DE102013007992A1

DE102013007992A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Desinfektion und Filtration von Wässern

Info

Publication number: DE102013007992A1
Application number: DE102013007992.6A
Authority: DE
Inventors: Daniela Haaken; Viktor Schmalz; Thomas Dittmar; Eberhard Worch; Jens Ilian; Wolfgang Triller; Martin Bergmann
Original assignee: BERGMANN CLEAN ABWASSERTECHNIK GmbH; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Bergmann Umwelttechnik De GmbH; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2014-11-06
Also published as: DE102013007992A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch unterstütztes Verfahren zur Desinfektion und Filtration von Wasser, insbesondere Oberflächen- und Grundwasser sowie mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Wasser wird durch ein Filterbett aus granularem Material mit darin angeordneten Elektroden geleitet und an diesen eine Gleichspannung angelegt, wobei das Wasser durch ein überstautes Filterbett mit einem sich bildenden Biofilm geleitet wird und die Größen von Gleichspannung und Verweilzeit des Wassers im Filterbett so gewählt werden, dass bei dem erzeugten elektrischen Feld unter minimaler Stromstärke verstärkt Mikroorganismen am Filtermaterial und am Biofilm akkumuliert werden und so die Desinfektion des das Filterbett durchströmenden Wassers bewirkt wird. Auf effektive Weise wird durch die Erfindung die Elektrofiltration mit einer biofilmgestützten Desinfektion und Filtration im low-cost-Bereich verbunden. Die erfindungsgemäße Behandlung von Oberflächen- und Grundwasser ist besonders zur Gewinnung von Trink- und Brauchwasser geeignet. Das auf der Grundlage der Erfindung desinfizierte mechanisch-biologisch gereinigte Wasser kann dem Vorfluter zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch unterstütztes Verfahren zur Desinfektion und Filtration von Wasser, insbesondere Oberflächen- und Grundwasser sowie mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Elektrisch unterstützte Tiefenfiltrationsverfahren wurden bisher kaum in der Wasseraufbereitung eingesetzt.
Die Entfernung von partikulären Stoffen aus wässrigen Suspensionen durch Elektrofiltration wurde in Studien von Judd, S. J. und Solt, G. S., Electrophoretically-assisted depth filtration of aqueous suspensions through various fibrous media, Chem. Eng. Sci., 46, 1991, 419–428 sowie von Zhang, S., Tan, R. B. H. und Neoh, K. G.; Tien, C., Electrofiltration of aqueous suspensions, J. Colloid Interface Sci., 228, 2000, 393–404, thematisiert. Judd et al. (1991) untersuchten die elektrophoretisch unterstützte Tiefenfiltration unter Einsatz verschiedener Faserfiltermaterialien. Dabei zeigte sich, dass die Kollektoreffizienz zwar linear mit zunehmender Feldstärke steigt, jedoch die Geschwindigkeit der Kollektoreffizienzänderung deutlich schwächer von der elektrischen und dielektrischen Leitfähigkeit der Fasermaterialien abhängt als es Berechnungen theoretischer Modelle wiedergeben.
Zhang et al. (2000) demonstrierten die Effektivität eines elektrischen Feldes in einem leitendem und nicht leitendem granularem Filterbett, um den Rückhalt von Partikeln aus wässrigen Suspensionen zu erhöhen.
Die Wirksamkeit von in Festbettfiltern integrierten elektrischen Feldern auf mikrobiologisch relevante Parameter ist bis heute unzureichend erforscht. Vereinzelt werden verschiedene Apparaturen zur Trinkwasseraufbereitung aufgezeigt JP 2001 269 669 beschreibt die Regenerierung eines Sandfilters, bei dem die von Biofilmen verursachte Kolmation des Filters durch Anlegen eines Hochspannungsimpulses (5...20 kV; 0,1...1 s; Wiederholung: mehrere dutzend bis hundert Male) an das Filterbett unterdrückt werden soll. Da der Biofilm maßgeblich zur Keimzahlreduktion durch Adsorption, Prädation und Eliminierung nach Langenbach, K.; Kuschk, P.; Horn, H. und Kästner, M., Modeling of slow sand filtration for disinfection of secondary clarifier effluent. Water Res., 44, 2010, 159–166, beiträgt, erweist sich jedoch die vollständige Inaktivierung der Biofilm bildenden Mikroorganismen als nachteilig. Des Weiteren ist der Einsatz von hochspannungsunterstützten Anlagen durch den hohen Energieverbrauch sowie hohen Sicherheitsaufwand limitiert.
