem der Ozonbeladungseinheit zugeführten Wasser führt somit zu der erwähnten effektiven oxidativen Behandlung, da der überwiegende Teil des über die Ozonbeladungseinheit ins Wasser eingebrachten Ozons sich in diesem lösen kann ohne vorschnell durch Wasserstoffperoxid, dass in situ gebildet oder bereits vorliegen kann, zerstört zu werden bzw. abzureagieren.
Dementsprechend ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Ozonierung von Wasser, wobei das Ozon mit bereits ozoniertem Wasser als Träger in das zu ozonierende Wasser eingebracht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und die erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich somit in optimaler Weise zur (nahezu) vollständigen Desinfektion von bromidhaltigem und DOC-haltigem Wasser mit vergleichsweise wenig Ozon, ohne dass dabei Bromat gebildet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der erste Einlass und zweite Einlass so ausgestaltet, dass das jeweils in den Strömungsrohrreaktor einströmende Wasser im Wesentlichen orthogonal zu einer Längserstreckung des Strömungsrohrreaktors in diesen eingeströmt wird, vorzugsweise so ausgestaltet, dass die Einströmrichtungen des jeweils in den Strömungsrohrreaktor einströmenden Wassers entgegengesetzt zueinander sind, und besonders bevorzugt so am Strömungsrohrreaktor angeordnet, dass sie bezogen auf einen Querschnitt des Strömungsrohrreaktors gegeneinander versetzt sind.
Analog geschieht in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Zuführen des Hauptstroms und des aus der Ozonbeladungseinheit stammenden Nebenstroms im Wesentlichen orthogonal zur Flussrichtung in den Strömungsrohrreaktor, vorzugsweise entgegengesetzt zueinander und bevorzugt so, dass der Hauptstrom und der Nebenstrom bezogen auf einen Querschnitt des Strömungsrohrreaktors gegeneinander versetzt zugeführt werden.
Die Ausdrücke ”im Wesentlichen orthogonal zu einer Längserstreckung des Strömungsrohrreaktors” bzw. ”im Wesentlichen orthogonal zur Flussrichtung”, wie sie in diesem Zusammenhang verwendet werden, bedeuten, dass die jeweiligen Einströmrichtungen zu einer gedachten Linie, die jeweils durch die Längserstreckung bzw. durch die Flussrichtung gebildet wird, einen Winkel von 80–90°, vorzugsweise 85–90° und besonders bevorzugt 90° einnehmen.
Der Ausdruck ”entgegengesetzt zueinander”, wie er in diesem Zusammenhang verwendet wird, bedeutet, dass gedachte Vektoren der jeweiligen Einströmrichtungen zueinander einen Winkel einnehmen, der mehr als 90°, vorzugsweise mehr als 150° und besonders bevorzugt 180° beträgt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der jeweils kleinste Winkel zwischen zwei Vektoren betrachtet wird, der somit maximal 180° betragen kann.
Der Ausdruck ”bezogen auf einen Querschnitt des Strömungsrohrreaktors gegeneinander versetzt”, wie er in diesem Zusammenhang verwendet wird, bedeutet, dass gedachte Vektoren der jeweiligen Einströmrichtungen nicht auf einer gemeinsamen gedachten Linie liegen. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so, dass diese Vektoren zueinander einen kürzesten Abstand aufweisen, der mindestens 70%, mehr bevorzugt mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% des Durchmessers des Reaktors beträgt.
Durch diese Maßnahmen wird die Bildung von Turbulenzen in dem Strömungsrohrreaktorwährend der Durchmischung der beiden Ströme auf ein Minimum reduziert. Entsprechend der zuvor gemachten Ausführungen ist die Ausbildung einer laminaren Strömung in dem Strömungsrohrreaktor und somit die Strömungscharakteristik eines PFRs für die erfindungsgemäße Vermeidung der Bromatbildung von Vorteil. Um dies zu erreichen und beizubehalten, ist es wesentlich, dass Turbulenzen und somit eine Vermischung in Richtung der Flussrichtung, also in Längserstreckung des Strömungsrohrreaktors vermieden oder zumindest auf ein Minimum gehalten werden.
Eine gewisse Vermischung in Richtung der Flussrichtung und das Auftreten von unerwünschten Turbulenzen beim Zusammenbringen von Hauptstrom und Nebenstrom im Strömungsrohrreaktor lässt sich in der Regel nicht komplett vermeiden. In solch einem Vermischungsbereich liegt theoretisch gesehen eher eine Art CSTR statt eines gewünschten PFRs vor. Dass der Bereich, in dem solche Turbulenzen auftreten aber so gering wie möglich gehalten wird, wird in vorteilhafter Weise durch die zuvor genannten Ausführungsformen erreicht. Das orthogonale Einströmen trägt dazu bei, dass die Strömungsrichtungen von Hauptstrom und Nebenstrom in einem mit Bezug auf die Flussrichtung schmalen Bereich liegen bzw. diese Ströme in einen schmalen Bereich einströmen. Dies verkleinert den zuvor genannten Vermischungsbereich bereits deutlich gegenüber einer beispielsweise schrägen Einströmrichtung von 40° oder weniger zur Flussrichtung. Durch eine Anordnung von ersten Einlass und zweiten Einlass entgegengesetzt zueinander wird erreicht, dass abhängig von der relativen umfänglichen Anordnung von erstem und zweiten Einlass am Strömungsrohrreaktor, als eine Möglichkeit ein Aufeinanderströmen und damit eine schnelle Vermischung erhalten werden kann. So eine Einströmart wird auch Prallströmung genannt. Alternativ, insbesondere bei einer mehr versetzten umfänglichen Anordnung von erstem zu zweitem Einlass wird in eine Strömung des einen Stroms, z. B. des Hauptstroms, der andere Strom, entsprechend dann der Nebenstrom, eingebracht. Damit wird ebenfalls eine schnelle Vermischung erhalten. Letztere umfängliche Anordnung entspricht der genannten bevorzugten gegenüberliegenden Anordnung. Hierbei wird in vorteilhafter Weise das Erzeugen von Turbulenzen auf ein Minimum gehalten, was zu dem möglichst schmalen Vermischungsbereich beiträgt.
Bevorzugt ist bei der vorliegenden Erfindung das Einströmen des Hauptstroms und des Nebenstroms in den Strömungsrohrreaktor jeweils so, dass die Einströmrichtungen von Hauptstrom und Nebenstroms so ausgerichtet ist, dass sie parallel zu einem durch den Mittelpunkt eines Querschnitts des Reaktors verlaufenden Durchmessers ausgerichtet ist und dass eine gedachte Linie, die durch das Zentrum des Nebenstroms in dessen Strömungsrichtung verläuft einen Abstand zu einer durch den oben beschriebenen Durchmesser definierten Linie aufweist, der zumindest 70%, bevorzugt zumindest 80% und besonders bevorzugt zumindest 90% des Radius des Querschnitts beträgt. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung ist so, dass der erste Einlass und der zweite Einlass entsprechend ausgestaltet sind.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese ferner eine Pumpe auf, durch die Wasser vom zweiten Auslass zum dritten Auslass befördert werden kann.
Der aktive Transport des Nebenstroms bzw. des diesen bildenden Wassers durch eine Pumpe hat den Vorteil, dass dadurch unabhängig von dem statischen und dynamischen Druck an dem zweiten Auslass der Volumenstrom des Nebenstroms in die Ozonbeladungseinheit aktiv gesteuert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese einen unselektiven Sensor zur quantitativen Bestimmung des Gehalts an oxidativen Spezies des der Ozonbeladungseinheit zugeführten Wassers auf.
