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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zum Reinigen von belastetem Wasser.
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Zur Behandlung von mit Feststoffen oder Mikroorganismen belasteten Flüssigkeiten sind verschiedene chemische und physikalische Verfahren bekannt. Insbesondere im Bereich der physikalischen Verfahren werden Filter und Fliehkraftabscheider eingesetzt, um unerwünschte Bestandteile einer Flüssigkeit abzutrennen. Kleinere enthaltene Mikroorganismen können anschließend abgetötet werden. Dazu kann eine belastete Flüssigkeit mit Ultraschallwellen oder Ultraviolettlicht (UV) in einem Reaktor behandelt werden.
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Seeschiffe sind häufig dazu eingerichtet, für eine Verbesserung ihrer Stabilität Ballastwasser aufzunehmen. Derartiges Wasser enthält Verschmutzungen und Organismen, die oft dem Ökosystem desjenigen Gebiets zugehörig sind, in dem die Aufnahme des Wassers erfolgt. Wird nun in einem Zielgebiet des Schiffs das aufgenommene Wasser wieder abgepumpt, können die darin enthaltenen Stoffe und Lebewesen mit dem Wasser in ein fremdes Ökosystem gelangen. Dies kann zu weitreichenden Umweltschäden führen.
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Aus diesem Grunde wurde die Abgabe von Ballastwasser reglementiert. So darf es in bestimmten Gebieten (z.B. Häfen) nur abgepumpt werden, wenn es eine vorbestimmte Qualität hat, die mittels Grenzwerten gegeben ist. Daher muss das Ballastwasser häufig vor einem Ablassen erst aufbereitet werden.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Reaktor und ein Verfahren zum Aufbereiten bzw. Reinigen von belastetem Wasser zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen Reaktor gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, den Figuren und der Beschreibung offenbart.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient einem Reinigen (bzw. Aufbereiten) von belastetem Wasser (insbesondere von Ballastwasser) in einem Reaktor. Es umfasst ein Durchleiten des belasteten Wassers nacheinander durch einen ersten Abschnitt eines Behandlungskanals im Reaktor, durch einen Wendebereich des Behandlungskanals und durch einen sich parallel zum ersten Abschnitt erstreckenden zweiten Abschnitt des Behandlungskanals. Das belastete Wasser wird dabei beim Durchleiten durch den ersten Abschnitt mehrfach zu mindestens einer helixartigen Strömung umgelenkt, die sich um mindestens ein Behandlungselement windet, das sich im ersten Abschnitt in dessen Richtung erstreckt.
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Ein erfindungsgemäßer Reaktor dient einem Reinigen (bzw. Aufbereiten) von belastetem Wasser. Er umfasst einen Behandlungskanal, der einen ersten Abschnitt mit einem Einlass und mit einem im Einlassbereich angeordneten Strömungshindernis aufweist. An einem dem Einlass entgegengesetzten Ende des ersten Abschnitts verbindet ein Wendebereich des Behandlungskanals den ersten und einen zweiten Abschnitt, der parallel zum ersten Abschnitt verläuft. Im ersten Abschnitt ist mindestens ein sich in Richtung des ersten Abschnitts erstreckendes Behandlungselement angeordnet.
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Als Richtung des ersten bzw. zweiten Abschnitts ist die Richtung des Behandlungskanals im jeweiligen Abschnitt zu verstehen, also die Richtung, in die sich eingeleitetes Wasser im Behandlungskanal im Wesentlichen ausbreitet. Im Wendebereich ändert der Behandlungskanal seine Richtung, vorzugsweise im Wesentlichen um 180°. Der Behandlungskanal eines erfindungsgemäßen Reaktors bzw. eines in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Reaktors verläuft somit im Wendebereich in einer Kehre, weist also im Wesentlichen eine Haarnadel- bzw. U-Form auf, deren Schenkel vom ersten bzw. zweiten Abschnitt gebildet werden; diese Abschnitte können dabei jeweils als eine Behandlungskammer aufgefasst werden.
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Das mehrfache Umlenken des Wassers zu einer helixartigen Strömung (in der das Wasser das mindestens eine Behandlungselement also schraubenartig ein- oder mehrere Male umläuft) verlängert den Behandlungsweg bei gegebener Länge des ersten Abschnitts und damit des Reaktors. Dadurch wird die Durchflussgeschwindigkeit verringert und somit die Behandlungsdauer erhöht. Somit kann ein effizienter Reaktor kompakt ausgeführt und eine maximale Exposition des durchströmenden belasteten Wassers in einem Wirkungsbereich eines oder mehrerer Behandlungselemente bewirkt werden. Auf diese Weise kann eine effiziente und gezielte Behandlung des Wassers durchgeführt werden.