Werden Spannungen nicht im Kilovolt- sondern im Volt-Bereich eingesetzt, können die generierten elektrischen Felder den Rückhalt von Mikroorganismen im Filterbett verstärken. Li, Y.; Ehrhard R.; Biswas, P.; Kulkarni, P.; Carns, K.; Patterson, C.; Krishnan, R. und Sinha, R., Removal of waterborne particles by electrofiltration: Pilot-scale testing, Environ. Eng. Sci., 26, 2009, 1795–1803, untersuchten den Elektrofiltrationsprozess mit mehreren Elektroden im Pilotmaßstab zur Trinkwasseraufbereitung. Es wurde u. a. festgestellt, dass der Rückhalt kleiner Partikel mit einer Größe von 2 μm...4 μm von 1,27 log-Stufen auf 1,5 log-Stufen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes (angelegte Spannung = 16 V) erhöht wird. Die Zunahme der Entkeimungsleistung unter Einwirkung eines elektrischen Feldes ist jedoch mit 15% sehr gering. Nachteilig ist weiterhin, dass der Rückhalt wasserbürtiger Bakterien nicht mikrobiologisch untersucht, sondern nur Partikelzählungen angewendet wurden. Diese können lediglich einen Hinweis auf die Entfernbarkeit von Bakterien geben. Genaue Untersuchungen zur Akkumulation spezifischer Pathogene im Filterbett bzw. zu biologischen Prozessen gehen aus dieser Arbeit nicht hervor. Dagegen zeigten Kulkarni, P.; Dutari, G.; Weingeist, D.; Adin, A.; Haught, R. und Biswas, P., Capture of water-borne colloids in granular beds using external electric fields: improving removal of Cryptosporidium parvum, Water Res., 39, 2005, 1047–1060, dass der Rückhalt des wasserbürtigen Pathogens Cryptosporidium parvum unter Verwendung von feinem Sand von 10% auf 70% und von 30% auf 96% unter Einsatz von MgO in Anwesenheit eines elektrischen Feldes erhöht wird. Das Verfahren und die Vorrichtung hierzu sind in der Patentschrift US 7 811 460 B2 dargelegt. US 7 811 460 B2 offenbart ein elektrisch unterstütztes, abwärts durchströmtes Festbettfiltrationsverfahren zur Entfernung von Biokolloiden, wobei sich das granulare Filtermaterial (MgO oder Sand) in einem ringförmigen Raum zwischen zwei konzentrischen, zylindrischen Elektroden befindet. Durch Anlegen einer Gleichspannung an den Elektroden wird ein elektrisches Feld, welches bevorzugt senkrecht zum Wasserfluss orientiert ist, erzeugt. Bei den angewendeten Spannungen im Bereich von 5 V...20 V wurde die Entstehung von Elektrolysegasen infolge der elektrolytischen Zersetzung von Wasser beobachtet. Bei diesen Potentialen führt die Elektrolyse chloridhaltiger Wässer jedoch außerdem zur Generierung von Germiziden, wie freies Chlor, Gesamtchlor bzw. Wasserstoffperoxid (Schmalz V.; Dittmar, Th.; Haaken, D. und Worch, E., Electrochemical Disinfection of Biologically Treated Wastewater from Small Treatment Systems by Using Boron-doped Diamond (BDD) Elektrodes – Contribution for Direct Reuse of Domestic Wastewater. Water Res., 43, 2009, 5260–5266 sowie Haaken, D.; Dittmar, T.; Schmalz, V.; Worch, E., Influence of operating conditions and specific water parameters an the electrochemical bulk disinfection of biologically treated sewage at boron-doped diamond (BDD) electrodes, Desalin. Water Treat., 46, 2012, 160–167). Daher sollten elektrochemisch erzeugte Desinfizientien auch in dem beschriebenen Filter einen wesentlichen Beitrag zur Keimzahlreduktion leisten, so dass diese u. a. auf der oxidierenden und somit zellzerstörenden Wirkung der Germizide beruht. Dadurch wird jedoch auch die Bildung eines Biofilms im Filterbett verhindert. Zusätzlich wird eine pH-Wert-Änderung des behandelten Wassers durch die anodische Bildung von Hydroniumionen sowie die kathodische Bildung von Hydroxidionen hervorgerufen. Die kathodisch erzeugten Hydroxidionen verursachen eine Erhöhung des pH-Wertes, wodurch Kalk- und Magnesium hydroxidablagerungen auf der Kathode und im Filterbett entstehen. Die Folge des sogenannten Scalings sind Stromunterbrechungen sowie die Kolmation des Filters, die zum vollständigen Versagen des Elektrofilters führen können. Zudem können starke pH-Wert-Schwankungen im schlimmsten Fall die Oberflächenladung und somit die elektrokinetische Mobilität der Biokolloide aufheben (DeFlaun, M. F. und Condee, C. W., Electrokinetic transport of bacteria, J. Hazard. Mater., 55, 1997, 263–277), wodurch eine Verringerung der Kollektoreffizienz verursacht wird. Des Weiteren schränken die Autoren das beschriebene