Der Ausdruck ”oxidative Spezies”, wie er in diesem Zusammenhang verwendet wird, bedeutet insbesondere alle im Wasser enthaltenen Substanzen, die zu einer Oxidationsreaktion im wässrigen Milieu in der Lage sind. Insbesondere sind hiermit noch im Wasser verbliebenes Ozon und Wasserstoffperoxid gemeint.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass so der Restgehalt an oxidativen Spezies in diesem gerade abgezweigten Nebenstrom vor dem Durchführen durch die Ozonbeladungseinheit bestimmt werden kann. Dies ermöglicht in der Folge eine auf die derzeitigen Verhältnisse im Strömungsrohrreaktor abgestimmte Zugabe bzw. ein entsprechend abgestimmtes Einbringen von Ozon in das Wasser des Nebenstroms durch die Ozonbeladungseinheit. Wie zuvor erwähnt, vermutet die Anmelderin derzeit in der Abwesenheit von Wasserstoffperoxid in dem der Ozonbeladungseinheit zugeführten Wasser einen wesentlichen Beitrag zu der effektiven Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens. Entsprechend kann der über den Sensor bestimmte Gehalt an oxidativen Spezies, die Wasserstoffperoxid enthalten können, dazu genutzt werden, um die Zugabe an Ozon über die Ozonbeladungseinheit so anzupassen, dass der Gehalt an oxidativen Spezies im Reaktor und letztendlich auch im Nebenstrom reduziert wird. Somit kann z. B. durch Reduktion der Zugabe an Ozon die Bildung an Wasserstoffperoxid im Reaktor, welches in gewissem Maße dann doch wieder in die Ozonbeladungseinheit zurückgeführt werden würde, ebenfalls reduziert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese ferner einen Sensor zur Detektion von Ozon im Bereich des ersten Auslasses auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass so der Ozongehalt des am ersten Auslass entnommenen und bereits ozonierten Wassers bestimmt werden kann. Dies kann entweder quantitativ oder auch qualitativ geschehen. Dies ermöglicht die Beurteilung hinsichtlich der Verwendbarkeit des aus dem Strömungsrohrreaktor kommenden Wassers. Beispielhaft sei hier das Ziel erwähnt, dass bei der Ozonierung von Trinkwasser zu Desinfektionszwecken ein möglichst geringer Gehalt, wenn nicht sogar die Abwesenheit von Ozon im fertig desinfizierten Trinkwasser erforderlich ist. Dies kann auf diese Weise kontrolliert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung fließt durch den Strömungsrohrreaktor über den ersten Einlass und den ersten Auslass ein Hauptstrom und durch die Ozonbeladungseinheit ein Nebenstrom und ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass das Verhältnis von Hauptstrom zu Nebenstrom im Bereich von 10:1 oder darüber liegt.
Analog liegt in einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verhältnis des Hauptstroms zum Nebenstrom im Strömungsrohrreaktor im Bereich von 10:1 oder darüber.
Durch den Rückgeführten Teil in Form des Nebenstroms wird das neu in den Reaktor eingeströmte und zu behandelnde Wasser gleich mit bereits im Reaktor vorhandenen Wasser gemischt. Wird der Anrteil des Nebenstroms vergrößert, wird auch die Durchmischung und folglich der zuvor genannte Vermischungsbereich am Beginn des Reaktors größer. Die Vergrößerung des Anteils des Nebenstroms führt somit in der Folge zu einem immer stärkeren Verschieben der Reaktorcharakteristik von dem gewünschten PFR zu dem weniger vorteilhaften CSTR. Dieses Merkmal hat somit den Vorteil, dass dadurch die gewünschten PFR-Eigenschaften erhalten bleiben.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ist der Strömungsrohrreaktor so ausgerichtet, dass durch ihn fließendes Wasser eine Flussrichtung aufweist, die in Richtung der Schwerkraft verläuft.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass aus dem im Strömungsrohrreaktor fließendem Wasser austretende Gase aufgrund des Auftriebs nach oben steigen und somit auf einfache Weise aus dem Strömungsrohrreaktor abgelassen werden können. Diese Gase können beispielsweise ausgasendes Ozon oder auch während der oxidativen Behandlung gebildete leicht flüchtige Substanzen sein.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verweilzeit des Wassers im Strömungsrohrreaktor so gewählt, dass eine oxidative Behandlung des Wassers vollständig ablaufen kann.
Dieses Merkmal hat den Vorteil und Effekt, dass aufgrund der vollständigen oxidativen Behandlung beispielsweise die Desinfektion des entsprechenden Wassers vollständig erfolgen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die zugegebene Menge an Ozon in der Ozonbeladungseinheit zwischen 130 bis 230 g/m³, vorzugsweise 150 bis 210 g/m³ und besonders bevorzugt 170 bis 190 g/m³.
Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Konzentrationsbereichen ein effektives Betreiben der vorgeschlagenen Vorrichtung und des hier beschriebenen und beanspruchten Verfahrens möglich ist. Dabei liegt gerade in Anbetracht der Reaktorgröße und des eingestellten Volumenstroms hier eine hohe Zugabe von Ozon im Vergleich zu den bisher etablierten Verfahren unter Verwendung von Rührkesselreaktoren vor. Dennoch kann am ersten Auslass aufgrund der Reaktorwahl und Reaktorführung eine Ozonkonzentration von weniger als 0,1 mg/m³, vorzugsweise weniger als 0,01 mg/m³ erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Dosis an Ozon beim Zuführen des Nebenstroms in den Strömungsrohrreaktor 0,01 bis 0,5 (mg/L)·min, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 (mg/L)·min.
Diese Konzentrationsbereiche haben den Vorteil, dass sie den Bereich der Dosis an Ozon abdecken, bei dem zum einen eine Wirkung des Ozons im Hinblick auf oxidative Behandlungen, wie Reinigung und/oder Desinfektion, stattfindet und zugleich eine übermäßige Bildung an Bromat unterbleibt. Bei der bevorzugten Ausgestaltung von 0,1 bis 0,4 (mg/L)·min erreicht man so z. B. bei einer Desinfektion eine Beseitigung der Bakterien von 99% und mehr und erhält zugleich keine nachweisbare Bildung von Bromat.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines ausgewählten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ozonieren von Wasser in einer Seitenansicht,
2 eine Schnittansicht der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend der Linie II-II,
3 eine vergrößerte schematische Ansicht einer Ozonbeladungseinheit der Vorrichtung aus 1,
4 eine graphische vereinfachte Darstellung des Zusammenhangs zwischen zudosiertem Ozon, Desinfektionswirkung und Bromatbildung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
5 eine graphische vereinfachte Darstellung des zuvor beschriebenen Zusammenhangs in 4 in einem kontinuierlich betriebenen Rührkessel.
Eine hier dargestellte beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Diese Vorrichtung 10 weist einen Strömungsrohrreaktor 12 und eine Ozonbeladungseinheit 14 auf. Sie kann insbesondere zur Ozonierung von Wasser verwendet werden. Damit findet sie u. a. bei der oxidativen Behandlung, z. B. zur Reinigung, insbesondere Desinfektion von Wasser Anwendung.
Der Strömungsrohrreaktor 12 weist am in 1 dargestellten oberen Teil ein oberes Ende 15 und am unteren Teil ein unteres Ende 17 auf. Der Strömungsrohrreaktor 12 weist ferner einen ersten Einlass 16 sowie einen ersten Auslass 18 auf. Der erste Einlass 16 ist dabei am oberen Ende 15 angeordnet. Der erste Auslass 18 ist am gegenüberliegenden unteren Ende 17 angeordnet. Durch diesen ersten Einlass 16 und den ersten Auslass 18 kann das hier nicht näher bezeichnete zu ozonierende Wasser fließen. Dabei bildet dieses Wasser einen Hauptstrom durch den Strömungsrohrreaktor 12. Das Einfließen in und Ausfließen aus dem Reaktor, ist durch Pfeile 20 und 22 in 1 verdeutlicht. Wenn im Folgenden auf den genannten Hauptstrom Bezug genommen wird, erfolgt dies zum Zwecke der Veranschaulichung häufig durch die Pfeile 20 und 22. Das durch den Strömungsrohrreaktor 12 strömende Wasser weist eine Flussrichtung 23 durch den Strömungsrohrreaktor 12 auf. Vorliegend verläuft die Flussrichtung 23 in Richtung der Längserstreckung des Strömungsrohrreaktors 12. Durch das beschriebene Einfließen und Ausfließen des Wassers kann der vorliegende Strömungsrohrreaktor 12 und damit auch die Vorrichtung 10 kontinuierlich betrieben werden.
Wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung und insbesondere in Bezug auf den Strömungsrohrreaktor 12 von ”oben” und ”unten” die Rede ist, bezieht sich dies nicht zwangsläufig auf die absolute Anordnung im Raum sondern stellt auf die Position in Bezug auf den Strömungsrohrreaktor ab. Dabei bedeutet ”oben” am Strömungsrohrreaktor stromaufwärts, d. h. in Bezug auf die Flussrichtung im vorderen Bereich, und ”unten” am Strömungsrohrreaktor stromabwärts, d. h. in Bezug auf die Flussrichtung im hinteren Bereich.