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Ein grundsätzlicher Vorteil der helixartig sich windenden Strömungen ist der „Hydrozyklon-Effekt“. Hierbei werden innerhalb der Wasserphase aufgrund der Zentrifugal- bzw. Fliehkräfte die schwereren Wasserbestandteile radial nach außen befördert, während die leichten Wasserbestandteile nach innen verdrängt werden, also näher an das mindestens eine Behandlungselement heran. Dadurch wird gewährleistet, dass auch die kleinen Mikroorgansimen, die schwierig zu behandeln sind, ausreichend lange und intensiv der UV-Strahlung und der Ultraschallkavitation ausgesetzt sind. Das mindestens eine Behandlungselement ist dabei vorzugsweise entlang einer Mittelachse der helixartigen Strömung angeordnet.
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Das mehrfache Umlenken kann insbesondere durch Aufprallenlassen des ein- bzw. durchgeleiteten Wassers auf verschiedene Bereiche mindestens einer Begrenzungswand des Behandlungskanals im ersten Abschnitt und/oder auf mindestens ein Element im Innern des ersten Abschnitts erfolgen, beispielsweise auf ein Behandlungselement.
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Die Umlenkungen erfolgen somit jeweils durch ein Strömungshindernis, das beispielsweise einen Abschnitt einer Begrenzungswand des Behandlungskanals und/oder mindestens ein Behandlungselement umfassen kann.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Reaktor ist demgemäß im Einlassbereich ein solches Strömungshindernis angeordnet, das eine derartige Umlenkung bewirkt. Im weiteren Verlauf durch den ersten Abschnitt prallt das Wasser auf verschiedene Bereiche der Begrenzungswand des Behandlungskanals im ersten Abschnitt. So wird das Wasser helixartig um das mindestens eine sich im ersten Abschnitt in dessen Richtung erstreckende Behandlungselement geführt.
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Das Aufprallenlassen kann frontal, also senkrecht auf ein Strömungshindernis erfolgen, wenn z.B. eine orthogonal zur Einströmrichtung angeordnete Begrenzungswand des ersten Abschnitts und/oder ein im Einlassbereich angeordnetes, sich senkrecht zur Einströmrichtung erstreckendes Behandlungselement als Strömungshindernis dient. Dadurch kann ein Wasserstrom in zwei oder mehr Teilströme aufgeteilt werden, die vorzugsweise jeweils mehrfach umgelenkt werden und sich so helixartig um das mindestens eine sich im ersten Abschnitt in dessen Richtung erstreckende Behandlungselement schrauben. Gegenüber einem einzelnen Strom werden damit die Entfernung des belasteten Wassers zu dem/den Behandlungselement(en) verringert und die Behandlung so intensiviert.
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Die (z.B. beiden) Teilströme können sich beispielsweise im Wesentlichen in (z.B. zwei) parallel verlaufenden Helices in gegenläufigen Schraubströmen vom Einlass bis zum Wendebereich winden, vorzugsweise um ein oder mehrere Behandlungselement(e) herum, die sich vorzugsweise in Richtung des ersten Abschnitts erstrecken. Auf diese Weise wird das belastete Wasser auf kleinem Raum auf einem relativ langen Behandlungsweg und mit den oben genannten Vorteilen einer helixartigen Strömung dem Einfluss des Behandlungselements bzw. der Behandlungselemente ausgesetzt.
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Alternativ oder zusätzlich zum frontalen Aufprallenlassen kann dieses schräg erfolgen, also unter einem Neigungswinkel, vorzugsweise bereits bei der ersten Umlenkung des eingeleiteten belasteten Wassers. Insbesondere wenn jedes Umlenken durch ein derart schräges Aufprallenlassen erfolgt, kann ein (einziger) helixartiger Strudel mit geringen weiteren Verwirbelungen erzeugt werden.