Verfahren u. a. auf die Entfernung von Biokolloiden in einem Größenbereich von 0,001 μm...0,1 μm ein. Die Größe hygienisch relevanter Bakterien überschreitet jedoch diesen Bereich. So zeigen klassische Indikatorkeime, wie E. coli und Enterokokken eine Größe von 0,5 μm...2 μm sowie Coliforme allgemein eine Größe von 1 μm...4 μm (Auckenthaler, A.; Huggenberger, P., Pathogene Mikroorganismen im Grund- und Trinkwasser, Transport-Nachweismethoden-Wassermanagement, Birkhäuser Verlag, 2003). Ein Grenzwert bezüglich dieser Bakterien wird oftmals innerhalb der Trinkwasser-, Brauchwasser- und Abwasseraufbereitung durch den Gesetzgeber festgelegt. So dürfen weder E. coli, Coliforme noch Enterokokken pro 100 ml Trinkwasser enthalten sein (Verordnung über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch (Trinkwasserverordnung – TrinkwV 2001, 21. Mai 2001, BGB I. I S. 959). Die hygienischen Anforderungen an Brauchwasser sind je nach Gefährdungspotential, welches vor allem durch die Art des Kontaktes zwischen Abwasser und Mensch hervorgerufen wird, verschieden definiert (US-Environmental Protection Agency (US EPA) Guidelines for water reuse. No. EPA/625/R-04/108, 2004; Deutsche Norm DIN 19650 Bewässerung – Hygienische Belange von Bewässerungswasser. Normenausschuss Wasserwesen im Deutschen Institut für Normung e. V., Beuth Verlag Berlin, 1995, 4; WHO Technical Report Series No. 778, Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture. Report of a WHO Scientific Group. Geneva, World Health Organization, 1989). Innerhalb der dezentralen Abwasserbehandlung wird seit 2005 nach den Grundsätzen des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBT) die Zusatzklasse + H vergeben, wenn der Kläranlagenablauf weniger als 100 fäkalcoliforme Keime pro 100 mL enthält. Dies ermöglicht die gefahrlose Versickerung des Abwassers in Karst- und Wasserschutzgebieten. Somit stellt die Reduktionsleistung des Elektrofilters bezüglich der genannten Indikatorbakterien ein weiteres wichtiges Kriterium dar. In der Patentschrift werden jedoch diesbezüglich keine Aussagen getroffen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes, elektrisch unterstütztes Verfahren zur germizidfreien Desinfektion und Filtration von Wasser, insbesondere Oberflächen- und Grundwasser sowie mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen. Der Begriff Desinfektion wird hier als Reduktion hygienerelevanter Mikroorganismen um mindestens 4 log-Stufen definiert. Dabei sind vor allem Bakterien fäkalen Ursprungs (Fäkalcoliforme, Fäkalstreptokokken usw.) für die Trink- und Brauchwassergewinnung von großer Bedeutung.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Desinfektion und Filtration von Wasser, insbesondere Oberflächen- und Grundwasser sowie mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser, gelöst, bei dem das Wasser durch ein Filterbett aus granularem Material mit darin angeordneten Elektroden geleitet und an diesen eine Gleichspannung angelegt wird, wobei das Wasser durch ein überstautes Filterbett mit einem sich bildenden Biofilm geleitet wird und die Größen von Gleichspannung und Verweilzeit des Wassers im Filterbett so gewählt werden, dass bei dem erzeugten elektrischen Feld unter minimaler Stromstärke verstärkt Mikroorganismen am Filtermaterial und am Biofilm akkumuliert werden und so die Desinfektion des das Filterbett durchströmenden Wassers bewirkt wird.
Eine besondere Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das elektrische Feld in einer Stärke von 2 V/cm bis 10 V/cm und/oder die Verweilzeit des Wassers im Festbett auf 1 Stunde bis 8 Stunden eingestellt werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die Elektroden in einem einzustellenden Intervall umgepolt.
Bevorzugt werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Elektroden aus Metall, Metalloxiden, Kohlenstoff oder leitenden Kunststoffen verwendet werden.
Weitere Ausführungsformen sehen vor, dass der überstaute Bereich rückgespült und/oder eine sich auf dem überstauten Filterbett bildende Schmutzdecke bei Überschreiten einer einzustellenden Höhe des Überstaues, vorzugsweise mittels Druckluft, aufgeschwemmt und durch eine Überlauföffnung abgetragen wird und als Material für das Filterbett bevorzugt Quarzsand mit einer Körnung von 0,7 mm bis 1,25 mm verwendet wird.