Im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung des Strömungsrohrreaktors 12 jedoch so gewählt, dass die Flussrichtung 23 im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft verläuft. Somit fallen für das gezeigte Beispiel ”oben” und ”unten” mit den Anordnungen im Raum zusammen.
Ferner weist der Strömungsrohrreaktor 12 einen zweiten Einlass 24 sowie einen zweiten Auslass 26 auf. Der zweite Einlass 24 ist im Bereich des oberen Endes 15 und der zweite Auslass 26 im Bereich des unteren Endes 17 am Strömungsrohrreaktor 12 angeordnet. Über diesen zweiten Einlass 24 und den zweiten Auslass 26 ist der Strömungsrohrreaktor 12 mit der Ozonbeladungseinheit 14 verbunden. Die Verbindung ist dabei so, dass Wasser zwischen dem Strömungsrohrreaktor 12 und der Ozonbeladungseinheit 14 fließen kann. Dies wird im Folgenden noch näher beschrieben.
Die Ozonbeladungseinheit 14 weist ihrerseits einen dritten Einlass 28 und einen dritten Auslass 30 auf. Ferner weist die Ozonbeladungseinheit 14 einen Ozoneinlass 32 auf, durch den Ozon von einer hier nicht näher bezeichneten Ozonquelle der Ozonbeladungseinheit 14 zugeführt werden kann. Dies ist durch den Pfeil 34 veranschaulicht. Durch die Ozonbeladungseinheit 14 fließt über den dritten Einlass 28 Wasser ein und über den dritten Auslass 30 wieder aus. Dies ist durch Pfeile 36 und 38 veranschaulicht. Dieses durch die Ozonbeladungseinheit 14 fließende Wasser bildet einen Nebenstrom. Dieser Nebenstrom soll der Veranschaulichung halber im Folgenden auch als durch die Pfeile 36 und 38 veranschaulicht angesehen werden.
Beim Durchfluss des Nebenstroms 36, 38 durch die Ozonbeladungseinheit 14 wird das Wasser dieses Nebenstroms 36, 38 mit Ozon versetzt. Mit anderen Worten wird Ozon in dieses Wasser des Nebenstroms 36, 38 eingebracht. Die genaue Funktionsweise dieser Ozonbeladungseinheit 14 wird im Folgenden noch näher erläutert.
Die Vorrichtung 10 ist im Weiteren so ausgestaltet, dass Wasser zwischen der Ozonbeladungseinheit 14 und dem Strömungsrohrreaktor 12 fließen kann. Dazu ist der dritte Auslass 30 mit dem zweiten Einlass 24 verbunden. Ferner ist der zweite Auslass 26 mit dem dritten Einlass 28 verbunden.
Dabei strömt Wasser aus dem zweiten Auslass 26 aus, wie dies durch einen Pfeil 40 veranschaulicht ist. Dieses Wasser fließt dann entsprechend durch den Pfeil 36 dargestellt durch den dritten Einlass 28 in die Ozonbeladungseinheit 14. Zu diesem Zweck ist zwischen dem zweiten Auslass 26 und dem dritten Einlass 28 ein erstes Leitungssystem 42 angeordnet. Dieses erste Leitungssystem 42 verbindet den zweiten Auslass 26 mit dem dritten Einlass 28. In der hier dargestellten bevorzugten Ausgestaltung der 1 weist dieses erste Leitungssystem 42 ferner eine Pumpe 44 auf. Mit dieser Pumpe 44 kann das durch den Strömungsrohrreaktor 12 fließende Wasser an der Stelle des zweiten Auslasses 26 aktiv angesaugt und weitertransportiert werden. Dadurch entsteht der Fluss des Wassers angedeutet durch den Pfeil 40 durch das erste Leitungssystem 42.
Nachdem das durch die Ozonbeladungseinheit 14 geflossene Wasser mit Ozon versetzt wurde, fließt dieses wieder durch den dritten Auslass 30 aus der Ozonbeladungseinheit 14 aus und gelangt über den zweiten Einlass 24 zurück in den Strömungsrohrreaktor 12. Dieses Einfließen in den Strömungsrohrreaktor 12 ist durch einen Pfeil 46 veranschaulicht. Damit dieser Fluss des Wassers, wie er durch die Pfeile 38 und 46 veranschaulicht ist, stattfinden kann, weist die Vorrichtung ferner ein zweites Leitungssystem 48 auf. Dieses zweite Leitungssystem 48 verbindet den dritten Auslass 30 mit dem zweiten Einlass 24.
Betrachtet man zusätzlich das Ausströmen des Wassers aus dem Strömungsrohrreaktor 12, veranschaulicht durch den Pfeil 40, und das Einströmen des Wassers in den Strömungsrohrreaktor 12, veranschaulicht durch den Pfeil 46, so wird der gesamte Nebenstrom durch die Pfeile 40, 36, 38 und 46 veranschaulicht.
Anhand dieser nun beschriebenen konstruktiven Ausgestaltung der Vorrichtung 10 soll nun die Funktionsweise dieser Vorrichtung 10 beschrieben werden.
Wie zuvor erwähnt liegen in der Vorrichtung 10 ein Hauptstrom 20, 22 sowie ein Nebenstrom 36, 38, 40, 46 vor. Der Hauptstrom 20, 22 wird im Wesentlichen durch das zu ozonierende Wasser gebildet. Damit fließt durch den ersten Einlass 16 zu ozonierendes Wasser in den Strömungsrohrreaktor 12 ein. Dies ist durch den Pfeil 20 veranschaulicht. Innerhalb des Strömungsrohrreaktors 12 wird dieses Wasser, wie im Folgenden noch näher beschrieben wird, ozoniert und fließt dann als ozoniertes Wasser durch den ersten Auslass 18 wieder aus dem Strömungsrohrreaktor 12 und damit der Vorrichtung 10 aus. Dies ist durch den Pfeil 22 veranschaulicht. Mit Bezug auf ein konkretes Beispiel fließt somit durch den ersten Einlass 16 mit Bakterien belastetes Wasser in die Vorrichtung 10 ein und durch den ersten Auslass 18 desinfiziertes Wasser aus der Vorrichtung 10 aus. Neben diesem konkreten Beispiel sind selbstverständlich auch andere Anwendungen denkbar, bei denen insbesondere Wasser durch Ozon oxidativ behandelt werden soll, wobei die Verwendung zur Desinfektion von Wasser bevorzugt ist.
Zum Ende 17 des Strömungsrohrreaktors 12 hin wird das durch diesen fließende Wasser dann zum Teil über den zweiten Auslass 26 entnommen. Mit anderen Worten wird an dieser Stelle der Nebenstrom 40, 36, 38, 46 aus dem Strömungsrohrreaktor 12 abgezweigt. Der Nebenstrom 40, 36, 38, 46 fließt dann über das erste Leitungssystem 42 zur Ozonbeladungseinheit 14. Dies geschieht vorzugsweise durch Ansaugen und Weiterfördern durch die Pumpe 44. Der restliche Teil des Hauptstroms 20, 22 wird dann wie zuvor beschrieben über den ersten Auslass 18 aus dem Strömungsrohrreaktor 12 ausgeführt.