Die Erfindung wird des Weiteren durch eine Vorrichtung gelöst, umfassend einen Behälter mit einem Filterbett und mindestens zwei in dem Behälter angeordneten Elektroden, eine Stromversorgungseinheit mit Umpoleinheit sowie einen Zulauf und einen Ablauf, wobei an den Elektroden eine Schüttung eines reduktiv wirkenden Materials angeordnet ist, zwischen dem reduktiv wirkenden Materials und dem Filterbett eine Gaze vorgesehen ist, oberhalb des Filterbettes Mittel zur Zuführung von Druckluft in den Behälter angeordnet sind und der Behälter eine Überlauföffnung aufweist.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Elektrode (11a) konzentrisch im Filterbett (9a) angeordnet und die Elektrode (11b) ringförmig oder segmentartig ausgebildet ist.
Bevorzugt bestehen die Elektroden aus Metall, Metalloxiden, Kohlenstoff oder leitenden Kunststoffen und/oder das reduktiv wirkende Material vorzugsweise aus Aktivkohle oder Graphit.
Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass an der Gaze zusätzlich eine marginal leitende, aber ionendurchlässige Membran angeordnet ist und/oder das Filterbett (9a) aus einem granularem Material, vorzugsweise aus Quarzsand mit einer Körnung von 0,7 mm bis 1,25 mm besteht. Durch den optionalen Einsatz der Membran wird der Widerstand erhöht und daraus resultierend werden die Stromstärke sowie pH-Wert-Änderungen minimiert.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass oberhalb des Filterbettes ein Schwimmerschalter angeordnet ist.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung, einer Pumpe, einem Durchflusswächter und einem Vorratsbehälter verbunden.
Die Erfindung zeichnet sich vor allem durch den Vorzug aus, auf effektive Weise die Elektrofiltration mit einer biofilmgestützten zur Desinfektion und Filtration im low-cost-Bereich zu verbinden. Neben der Reduktion der mikrobiologischen Belastung werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zudem abfiltrierbare Stoffe entfernt. Geladene Mikroorganismen (Bakterien, Protozoen, Viren usw.) werden durch elektrokinetisch verstärkte Akkumulation bzw. Sorption an einem elektrisch erweitertem, abwärts durchströmten und überstauten Festbett aus granularem Material zurückgehalten. Unter Einwirkung des elektrischen Feldes bildet sich durch Akkumulation der Mikroorganismen am Filtermedium ein Biofilm, der seinerseits einen wesentlichen Beitrag zur Keimzahlreduktion leistet. Die in Biofilmen gebildeten extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) fördern dabei die irreversible Adsorption von Bakterien. Zudem tragen vor allem die Prädation durch Protozoen, der Parasitismus, beispielsweise durch Bakteriophagen, die Antibiose durch die bestehende Biofilmgemeinschaft sowie antibakterielle Substanzen zur Eliminierung hygienisch relevanter Bakterien bei. Insofern stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Elektrobiofiltration und die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Elektrobiofilter dar.
Die erfindungsgemäße Behandlung von Oberflächen- und Grundwasser ist besonders zur Gewinnung von Trink- und Brauchwasser geeignet. Das auf der Grundlage der Erfindung desinfizierte mechanisch-biologisch gereinigte Wasser kann dem Vorfluter zugeführt werden.
Als ein besonderer Vorzug erweist sich zudem der Verzicht auf Chemikalien und die Integrationsfähigkeit der Vorrichtung in dezentrale und semizentrale Konzepte der Wasserreinigung.
Es ist darüber hinaus ein Vorzug der Erfindung, dass verschiedene Arten von Wässern unabhängig von ihrer Herkunft desinfiziert werden können.
Im Folgenden soll die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1: das Verfahrensprinzip der Elektrobiofiltration;
2a: den prinzipiellen Aufbau des Behälters der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Elektroden und Filterbett in Seitenansicht;
2b: die prinzipielle Anordnung der Elektroden und des reduktiv wirkenden Materials in Draufsicht;
2c: den prinzipiellen Aufbau der zentrisch angeordneten Elektrode;
3: in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der E. coli-Reduktion von mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser bei Filtration mit und ohne Biofilm sowie mit und ohne Anlegen eines elektrischen Feldes;
4: in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der E. coli-Reduktion von Oberflächenwasser bei Filtration mit und ohne Biofilm sowie mit und ohne Anlegen eines elektrischen Feldes;
5: einen Vergleich der E. coli-Reduktion durch Elektrobiofiltration von chloridhaltigem Abwasser im Vergleich mit chloridfreiem Modellwasser.