Der Nebenstrom 40, 36, 38, 46 wird dann entsprechend der Darstellung der Pfeile 36 und 38 durch die Ozonbeladungseinheit 14 durchgeführt. Dabei wird das Wasser dieses Nebenstroms 40, 36, 38, 46 mit Ozon versetzt. Mit anderen Worten wird Ozon in dieses Wasser des Nebenstroms 40, 36, 38, 46 eingebracht. Anschließend fließt dieses Wasser des Nebenstroms 40, 36, 38, 46 über das zweite Leitungssystem 48 wieder zurück zum Strömungsrohrreaktor 12. Dort tritt dieses mit Ozon beladene bzw. versetzte Wasser wieder in den Strömungsrohrreaktor 12 ein. Dies geschieht über den zweiten Einlass 24. Dies ist anhand des Pfeils 46 dargestellt. Der ozonhaltige Nebenstrom 38, 46 wird somit an dieser Stelle dem Hauptstrom 20 im Strömungsrohrreaktor 12 zugeführt. Dies geschieht vorzugsweise auf Höhe des oberen Endes 15. Das mit dem ozonhaltigen Nebenstrom 38, 46 in den Strömungsrohrreaktor 12 und zum Hauptstrom 20 zugeführte Ozon sorgt dann für die gewünschte Ozonierung des Hauptstroms 20, 22. Dabei findet die oxidative Behandlung des Wassers und die damit verbundenen Reaktionen während der Verweilzeit des Wassers des Hauptstroms 20, 22 im Strömungsrohrreaktor 12 statt. Der Strömungsrohrreaktor 12 sollte entsprechend vorzugsweise so ausgelegt sein, dass sein Volumen, Länge und der Volumenstrom durch den Strömungsrohrreaktor 12 so bemessen sind, dass die oxidative Behandlung und somit beispielsweise die Desinfektion auf Höhe des unteren Endes 17 beendet ist. Idealerweise sollte dann das durch den ersten Auslass 18 verlassende Wasser des Hauptstroms 22 vollständig behandelt sein. Dies bedeutet u. a., dass es möglichst kein oder nur noch eine geringe Konzentration von Ozon enthält. Ferner sollten natürlich die gewünschten Reaktionen der oxidativen Behandlung abgeschlossen sein, d. h. z. B. der Desinfektionsprozess am ersten Auslass 18 komplett beendet sein.
Durch die Entnahme von bereits ozoniertem Wasser durch den zweiten Auslass 26 in Form des Nebenstroms 40, 36 und die Rückführung von dem dann nach Durchführen durch die Ozonbeladungseinheit 14 ozonhaltigen Nebenstrom 38, 46 in den Strömungsrohrreaktor 12 ist vorliegend ein Kreislauf in Form einer Rezirkulierung gegeben. Dabei findet das Abzweigen über den zweiten Auslass 26 mit Bezug auf die Flussrichtung 23 nach dem Zuführen des entsprechenden Nebenstroms 40, 36, 38, 46 über den zweiten Einlass 24 statt.
Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, geht die Anmelderin davon aus, dass die effektive Funktionsweise der vorliegenden Vorrichtung 10 u. a. in der Reaktorwahl liegt. Bei einem Strömungsrohrreaktor (plug flow reactor, PFR), wie dem hier gezeigten Strömungsrohrreaktor 12, führen die Konzentrationsgradienten zu der bevorzugten Reaktion durch das Ozon und die unerwünschte Bromatbildung unterbleibt. Diese Konzentrationsgradienten eines solchen PFR liegen insbesondere begründet in der darin vorherrschenden laminaren Strömung, wie zuvor bereits erläutert wurde. Dies setzt eine entsprechende Einstellung und Führung des Reaktors voraus.
Diese laminare Strömung führt in einem idealen Reaktorsystem dazu, dass man in Flussrichtung 23 gesehen eine Aneinanderreihung von kreisförmigen Scheiben oder Kreiselementen erhält, die mit ihrer Grundfläche senkrecht zur Flussrichtung 23 stehen. Eine solche Aneinanderreihung ist in der 1 durch die Kreiselemente 50, 52, 54 schematisch veranschaulicht. Dabei sei darauf hingewiesen, dass diese Kreiselemente 50, 52, 54 hier lediglich zu Anschauungszwecken exemplarisch dargestellt sind. Mit Hinblick auf das Modell eines idealen Reaktors würden sich solche Kreiselemente wie die Kreiselemente 50, 52, 54 vom Anfang bis zum Ende des Reaktors in Flussrichtung 23 aneinanderreihen. Dabei ist deren Dicke, d. h. deren jeweilige Erstreckung in Flussrichtung 23, theoretisch infinitesimal klein. In dem beschriebenen idealen Reaktormodell eines PFR findet zwischen den entsprechenden Kreiselementen 50, 52, 54 kein Stoffaustausch statt. Die Folge ist, dass man in Flussrichtung 23 gesehen, d. h. also in der Längserstreckung des PFR einen Konzentrationsgradienten erhält. Andererseits sieht es das Modell des idealen PFRs vor, dass demgegenüber die Konzentrationsverteilung innerhalb eines jeweiligen Kreiselements 50, 52 oder 54 konstant ist. Das heißt, die Konzentration eines jeden Stoffes, der in einem jeweiligen Kreiselement 50, 52 oder 54 vorliegt, ist über das jeweilige Kreiselement konstant. Anders ausgedrückt, gibt es in radialer Richtung, d. h. senkrecht zur Flussrichtung 23, keinen Konzentrationsgradienten. Es herrscht somit innerhalb eines solchen Kreiselements 50, 52 oder 54 eine ideale Durchmischung.
Dieses laminare Strömungsprofil, das auch als Pfropfenströmung bezeichnet wird, hat letztendlich zur Folge, dass sich in einem PFR zum Zeitpunkt des Eintritts in den Reaktor eine hohe Eduktkonzentration, in der Regel kein Produkt und demgegenüber eine hohe Konzentration an Reaktant vorfinden. Geht man von einer Reaktion aus, bei der ein Edukt mit einem Reaktant zu einem Produkt reagiert, so nimmt entlang des Verlaufs eines PFRs, z. B. entlang der Flussrichtung 23, sowohl die Edukt- als auch die Reaktantkonzentration ab und die Produktkonzentration zu. Dies entspricht den zuvor beschriebenen Konzentrationsgradienten in Richtung der Flussrichtung 23.
Auf ein konkretes Beispiel für den Betrieb der vorliegenden Vorrichtung 10 übertragen, bei dem Wasser mit Hilfe von Ozon desinfiziert werden soll, läge zu Beginn, d. h. bei Eintritt in den Strömungsrohrreaktor 12, eine vergleichsweise hohe Konzentration an zu beseitigenden Bakterien (bilden hier das Edukt) und eine hohe Ozonkonzentration (bildet hier den Reaktanden) vor. Beide nehmen mit Verlauf in Flussrichtung 23 ab und es entstehen in der Regel unbedenkliche Produkte. Das Ergebnis ist dann nach einer entsprechenden Verweilzeit im Strömungsrohrreaktor 12 desinfiziertes Wasser.
Wie eingangs bereits erwähnt, besteht bei der Ozonierung von insbesondere bromidhaltigem Wasser eine unerwünschte Nebenreaktion des Bromids zu Bromat. Diese Nebenreaktion steht in Konkurrenz zu der erwünschten oxidativen Behandlung, wie der Desinfektion. Betreibt man einen Reaktor mit Durchmischung, wie beispielsweise einen kontinuierlich betriebenen Rührkessel (continuous stirred-tank reactor, CSTR) liegt im gesamten Reaktor eine relativ niedrige Eduktkonzentration vor, zu der kontinuierlich Reaktant und Edukt gegeben wird. Wenn wie im vorliegenden Fall ferner Bromid vorliegt, kann der Reaktant, also das Ozon, dann mit dem Bromid reagieren. Dies geschieht in einem CSTR, obwohl, wie die Anmelderin vermutet, die Reaktionsgeschwindigkeit der Desinfektion höher liegt als die der Bromatbildung. Die Bevorzugung der Desinfektion aufgrund der höheren Reaktionsgeschwindigkeit findet in einem CSTR wegen der geringeren Eduktkonzentration somit nicht statt. Demgegenüber ist dies auf Grund der erwähnten anfänglichen hohen Eduktkonzentration in dem zuvor beschriebenen Modell des PFR möglich.
Um dies auf die vorliegende Vorrichtung 10 zu übertragen, ist es wichtig, dass die in dem Strömungsrohrreaktor 12 vorherrschende laminare Strömung, also allgemein das Strömungsprofil in Flussrichtung 23 so lang und ausgeprägt wie möglich ist. Der aufgrund der Vermischung von Hauptstrom mit Nebenstrom entstehende Vermischungsbereich in der vorliegenden erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise so, dass er mit Bezug auf die Flussrichtung 23 so klein wir möglich ist. Dies wird durch die Art des Einströmens von Hauptstrom 20 und Nebenstrom 46 erreicht.
In der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist dazu die Anordnung des ersten Einlass 16 und zweiten Einlass 24 so, dass der durch sie einströmende Haupotstrom 20 und Nebenstrom 46 jeweils orthogonal, besonders bevorzugt 90°, zur Flussrichtung 23 eingeströmt wird. Damit wird eine relativ schmale Ausbreitung des Vermischungsbereich erreicht, der bevorzugt mit Bezug auf die Flussrichtung 23 nicht breiter ist, als der im Allgemeinen größere erste Einlass 16.
Ferner sind der erste Einlass 16 und der zweite Einlass 24, wie insbesondere in 2 zu sehen ist, gegenüberliegend voneinander angeordnet. Dabei sind sie so ausgerichtet, dass die Strömungsrichtungen von Hauptstrom 20 und Nebenstrom 46 entgegengesetzt zueinander verlaufen. In 2 ist entsprechend eine Draufsicht im Querschnitt des Strömungsrohrreaktors 12 zu sehen. Dabei ist die Darstellung so gewählt, dass die Flussrichtung 23 in die Papierebene, d. h. vom Betrachter wegführt. Im vorliegenden Beispiel weist der Strömungsrohrreaktor 12 einen runden, vorzugsweise kreisrunden Querschnitt auf. Ferner zeigt 2 auch den ersten Einlass 16 und das Ende des zweiten Leitungssystems 48, welches an dem zweiten Einlass 24 angeordnet ist. Die Anordnung der beiden Einlässe 16 und 24 ist dabei so, dass der Hauptstrom 20 und der Nebenstrom 46 hier analog zu den vorherigen Ausführungen bezüglich der Orthogonalität in der Ebene des dargestellten Querschnitts liegen. Ferner sind sie bezüglich des dargestellten Querschnitts gegeneinander versetzt angeordnet. Dies ist so zu verstehen, dass die die jeweilige Strömungsrichtung angebenden Vektoren, die vereinfacht durch die Pfeile 20 und 46 dargestellt werden, nicht auf einer gemeinsamen Linie liegen. Dies ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung so, dass diese Vektoren einen kleinsten Abstand aufweisen, der mindestens 90% des Durchmessers des Reaktors beträgt.
Vorliegend sind der erste Einlass 16 und der zweite Einlass 24 so ausgestaltet, dass eine jeweilige gedachte Linie durch das Zentrum des zugeführten Hauptstroms 20 bzw. Nebenstroms 46 in Einströmrichtung dabei unabhängig voneinander einen Abstand zum Mittelpunkt 58 des Querschnitts hat, der mindestens 90% des Radius des Querschnitts entspricht. Dieser Abstand kann je nach spezieller Konstruktion des Reaktors variieren.
Die vorliegend gezeigte Einströmrichtungen von Hauptstrom 20 und Nebenstrom 46 sind im Übrigen zueinander entgegengesetzt. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die die jeweilige Strömungsrichtung angebenden Vektoren zueinander einen Winkel von besonders bevorzugt 180° einnehmen. Würde man den zweiten Einlass 24 mit Bezug auf die Darstellung von 2 weiter oben anordnen, so dass Hauptstrom 20 und Nebenstrom 46 direkt aufeinander zuströmen, wäre eine sogenannte Prallströmung das Resultat. Diese stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, da so eine sehr schnelle Durchmischung der beiden Ströme erhalten wird. Die hier dargestellte besonders bevorzugte Anordnung hat den weiteren Vorteil, dass der zuvorgenannte Vermischungsbereich schmal gehalten wird. Dies liegt daran, dass in den eingeströmten Hauptstrom 20 der Nebenstrom 46 zugeführt wird, bzw. umgekehrt, je nach Betrachtungsweise. Die Durchmischung erfolgt dabei ebenfalls schnell und die Bildung von Turbulenzen, die den Vermischungsbereich vergrößern würden, wird vermieden.
Abgesehen von den hier gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsformen hinsichtlich der Anordnung von erstem Einlass 16 und zweitem Einlass 24 sind gemäß den zuvor gemachten Ausgestaltungsvarianten auch jeweils Abweichungen möglich, soweit diese nicht zu einer übermäßigen Vergrößerung des Vermischungsbereichs führen. Dies würde was im Extremfall den unerwünschten Übergang zu einem eher CSTR-ähnlichen System bedeuten.
Ein anderer Punkt der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung von bereits ozoniertem Wasser, durch Entnahme des Nebenstroms 40 an dem zweiten Auslass 26, um dieses in der Ozonbeladungseinheit 14 mit Ozon zu versetzen. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Maßnahme eine verbesserte oxidative Behandlung erreicht wird, als wenn noch nicht ozoniertes Wasser über die Ozonbeladungseinheit 14 in den Strömungsrohrreaktor 12 geleitet wird.
Ohne auch hier an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, geht die Anmelderin derzeit davon aus, dass dies wie zuvor bereits erwähnt auf eine geringe Wasserstoffperoxidkonzentration und einen geringen Gehalt an gelösten organischem Kohlenstoff, bzw. vorzugsweise auf die komplette Abwesenheit von Wasserstoffperoxid und/oder gelöstem organischen Kohlenstoff, an der Stelle des Auslasses 26 zurückzuführen ist. Dadurch kann das über die Ozonbeladungseinheit 14 eingebrachte Ozon effektiv im Wasser physikalisch gelöst werden, ohne gleich durch vorhandenes oder sofort gebildetes Wasserstoffperoxid zerstört zu werden bevor es überhaupt in den Strömungsrohrreaktor 12 gelangt. Die (nahezu) vollständige Lösung bewirkt letztendlich eine effektive oxidative Behandlung, bzw. Desinfektion im Strömungsrohrreaktor 12.
Die Vorrichtung 10 weist ferner einen unselektiven Sensor 60 auf, der an dem Leitungssystem 42 angeordnet ist. Dieser unselektive Sensor 60 kann dazu benutzt werden, die ggf. vorhandene Restozonkonzentration zu bestimmen. Aufgrund dieser kann dann die Dosierung des zugegebenen Ozons in der Ozonbeladungseinheit 14 gesteuert werden. Ferner eignet sich der unselektive Sensor 60 auch dazu, möglicherweise vorhandenes Wasserstoffperoxid als oxidative Spezies zu detektieren. Da dieses in dem Nebenstrom 40, 36 entsprechend der vorherigen Ausführungen unerwünscht ist, kann der so ermittelte Gehalt dazu genutzt werden die Zugabe an Ozon über die Ozonbeladungseinheit 14 zu regulieren. Da letztendlich die Ozonmenge, die in den Strömungsrohrreaktor 12 gelangt zu einer Bildung von Wasserstoffperoxid im Strömungsrohrreaktor 12 führt, korreliert auch das über den Nebenstrom 40, 36 in die Ozonbeladungseinheit 14 eingebrachte Wasser hinsichtlich seines Gehalts an Wasserstoffperoxid mit der zugegebenen Menge an Ozon. Eine einfache Ausgestaltungsform eines solchen unselektiven Sensors 60 stellt beispielsweise ein Gerät zur Bestimmung des Redoxpotentials dar.
Neben dem unselektiven Sensor 60 kann auch ein weiterer Sensor 62 in der Vorrichtung 10 vorgesehen sein. Dieser Sensor 62 ist in diesem hier gezeigten Ausführungsbeispiel am ersten Auslass 18 angeordnet. Der Sensor 62 dient dazu, die Ozonkonzentration in dem Wasser, das in Form des Hauptstroms 22 aus dem Strömungsrohrreaktor 12 fließt, zu bestimmen. Dies kann entweder quantitativ oder qualitativ erfolgen. Wünschenswert ist in der Regel, dass für das Wasser, z. B. wenn dieses als Trinkwasser verwendet werden soll, eine geringe bis gar keine Ozonkonzentration im Bereich des ersten Auslasses 18 vorhanden ist. Bei einer qualitativen Messung könnte die Empfindlichkeit des Sensors 62 dann so eingestellt sein, dass dieser ein Signal oder eine Warnung gibt, sobald die Ozonkonzentration einen entsprechenden Schwellwert überschreitet. Eine quantitative Messung des Ozongehalts im Hauptstrom 22 bei Austritt aus dem Strömungsrohrreaktor 12 könnte insgesamt zum Monitoring und zur Regelung der gesamten Anlage dienen. So könnte dann das zugeführte Ozon in der Ozonbeladungseinheit 14 reguliert werden. Die Einstellung könnte dabei so erfolgen, dass beispielsweise kein Ozon mehr am Sensor 62 detektiert werden kann oder der Gehalt an Ozon einen bestimmten Wert unterschreitet. Anders herum kann, wenn der gemessene Wert am Sensor 62 weit unter vorgegebenen Grenzwerten liegt, ggf. die Einführung von Ozon in der Ozonbeladungseinheit 14 erhöht werden. Dadurch wäre eine stärkere Ozonierung zu erhalten. Dies kann z. B. dann erstrebenswert sein, wenn z. B. die Keimbelastung des zu ozonierenden Wassers sehr hoch ist. Bei einer quantitativen Bestimmung am Sensor 62 ist dann im Übrigen auch eine Bestimmung des Wasserstoffperoxidgehalts am unselektiven Sensor 60 möglich. Der letztere Gehalt ergibt sich dabei aus der Differenz der Werte, vorausgesetzt das (nahezu) keine anderen oxidativen Spezies am unselektiven Sensor 60 detektiert werden.