1 zeigt in prinzipieller Darstellung das Verfahren zur Desinfektion von Wasser durch die erfindungsgemäße Elektrobiofiltration. Das zu desinfizierende Wasser wird aus dem Vorratsbehälter 1 mit Hilfe der Pumpe 2 durch den Zulauf 5 in den Behälter 6 mit dem Filterbett 9a, in dem mindestens 2 Elektroden 11a und 11b angeordnet und an eine Stromversorgungsquelle mit der Umpoleinheit 7 angeschlossen sind, zugeführt. Der Behälter 6 mit dem Filterbett 9a wird durch das zu desinfizierende Wasser abwärts durchströmt und von diesem überstaut. Der Wasserfluss wird mittels des Durchflusswächters 3 kontrolliert. Die minimale Höhe des Überstaus 8a wird dadurch konstant gehalten, dass sich der Ablauf 14 in Höhe des Niveaus des Überstaus 8a befindet. In den Überstau ist zusätzlich ein Schwimmerschalter 10 integriert. Zur Desinfektion des Wassers ist eine elektrische Feldstärke von 2 V/cm bis 10 V/cm bei einer Verweilzeit des Wassers im Filterbett 9a von 1 Stunde bis 8 Stunden zu gewährleisten. Um eine Kolmation des Filterbettes 9a durch Kuchenbildung zu verhindern, wird Druckluft 13 in den überstauten Bereich eingebracht und somit die sich bildende Schmutzdecke aufgewirbelt und durch die Überlauföffnung 12 ausgetragen, wenn eine maximale Höhe des Überstaus 8b überschritten und die Wasserzufuhr durch den Schwimmerschalter 10, der Signale an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) 4 abgibt, unterbrochen wird. Zu diesem Zweck kann innerhalb des Behälters 6 oberhalb des Filterbettes 9a ein Schlauchsystem ringförmig angeordnet sein. Des Weiteren sind die Pumpe 2, der Durchflusswächter 3 sowie die Stromversorgungsquelle mit der Umpoleinheit 7 mit der SPS 4 verbunden. Vorgegebene Werkseinstellungen der SPS 4 zu Gleichspannung und Volumenstrom werden je nach Art des Wassers und damit vorliegenden mikrobiologischen Belastung vom Wartungsbetrieb bei Inbetriebnahme ausgewählt und für den laufenden Betrieb angepasst. Die Pufferkapazität und die Gesamthärte des Wassers sowie die resultierende Stromstärke bei eingestellter Gleichspannung sind ausschlaggebende Parameter für die Ermittlung des Umpolintervalls, um mögliche Kalkablagerungen zu vermeiden. Dies wird weiterhin in den vorgegebenen Werkseinstellungen der SPS 4 berücksichtigt und vom Wartungsbetrieb bei Inbetriebnahme für den laufenden Betrieb eingestellt. Die Anpassung der Werkseinstellungen kann jedoch auch zu einem späteren Zeitpunkt nach Inbetriebnahme erfolgen.
2a zeigt das Herzstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung, den als Elekrobiofilter fungierenden Behälter, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, mit Elektroden und Filterbett in Seitenansicht. Deutlich ist dargestellt, dass im Behälter 6 die Elektrode 11a und die Elektrode 11b konzentrisch angeordnet sind. Die Elektrode 11b kann ringförmig, segmentartig oder netzförmig ausgebildet sein.
Ebenso konzentrisch sind im Behälter 6 die die Elektrode 11a ummantelnde Schüttung 9b aus dem reduktiv wirkenden Material, die Schüttung 9c des gleichen Materials sowie die nicht stromleitende Gaze 9d, die die Schüttungen 9b und 9c jeweils vom Material des Filterbettes 9a trennen, angeordnet. Die Elektrode 11a bestand aus Graphit, sie kann aber auch aus Metall, Metalloxiden oder leitenden Kunststoffen. Das zur Reduktion von elektrochemisch erzeugten Germiziden eingesetzte Material 9b und 9c ist bevorzugt Aktivkohle oder Graphit. Die 2b zeigt den gemäß 2a in Seitenansicht dargestellten Aufbau in Draufsicht.
Der in den experimentellen Untersuchungen eingesetzte Behälter 6 wies eine Höhe von 32,5 cm und einen Durchmesser von 9 cm auf. Das Filterbett 9a bestand aus Quarzsand, wobei die Höhe der Sandschüttung 18 cm betrug. Der Quarzsand war durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet:

• Körnung = 0,7 mm bis 1,25 mm;
• Ungleichförmigkeitsgrad U = 1,4;
• Porösität ε = 0,41.