Die Vorrichtung 10 kann ferner ein Entgasungsventil 64 aufweisen. Dieses Entgasungsventil 64 ist in der hier gezeigten bevorzugten Ausgestaltung am oberen Ende 15 des Strömungsrohrreaktors 12 angeordnet. Das Entgasungsventil 64 dient insbesondere dazu, während der Reaktion gebildete Gase oder aus dem ozonhaltigen Nebenstrom 64 austretendes gasförmiges Ozon aus dem Strömungsrohrreaktor 12 bzw. der Vorrichtung 10 abführen zu können. Dies ist durch einen Pfeil 66 veranschaulicht. Das Abführen von ausgasendem Ozon aus dem Strömungsrohrreaktor 12 funktioniert dabei sehr effektiv, wenn der Strömungsrohrreaktor 12 so angeordnet ist, dass die Flussrichtung 23 in Richtung der Schwerkraft liegt.
Die Funktionsweise der in 1 vereinfacht dargestellten Ozonbeladungseinheit 14 soll nun im Folgenden näher im Zusammenhang mit der 3 erläutert werden.
Wie bereits zuvor erwähnt und durch den Pfeil 34 angedeutet, wird über den Ozoneinlass 32 Ozon in die Ozonbeladungseinheit 14 eingebracht. Diese Ozonbeladungseinheit 14 ist im vorliegenden Beispiel als ein zylinderförmiger Hohlkörper 68 ausgestaltet. Dieser Hohlkörper 68 weist eine runde, vorzugsweise kreisrunde Grundfläche auf. Dies ist in 3 nicht näher dargestellt. Das in die Ozonbeladungseinheit 14 eingebrachte gasförmige Ozon wird vorzugsweise elektrisch direkt hergestellt. Das Trägergas für dieses Ozon ist Luft oder vorzugsweise Sauerstoff, der durch Adsorption von Stickstoff und Wasser in einem Molekularsieb bereitgestellt wird. Bevorzugt wird das so entsprechend dem Pfeil 34 in die Ozonbeladungseinheit 14 überbrachte Ozon mit Hilfe eines Kompressors zwangsweise in das Wasser eindosiert bzw. eingebracht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann dieses Ozon auch durch einen Injektor am Ozoneinlass 32 in den durchströmenden Nebenstrom 36, 38 eingesaugt werden.
Durch das Einbringen des Ozons in das Wasser wird ein Zweiphasengemisch aus dem Nebenstrom 36, 38 bzw. aus dem diesen bildenden Wasser und dem gasförmigen Ozon erhalten. Um dieses Ozon nun physikalisch in dem Wasser zu lösen, ist bei der hier gezeigten Ozonbeladungseinheit 14 eine Füllkörperschicht 70 vorgesehen. Diese Füllkörperschicht 70 kann aus verschiedenen Materialien wie z. B. Glas, Metall, Keramik oder Kunststoff hergestellt sein. Sie weist in der Regel aus diesen Materialien bestehende kleine Teilchen in Form einer Schüttung, vorzugsweise eine Kugelschüttung, auf.
Durch diese Füllkörperschicht 70 wird das Zweiphasengemisch aus Wasser und Ozon gepresst. Dadurch tritt zum einen in radiale Richtung, d. h. senkrecht zur Strömungsrichtung des Nebenstroms 36, 38, eine ideale Durchmischung auf. Das Ergebnis ist, dass in dem erhaltenen Nebenstrom 38, der mit Ozon versetzt ist, in radialer Richtung kein Konzentrationsgradient vorliegt. Der Grund hierfür ist, dass durch die Füllkörperschicht 70 dem Nebenstrom 36, 38 eine turbulente Strömung aufgezwungen wird. Dabei werden Reynoldszahlen von mehr als 10.000 erreicht. In Verbindung mit dem Durchpressen unter Druck wird dabei gleichzeitig das gasförmige und in der Regel in Form von Blasen vorliegende Ozon so verwirbelt, dass dadurch eine Vielzahl von Kleinstblasen entsteht. Diese Kleinstblasen haben den Vorteil, dass die Fläche, über die der Übergang des Ozons in das Wasser stattfindet, vergrößert wird. Dies begünstigt somit die physikalische Lösung des Ozons im Wasser. Aufgrund dieser Zerkleinerung der ursprünglichen Ozonblasen in eine Vielzahl von Kleinstblasen wird diese Füllkörperschicht 70 auch als Blasenshredder bezeichnet.
Während das am dritten Einlass 28 in die Ozonbeladungseinheit 14 eintretende Wasser einen statischen Druck hat, der dem des Strömungsrohrreaktors 12 im Bereich des Endes 17 entspricht, wird durch das beispielsweise mittels Kompressor in den Nebenstrom 36 eingebrachte Ozon der statische Druck erhöht. Somit liegt am dritten Ausgang 30 ein höherer Druck vor als am dritten Eingang 28 der Ozonbeladungseinheit 14. Dieser Druck kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel z. B. 3 bar betragen. Ein erhöhter Druck hat ferner den Vorteil, dass dadurch auch wieder die physikalische Lösung des Ozons in das Wasser begünstigt wird.
Eine Anpassung des Gesamtreaktordrucks in der Vorrichtung 10 ist somit durch die zugeführte Ozongasmenge möglich. Dadurch kann z. B. der Reaktordruck erhöht werden, indem mehr Ozon zugeführt wird. Ferner ist eine Regelung durch das Entgasungsventil 64 möglich. Durch dieses kann entsprechend überschüssiger Druck abgelassen werden.
Die Reaktorführung ist in dem hier exemplarisch beschriebenen System der Vorrichtung 10 so, dass über den Ozoneinlass 32 eine Menge an Ozon im Bereich zwischen 130 bis 230 g/m³, vorzugsweise 150 bis 210 g/m³ und besonders bevorzugt 170 bis 190 g/m³ eingebracht werden. Eine bevorzugte Zugabe von Ozon würde somit z. B. 180 g/m³ betragen.
Die letztendlich dann in den Strömungsrohrreaktor 12 zudosierte Menge an Ozon über den ozonhaltigen Nebenstrom 46 wird darüber dann so eingestellt, dass zum einen die gewünschte oxidative Behandlung durch die Ozonierung effektiv eintritt, z. B. eine Desinfektion, und gleichzeitig die Bildung von Bromat auf einem Minimum gehalten wird, vorzugsweise komplett unterdrückt wird.
Die zudosierte Menge an Ozon sollte nach Untersuchungen der Anmelderin vorteilhafterweise zwischen 0,01 bis 0,5 (mg/L)·min betragen. Insbesondere bevorzugt ist ein Zudosierungswert im Bereich von 0,1 bis 0,4 (mg/L)·min. Inwieweit die Zudosierung Auswirkung auf die Effektivität der Ozonierung und gleichzeitig auf die Bromatbildung hat, wird im Folgenden beispielhaft anhand der 4 erläutert.
Dabei ist in der Darstellung der 4 auf der Abszisse die jeweilige Dosierung an Ozon in (mg/L)·min aufgetragen. Die links dargestellte Ordinate mit den Werten 0,01, 0,1 und 1 zeigt logarithmisch die Menge an enthaltenen Bakterien an, die am ersten Ausgang 18 der Vorrichtung 10 im austretenden Hauptstrom 22 enthalten sind. Die Werte sind dabei als Verhältnis der vorhandenen Bakterien im Vergleich zu der ursprünglich durch den Hauptstrom 20 und den ersten Einlass 16 eingebrachten Bakterien angegeben. Die Korrelation zwischen dem Bakteriengehalt des ausströmenden Wassers am ersten Auslass 18 in Bezug auf die Dosis an zugegebenem Ozon gibt eine Gerade 72 an. Dieser Gerade 72 kann entnommen werden, dass in der vorliegend beispielhaft beschriebenen Vorrichtung 10 bereits ab einer Dosis von 0,1 (mg/L)·min an Ozon eine nahezu vollständige Beseitigung der Bakterien und somit eine vollständige Desinfektion des durchfließenden Wassers erreicht werden kann.
Die auf der rechten Seite vorliegende Ordinate gibt den aufgrund des Ozons gebildeten Bromatanteil an. Das Verhältnis von diesem zur zugegebenen Ozondosis zeigt eine weitere Gerade 74. Es hat sich bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, dass erst ab einer Dosis von 0,4 (mg/L)·min eine Bildung von Bromat auftritt. Die Skalierung der rechten Ordinate, die den Bromatgehalt angibt, ist hier so gewählt, dass das Verhältnis von Bromat zu Bromid angegeben ist.
Insgesamt kann man der Darstellung aus 4 entnehmen, dass ein Betrieb zwischen 0,01 und 0,5 (mg/L)·min an zudosiertem Ozon eine je nach gewünschter Wirkung des Ozons, d. h. z. B. je nach gewünschter Desinfizierung, akzeptable Vorrichtungsführung darstellt. Entsprechend der hier dargestellten und gefundenen Werte zeigt sich, dass insbesondere zwischen 0,1 bis 0,4 (mg/L)·min an zudosiertem Ozon ein bevorzugter Betrieb der vorliegenden Vorrichtung vorliegt. Dieser Bereich stellt die mögliche Zudosierung an Ozon dar, bei der zum einen eine optimale Desinfektion und gleichzeitig keine messbare Bromatbildung vorliegt.
Dem gegenübergestellt zeigt die 5 einen ähnlichen Zusammenhang zwischen zudosierter Menge an Ozon und den entsprechenden Desinfektionsraten sowie der Bildung an Bromat für einen CSTR, also einen kontinuierlich betriebenen Rührkessel.
Auch hier zeigt die Abszisse wieder die Werte des zudosierten Ozons in (mg/L)·min. Dabei sei darauf hingewiesen, dass hier die zudosierten Mengen größer sind. Dieser Unterschied ist auf das zuvor erwähnte schlechtere Reaktionsverhalten in einem CSTR im Vergleich zu einem PFR zurückzuführen, dass eine höhere Dosierung von Ozon nötig macht. Die linke Ordinate zeigt hier wieder logarithmisch aufgetragen das Verhältnis von ausgeführten Bakterien zu ursprünglich eingebrachten Bakterien.
Demgegenüber zeigt die rechte Ordinate das Verhältnis von Bromat zu Bromid am Ausgang eines entsprechenden Reaktors.
Das Verhalten zwischen zudosiertem Ozon und des resultierenden Bakterienrestes wird durch die Kurve 76 veranschaulicht. Man sieht hierbei einen abflachenden Verlauf der Kurve 76. Dies bedeutet, dass selbst bei vergleichsweise hohen Dosierungen an Ozon keine mit dem zuvor beschriebenen PFR-System vergleichbare oxidative Behandlung, also Desinfizierung, möglich ist. Der unterschiedliche Verlauf der beiden Graphen, die den Zusammenhang zwischen Bakteriengehalt und Ozondosis in 4 und 5 beschreiben, ist auf die unterschiedlichen Charakteristika der beiden Reaktorsysteme PFR und CSTR zurückzuführen.
Ferner zeigt 5 eine Gerade 78, die den Zusammenhang zwischen dem gebildeten Bromat im Verhältnis zum Bromid und der zudosierten Ozonmenge darstellt. Man sieht hier im Vergleich zu der Darstellung für den PFR in 4, dass mit einem CSTR keine Reaktionsführung möglich ist, in der eine Bromatbildung ganz ausbleibt und dennoch eine akzeptable Desinfizierung erreicht werden kann. Soll keine Bromatbildung vorliegen, ist von einem Wert von 0,4 auf der Abszisse auszugehen. Dies führt zu einem korrelierenden Bakteriengehalt auf der Ordinate zwischen 0,1 und 1,0, d. h. zu einem Restbakteriengehalt von etwa 30%. Folgt man demgegenüber der Kurve 76 weiter zu eher akzeptablen Werten, die möglichst einen Ordinatenwert von 0,1 für die Bakterien unterschreiten, kommt man zu einer relativ hohen Dosierung von etwa 2 (mg/L)·min an Ozon und auf der rechten Ordinate entsprechend der Gerade 78 zu Werten von 0,05. Dies entspricht dann 5% an Bromat im Vergleich zum Bromid. Geht man von einem Bromidgehalt von üblichen 100 μg/L aus, führt dies letztendlich zu einer Bromatkonzentration von etwa 5 μg/L. Diese Werte sind bei den derzeit vorliegenden Grenzwerten für Mineralwasser von 3 μg/L nicht akzeptabel. Ferner liegt man hier immer noch in einem Bereich mit einem Restbakteriengehalt von nur knapp unter 10%.
Im Folgenden sollen nun lediglich exemplarisch noch weitere Angaben zu der Vorrichtung 10 und ihres Betriebs anhand einiger Kenndaten gemacht werden.
In einer exemplarischen Ausgestaltung dieser Vorrichtung 10 beträgt das Reaktorvolumen des Strömungsrohrreaktors 12 0,5 m³. Die Verweilzeit, d. h. die Zeit, die ein beliebiges Teilchen im Hauptstrom 20 entlang der Flussrichtung 23 innerhalb dieses Reaktors bleibt, beträgt beispielsweise eine Minute. Dies ergibt insgesamt einen Volumenstrom von 30 m³/h für den Hauptstrom 20, 22.
Da der abgezweigte und wieder zugeführte Nebenstrom 40, 36, 38, 46 entsprechend der zuvor gemachten Ausführungen die Strömungscharakteristik des Strömungsrohrreaktors 12 nicht stören soll, ist es ferner sinnvoll, nur einen geringen Teil des Hauptstroms 20, 22 als Nebenstrom 40, 36, 38, 46 abzuzweigen und wieder zurückzuführen. Es hat sich gezeigt, dass hierbei ein Verhältnis von Hauptstrom 20, 22 zu Nebenstrom 40, 36, 38, 46 im Bereich von 10:1 oder darüber sinnvoll ist. Bei deutlich geringeren Verhältniswerten für den Hauptstrom 20, 22 gegenüber dem Nebenstrom 40, 36, 38, 46 vergrößert sich die Wahrscheinlichkeit, dass der zugeführte Nebenstrom 46 die Strömungscharakteristik im Strömungsrohrreaktor 12 entsprechend der zuvor gemachten Erläuterungen stört. Die Folge wäre ein Reaktorverhalten, das eher einem CSTR denn einem PFR ähnelt. Dies ist entsprechend der zuvor gemachten Ausführungen, insbesondere auch im Zusammenhang mit den 4 und 5, nicht erwünscht.
Folglich hätte in der hier beschriebenen speziellen Ausführungsform der Nebenstrom einen Volumenstrom von 3 m³/h.
Die Menge an Bromid in dem verwendeten Wasser beträgt 100 μg/L und eine Bromatbildung war nicht nachweisbar. Demgegenüber beträgt die am ersten Auslass 18 herauskommende Bromidkonzentration 50 μg/L.
Diese Abnahme der Bromidkonzentration führt die Anmelderin, ohne auch hier durch eine Theorie gebunden sein zu wollen, darauf zurück, dass ein Teil des Bromids, wie zuvor im Zusammenhang mit der Formel I beschrieben, zu hypobromiger Säure bzw. zu Hypobromiden reagiert. Statt dass dann die komplette hypobromige Säure bzw. die Hypobromide aufgrund des Wasserstoffperoxids, das vermutlich im Strömungsrohrreaktor 12 vorhanden ist, zu Bromiden zurückreagiert, reagiert auch ein Teil dieser Hypobromide mit in dem Wasser vorhandenen gelösten organischen Substanzen. Diese organischen Substanzen werden in der Wassertechnik häufig als der zuvor bereits erwähnte gelöste organische Kohlenstoff quantitativ bestimmt. Die Anmelderin vermutet nun, dass dieser gelöste organische Kohlenstoff bzw. die entsprechenden Substanzen mit den Hypobromiden bzw. mit der hypobromigen Säure reagieren und dabei Substanzen wie z. B. Bromoform (Tribrommethan) bilden. Diese leicht flüchtigen Substanzen werden dann aus dem System ausgeschieden. Dies kann z. B. durch das zuvor erwähnte Entgasungsventil 64 geschehen.