Der prinzipielle Aufbau der Elektrode 11a ist auch in 2c dargestellt. Hierbei war ein in einer Aktivkohleschüttung (0,3 mm bis 0,4 mm) zur Reduktion von elektrochemisch erzeugten Germiziden platzierter Graphitstab 11a zentriert im Filterbett 9a angeordnet. Dabei diente die Aktivkohleschüttung 9b zur Reduktion der anodisch erzeugten Gerrmizide. Ein Austreten der Aktivkohleschüttung 9b in das Filterbett 9a wurde durch eine Gaze 9d unterbunden. Diese kann zur Minimierung des Stroms optional durch eine Membran aus Polymer oder Keramik basierendem Material 9e ergänzt werden. Das elektrische Feld wurde durch Anlegen einer konstanten Gleichspannung mittels Stromversorgungsquelle 7 an den Elektroden 11a und 11b senkrecht zum Wasserfluss generiert, um eine maximale Erhöhung der Kollektoreffizienz zu erzielen.

Die experimentellen Untersuchungen wurden in Anwesenheit (E = 4 V/cm) und bei Abwesenheit eines elektrischen Feldes durchgeführt. Mechanisch-biologisch gereinigtes, chloridhaltiges Abwasser, chloridhaltiges Oberflächenwasser (Elbe) sowie chloridfreies Modellwasser, wie in Tabelle 1 genannt, wurden bei einem Volumenstrom von 2 mL/min (v = 0,019 m/h) kontinuierlich durch das Filterbett 9a geführt (Langsamfiltration). Um eine konstante Ausgangskeimzahl von 10⁵/100 ml zu gewährleisten, wurden dem Abwasser fäkalcoliforme Keime zudotiert. Zur quantitativen Bestimmung der E. coli wurden die Proben unter Anwendung des Colilert-18/Quanti-Tray-Verfahren der Firma IDEXX analysiert.

Parameter	Abwasser kommunale Kläranlage	Oberflächenwasser	Modellwasser
κ [μS/cml	1226	500	1007
SAK₂₅₄ [1/m]	19,2	13,5	n. b.
pH-Wert	7,5	7,7	6,8
Redoxpotential [mV]	217	201	n. b.
DOC [mg/L]	8,9	5,1	n. b.
c(NO₃) [mg/L]	136	20	40
e(NO₂ ^–) [mg/L]	0,5	0,6	n. n.
c(PO₄ ^3–) [mg/L]L]	1,4	n. n.	n. n.
c(SO4²) [mg/L]	204	65,7	400
c(CT) [mg/L]	163	40	n. n.

Tab. 1: Ausgewählte Kenndaten des verwendeten Abwassers, Oberflächenwassers und Modellwassers n. n. – nicht nachweisbar, n. b. – nicht bestimmt

Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen sind in 3 bis 5 dargestellt.
3 verdeutlicht das Keimzahlreduktionspotential der Langsamsandfiltration von mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser mit und ohne elektrischem Feld sowie mit und ohne Ausbildung eines Biofilmes (E = 0 und 4 V/cm; v = 0,019 m/h; t_eff = 3,9 h; d = 0,7 mm bis 1,25 mm). Die adsorptive Filterwirkung des Sandes trägt dabei zum Rückhalt der E. coli um 0,7 log-Stufen bei. Nach einmonatiger Einfahrzeit des Langsamsandfilters erhöht und stabilisiert sich die E. coli-Reduktion auf 1,5 log-Stufen (ohne elektrischem Feld). Dies ist mit der zunehmenden Bedeutung des sich ausbildenden Biofilms an der Keimzahlreduktion mit steigender Betriebsdauer des Langsamsandfilters zu begründen. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes steigt die E. coli-Reduktion auf 4 log-Stufen. Die erhöhte Desinfektionsleistung bei einer elektrischen Feldstärke von 4 V/cm ist darauf zurückzuführen, dass die Transportgeschwindigkeit der Bakterien im elektrischen Feld verringert und die Verweilzeit im Filterbett erhöht wird. Dadurch wird die keimeliminierende Wirkung des Biofilms sowohl durch Prädation als auch die adsorptive Wirkung des Biofilms erhöht, so dass eine Zunahme der Desinfektionsleistung resultiert.
In 4 ist die E. coli-Reduktion in Oberflächenwasser mit und ohne elektrischem-Feld sowie mit und ohne Ausbildung eines Biofilmes dargestellt (E = 4 V/cm; v = 0,019 m/h; t_eff = 3,9 h; d = 0,7 mm bis 1,25 mm). Dabei beträgt der Rückhalt der Bakterien ohne elektrisches Feld 0,6 log-Stufen und erhöht sich nach Ausbildung eines Biofilms auf 1,3 log-Stufen. Durch Anlegen einer elektrischen Feldstärke von 4 V/cm resultiert eine Zunahme der E. coli-Reduktion um weitere 2,5 log-Stufen. Die Gegenüberstellung der Ergebnisse aus 3 und 4 zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auf Wässer unterschiedlicher Herkunft und Matrix anwendbar und die Desinfektionsleistung durch die gesteigerte Wirkung des Biofilms vergleichbar ist.
Elektrochemisch erzeugtes freies Chlor, welches als bakterielles Germizid allgemein bekannt ist, wurde aufgrund der integrierten Aktivkohleschüttung in beiden Fällen nicht beobachtet. Dies schließt jedoch eine mögliche, kurzzeitige lokale germizide Wirkung, bevor dieses an der Oberfläche der Aktivkohle reduziert wird, nicht aus. Um diese These zu überprüfen, wurden Untersuchungen in chloridfreiem Modellwasser und chloridhaltigem Abwasser (c_Chlorid = 163 mg/L) durchgeführt.
Aus 5 wird deutlich, dass die E. coli-Reduktion in chloridhaltigem Abwasser (4 log-Stufen) bei E = 4 V/cm; v = 0,019 m/h; t_eff = 3,9 h; d = 0,7 mm bis 1,25 mm mit der in chloridfreiem Modellwasser (4,2 log-Stufen) vergleichbar ist. Somit kann eine lokale germizide Wirkung von freiem Chlor in chloridhaltigem Abwasser als Hauptursache für die Erhöhung der Desinfektionsleistung durch Anlegen eines elektrischen Feldes an den Langsamsandfilter ausgeschlossen werden. Die in der Regel negativ geladenen Bakterien erfahren im elektrischen Feld eine Kraft, die proportional zu ihrer Ladung und zur elektrischen Feldstärke ist. Somit sind diese in der Lage, elektrophoretisch in Richtung Anode zu wandern. Jedoch ist auch ein elektroosmotischer Transport in Richtung der Kathode je nach Zetapotential des Filtermediums möglich. Da Kationen kleine Ionen mit hoher Oberflächenladungsdichte darstellen, können diese einen großen Teil des Wassers in ihrer Hydrathülle binden und während ihrer Wanderung in Richtung Kathode den gesamten Elektrolyten (und somit auch die Bakterien) mit sich ziehen. Durch die zusätzliche elektrokinetische Bewegungskomponente resultiert eine Änderung der Bewegungsbahn der Bakterien, so dass diese letztlich auf der Kollektoroberfläche enden und sich damit die Wahrscheinlichkeit des Absetzens auf der Kollektoroberfläche erhöht. Die Akkumulation der Mikroorganismen am Filtermedium führt zur Ausbildung eines Biofilms, welcher seinerseits durch Adsorption und Eliminierung zur Desinfektion beiträgt.
Bezugszeichenliste

1: Vorratsbehälter
2: Pumpe
3: Durchflusswächter
4: speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS)
5: Zulauf
6: Behälter
7: Stromversorgungsquelle mit Umpoleinheit
8a: minimale Höhe des Überstaus
8b: maxmale Höhe des Überstaus
9a: Filterbett
9b: reduktiv wirkendes Material in Nähe der Elektrode 11a
9c: reduktiv wirkendes Material in Nähe der Elektrode 11b
9d: nicht stromleitende Gaze
9e: marginal, leitende ionendurchlässige Membran
10: Schwimmerschalter
11a: Elektrode
11b: Elektrode
12: Überlauföffnung
13: Druckluftzufuhr
14: Ablauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2001269669 [0005]
US 7811460 B2 [0006, 0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Judd, S. J. und Solt, G. S., Electrophoretically-assisted depth filtration of aqueous suspensions through various fibrous media, Chem. Eng. Sci., 46, 1991, 419–428 [0003]
Zhang, S., Tan, R. B. H. und Neoh, K. G.; Tien, C., Electrofiltration of aqueous suspensions, J. Colloid Interface Sci., 228, 2000, 393–404 [0003]
Zhang et al. (2000) [0004]
Langenbach, K.; Kuschk, P.; Horn, H. und Kästner, M., Modeling of slow sand filtration for disinfection of secondary clarifier effluent. Water Res., 44, 2010, 159–166 [0005]
Li, Y.; Ehrhard R.; Biswas, P.; Kulkarni, P.; Carns, K.; Patterson, C.; Krishnan, R. und Sinha, R., Removal of waterborne particles by electrofiltration: Pilot-scale testing, Environ. Eng. Sci., 26, 2009, 1795–1803 [0006]
Kulkarni, P.; Dutari, G.; Weingeist, D.; Adin, A.; Haught, R. und Biswas, P., Capture of water-borne colloids in granular beds using external electric fields: improving removal of Cryptosporidium parvum, Water Res., 39, 2005, 1047–1060 [0006]
Schmalz V.; Dittmar, Th.; Haaken, D. und Worch, E., Electrochemical Disinfection of Biologically Treated Wastewater from Small Treatment Systems by Using Boron-doped Diamond (BDD) Elektrodes – Contribution for Direct Reuse of Domestic Wastewater. Water Res., 43, 2009, 5260–5266 [0006]
Haaken, D.; Dittmar, T.; Schmalz, V.; Worch, E., Influence of operating conditions and specific water parameters an the electrochemical bulk disinfection of biologically treated sewage at boron-doped diamond (BDD) electrodes, Desalin. Water Treat., 46, 2012, 160–167 [0006]