Der in dem zugeführten Wasser vorliegende gelöste organische Kohlenstoff kann z. B. im Bereich von 1 mg/L liegen und kommt neben den durch die Desinfektion zu beseitigenden Pilzen, Keimen und/oder Bakterien beispielsweise aus Huminstoffen, die z. B. häufig im Wasser aus weniger tiefen Brunnen zu finden sind.
Das beispielhafte System wurde im Übrigen bei einem alkalischen pH-Wert von z. B. 7,8 betrieben. Es lag ein Carbonatgehalt von 400 mg/L vor. Ohne auch hier an eine Theorie gebunden sein zu wollen, geht die Anmelderin davon aus, dass sowohl der alkalische pH-Wert in diesem Bereich als auch der Carbonatgehalt weiterhin unterstützend für eine erfolgreiche oxidative Behandlung durch Ozonierung sind. Hierbei hat sich gezeigt, dass Carbonatgehalte im Bereich von 1 bis 1000 mg/L und pH-Werte im Bereich von 7 bis 12, vorzugsweise 7 bis 8,2 gut funktionieren.
Nach derzeitigem Kenntnisstand der Anmelderin ist es so, dass Carbonate zu einer gewissen Stabilisierung von gelöstem Ozon beitragen. Gleichzeitig wird die Konzentration an durch das Ozon erzeugten unselektiven OH-Radikalen verringert, da diese durch Carbonate abgefangen werden. Somit ist durch diese stabilisierten Ozonmoleküle die direkte Reaktion von Ozon mit Pilzen, Keimen oder Bakterien möglich. Diese direkte Reaktion wird auch als Criegee-Ozonidreaktion bezeichnet.
Die pH-Werte sollten ferner nicht in zu alkalischen Bereichen, d. h. größer 12 liegen. Ab diesem pH-Wert kommt höchstwahrscheinlich eine Nebenreaktion hinzu, bei der die Carbonate das gelöste Ozon zerstören können, so dass letztendlich keine Lösung von Ozon in Wasser mehr stattfinden kann. Damit läge es nicht mehr für die gewünschte oxidative Behandlung des Wassers vor.
Für die Bestimmung des Ozongehalts am ersten Auslass 18 durch den Sensor 62 wurde in einer beispielhaften Anlage der Anseros WP Water Analyzer der Anmelderin verwendet. Die Bestimmung des Bromatgehalts am Ausgang erfolgte beispielhaft durch Massenspektrometrie oder Anionenaustauschchromatographie mit entsprechenden Leitfähigkeits- bzw. photometrischen Detektoren. Die Nachweisgrenzen für Bromat liegen dabei derzeit bei 0,01 μg/L.

Claims

Vorrichtung zur Ozonierung von Wasser, umfassend: einen Strömungsrohrreaktor (12), mit einem ersten Einlass (16) an einem oberen Ende (15) und einem ersten Auslass (18) an einem unteren Ende (17), und einem zweiten Einlass (24) an dem oberen Ende (15) des Strömungsrohrreaktors (12) und einem zweiten Auslass (26) im Bereich des unteren Endes (17) des Strömungsrohrreaktors (12), und ferner umfassend eine Ozonbeladungseinheit (14), zum Einbringen von Ozon in Wasser, mit einem dritten Einlass (28) und einem dritten Auslass (30), wobei der zweite Auslass (26) und der dritte Einlass (28), sowie der zweite Einlass (24) und der dritte Auslass (30) so miteinander verbunden sind, dass Wasser jeweils zwischen diesen jeweiligen Einlässen (24, 28) und Auslässen (30, 26) fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Einlass (16) und der zweite Einlass (24) jeweils so ausgestaltet sind, dass das jeweils in den Strömungsrohrreaktor (12) einströmende Wasser im Wesentlichen orthogonal zu einer Längserstreckung des Strömungsrohrreaktors (12) in diesen eingeströmt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Einlass (16) und der zweite Einlass (24) so ausgestaltet sind, dass die Einströmrichtungen des jeweils in den Strömungsrohrreaktors (12) einströmenden Wassers entgegengesetzt zueinander sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Einlass (16) und der zweite Einlass (24) so am Strömungsrohrreaktor (12) angeordnet sind, dass sie bezogen auf einen Querschnitt des Strömungsrohrreaktors (12) gegeneinander versetzt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit ferner einer Pumpe (44), durch die Wasser vom zweiten Auslass (26) zum dritten Einlass (28) befördert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit ferner einem unselektiven Sensor (60) zur quantitativen Bestimmung des Gehalts an oxidativen Spezies des der Ozonbeladungseinheit (14) zugeführten Wassers.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit ferner einem Sensor (62) zur Detektion von Ozon im Bereich des ersten Auslasses (18).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei durch den Strömungsrohrreaktor (12) über den ersten Einlass (16) und den ersten Auslass (18) ein Hauptstrom (20, 22) fließt und durch die Ozonbeladungseinheit (14) ein Nebenstrom (40, 36, 38, 46) fließt und die Vorrichtung so ausgestaltet ist, dass das Verhältnis von Hauptstrom (20, 22) zu Nebenstrom (40, 36, 38, 46) im Bereich von 10:1 oder darüber liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Strömungsrohrreaktor (12) so ausgerichtet ist, dass durch ihn fließendes Wasser eine Flussrichtung (23) aufweist, die in Richtung der Schwerkraft verläuft.
Verfahren zum Ozonieren von Wasser, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Strömungsrohrreaktors (12), durch den Wasser in einer Flussrichtung (23) fließen kann, und Bereitstellen einer Ozonbeladungseinheit (14), zum Einbringen von Ozon in Wasser, Hindurchführen von zu ozonierendem Wasser in Form eines Hauptstroms (20, 22) durch den Strömungsrohrreaktor (12), Bereitstellen von mit Ozon versetztem Wasser, durch Abzweigen eines Nebenstroms (40) aus dem Strömungsrohrreaktor (12) und Hindurchführen des Nebenstroms (36, 38) durch die Ozonbeladungseinheit (14), dabei Einbringen von Ozon in das Wasser des Nebenstroms (40, 36), Zuführen des ozonhaltigen Nebenstroms (38, 46) zu dem Hauptstrom (20, 22) im Strömungsrohrreaktor (12), wobei das Abzweigen des Nebenstroms (40) am Strömungsrohrreaktor (12) in Bezug auf die Flussrichtung (23) im Strömungsrohrreaktor (12) nach dem Zuführen des Nebenstroms (46) geschieht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Hauptstrom (20) und der aus der Ozonbeladungseinheit (14) stammende Nebenstrom (38, 46) im Wesentlichen orthogonal zur Flussrichtung (23) in den Strömungsrohrreaktor (12) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Hauptstrom (20) und der Nebenstrom (46) entgegengesetzt zueinander in den Strömungsrohrreaktor (12) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Hauptstrom (20) und der Nebenstrom (46) bezogen auf einen Querschnitt des Strömungsrohrreaktors (12) gegeneinander versetzt zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Verhältnis des Hauptstroms (20, 22) zum Nebenstrom (40, 36, 38, 46) im Bereich von 10:1 oder darüber liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Verweilzeit des Wassers im Strömungsrohrreaktor (12) so gewählt ist, dass eine oxidative Behandlung des Wassers vollständig ablaufen kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die zugegebene Menge an Ozon in der Ozonbeladungseinheit (14) zwischen 130 bis 230 g/m³, vorzugsweise 150 bis 210 g/m³ und besonders bevorzugt 170 bis 190 g/m³ beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Dosis an Ozon beim Zuführen des Nebenstroms (46) in den Strömungsrohrreaktor (12) 0,01 bis 0,5 (mg/L)·min, vorzugsweise 0,1 bis 0,4 (mg/L)·min beträgt.
Verfahren zum Ozonieren von Wasser, wobei das Ozon mit bereits ozoniertem Wasser als Träger in das zu ozonierende Wasser eingebracht wird.