DeFlaun, M. F. und Condee, C. W., Electrokinetic transport of bacteria, J. Hazard. Mater., 55, 1997, 263–277 [0006]
Auckenthaler, A.; Huggenberger, P., Pathogene Mikroorganismen im Grund- und Trinkwasser, Transport-Nachweismethoden-Wassermanagement, Birkhäuser Verlag, 2003 [0006]
Trinkwasserverordnung – TrinkwV 2001, 21. Mai 2001, BGB I. I S. 959 [0006]
US-Environmental Protection Agency (US EPA) Guidelines for water reuse. No. EPA/625/R-04/108, 2004 [0006]
Deutsche Norm DIN 19650 Bewässerung – Hygienische Belange von Bewässerungswasser. Normenausschuss Wasserwesen im Deutschen Institut für Normung e. V., Beuth Verlag Berlin, 1995, 4 [0006]
WHO Technical Report Series No. 778, Health guidelines for the use of wastewater in agriculture and aquaculture. Report of a WHO Scientific Group. Geneva, World Health Organization, 1989 [0006]

Claims

Verfahren zur Desinfektion und Filtration von Wasser, insbesondere Oberflächen- und Grundwasser sowie mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser, bei dem das Wasser durch ein Filterbett aus granularem Material mit darin angeordneten Elektroden geleitet und an diesen eine Gleichspannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch ein überstautes Filterbett mit einem sich bildenden Biofilm geleitet wird und die Größen von Gleichspannung und Verweilzeit des Wassers im Filterbett so gewählt werden, dass bei dem erzeugten elektrischen Feld unter minimaler Stromstärke verstärkt Mikroorganismen am Filtermaterial und am Biofilm akkumuliert werden und so die Desinfektion des das Filterbett durchströmenden Wassers bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld in einer Stärke von 2 V/cm bis 10 V/cm und/oder die Verweilzeit des Wassers im Festbett auf 1 Sunde bis 8 Stunden eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in einem einzustellenden Intervall umgepolt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden aus Metall, Metalloxiden, Kohlenstoff oder leitenden Kunststoffen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der überstaute Bereich rückgespült und/oder eine sich auf dem überstauten Filterbett bildende Schmutzdecke bei Überschreiten einer einzustellenden Höhe des Überstaues vorzugsweise mittels Druckluft aufgeschwemmt und durch eine Überlauföffnung abgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Filtermaterial bevorzugt Quarzsand mit einer Körnung von 0,7 mm bis 1,25 mm verwendet wird.
Vorrichtung zur Desinfektion und Filtration von Wasser, insbesondere Oberflächen- und Grundwasser sowie mechanisch-biologisch gereinigtem Abwasser umfassend einen Behälter (6) mit einem Filterbett (9a) und mindestens zwei in dem Behälter (6) angeordneten Elektroden (11a; 11b), eine Stromversorgungseinheit mit Umpoleinheit (7) sowie einen Zulauf (5) und einen Ablauf (14), dadurch gekennzeichnet, dass an den Elektroden (11a, 11b) eine Schüttung eines reduktiv wirkenden Materials (9b, 9c) angeordnet ist, zwischen dem reduktiv wirkenden Materials (9b, 9c) und dem Filterbett eine Gaze (9d) vorgesehen ist, oberhalb des Filterbettes (9a) Mittel (13) zur Zuführung von Druckluft in den Behälter (6) angeordnet sind und der Behälter (6) einen Überlauföffnung (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (11a) konzentrisch im Filterbett (9a) angeordnet ist und die Elektrode (11b) ringförmig oder segmentartig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (11a, 11b) aus Metall, Metalloxiden, Kohlenstoff oder leitenden Kunststoffen bestehen und/oder das reduktiv wirkende Material (9b, 9c) vorzugsweise Aktivkohle oder Graphit ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gaze (9d) zusätzlich eine ionendurchlässige Membran (9e) angeordnet ist und/oder das Filterbett (9a) aus einem granularem Material, vorzugsweise aus Quarzsand mit einer Körnung von 0,7 mm bis 1,25 mm besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Filterbettes (9a) ein Schwimmerschalter (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (4), einer Pumpe (2), einem Durchflusswächter (3) und einem Vorratsbehälter (1) verbunden ist.