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Mindestens ein Querschnitt (vorzugsweise alle Querschnitte) des Behandlungskanals ist (sind) vorzugsweise frei Winkeln die kleiner als etwa 85° sind, vorzugsweise sogar frei von spitzen Winkeln oder sogar frei von Winkeln, die kleiner als 100° sind. Insbesondere können im Reaktor Leitflächen angeordnet sein, die als Abschrägungen von Winkeln im Behandlungskanal dienen. So können Nischen im Behandlungskanal verhindert werden, in denen sich aufgrund in kleinen Strudeln Partikel oder Mikroorganismen fangen könnten. Zudem können die Leitflächen ein gewünschtes schräges Aufprallenlassen wie oben beschrieben ermöglichen und so zusätzliche Verwirbelungen vermeiden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist auch der zweite Abschnitt mindestens ein sich in seiner Richtung erstreckendes Behandlungselement auf, so dass also eine Behandlung des belasteten Wassers im zweiten Abschnitt fortgesetzt werden kann. Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der auch in diesem zweiten Abschnitt ein mehrfaches Umlenken des belasteten Wassers zu mindestens einer helixartigen Strömung erfolgt, die sich um das mindestens eine Behandlungselement zweiten Abschnitt herum windet. Das mindestens eine Behandlungselement ist dabei vorzugsweise entlang einer Mittelachse der helixartigen Strömung angeordnet.
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Der Reaktor kann im Wesentlichen kreiszylindrisch oder als gerades Prisma (vorzugsweise mit einem regelmäßigen Polygon, z.B. mit einem Sechs- oder Achteck, als Grundfläche) ausgebildet sein; der erste und der zweite Abschnitt erstrecken sich dabei vorzugsweise in Richtung seiner geometrischen Höhe (die als Beschreibungsparameter eines Kreiszylinders bzw. Prismas und damit unabhängig von der jeweiligen Ausrichtung des Reaktors zu verstehen ist); im Falle eines Kreiszylinders stimmt diese Richtung mit der Richtung der zentralen Achse des Kreiszylinders überein.
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Ein Einleiten des belasteten Wassers in den ersten Abschnitt kann bei einem derartigen kreiszylindrischen oder als geradem Prisma ausgebildeten Reaktor in radialer Richtung oder in Richtung einer Sekante erfolgen; bei einem im Wesentlichen als geradem Prisma ausgebildeten Reaktor sind die Bezeichnungen „radial“ und „Sekante“ auf einen Umkreis der Grundfläche bezogen zu verstehen. Eine derartige Sekante kann beispielsweise gegenüber einer radialen (zur Mittelachse hin weisenden) Richtung um 45°–60° abweichen. Auf diese Weise kann ein schräges Aufprallenlassen wie oben erwähnt bewirkt werden.
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Im Inneren des Reaktors kann in axialer Richtung bzw. in Richtung einer Prismenhöhe, vorzugsweise entlang einer zentralen Achse des Reaktors eine Trennwand angeordnet sein, die an einem Ende des Reaktors unvollständig ist, so dass dort ein Durchlass und damit der Wendebereich ausgebildet ist. Vorzugsweise bildet dabei eine erste Seitenfläche der Trennwand eine Wandung des ersten Abschnitts des Behandlungskanals und bildet eine der ersten gegenüberliegende, zweite Seitenfläche der Trennwand eine Wandung des zweiten Abschnitts des Behandlungskanals.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Behandlungselement mindestens eine UV-Lampe (vorzugsweise jeweils in einem Hüllrohr, z.B. einem Quarzglas-Hüllrohr) und/oder mindestens eine Sonotrode. Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst vorzugsweise ein Behandeln des in den Reaktor eingeleiteten belasteten Wassers mit einem solchen mindestens einen Behandlungselement.
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Von derartigen Sonotroden ausgehender Ultraschall generiert in dem belasteten Wasser eine sogenannte Kavitation, also eine Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen. Durch die vom Ultraschall bewirkte mechanische Belastung wird dabei das belastete Wasser so stark beansprucht, dass die Wasserphase aufbricht und kleine dampf- oder gasgefüllte Blasen entstehen, die jedoch nach kurzer Zeit unter Einwirkung des äußeren Drucks wieder implodieren. Hierdurch entstehen für kurze Zeit lokal begrenzte extreme Bedingungen (sehr hohe Drücke und Temperaturen), die die im Wasser enthaltenen Mikroorganismen schädigen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform können im und/oder am ersten Abschnitt Sonotroden eines ersten Typs angeordnet sein und im bzw. am zweiten Abschnitt Sonotroden eines zweiten Typs, oder es können in einer ersten Zone in bzw. an einem Einlassbereich des ersten Abschnitts Sonotroden eines ersten Typs angeordnet sein, in einer zweiten Zone in bzw. an einem Bereich des ersten Abschnitts, der an den Wendebereich angrenzt, können weiterhin Sonotroden eines zweiten Typs angeordnet sein und im bzw. am zweiten Abschnitt als dritter Zone Sonotroden eines dritten Typs. Die Typen können sich dabei durch die von den jeweiligen Sonotroden produzierbaren Ultraschallfrequenzen unterscheiden. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die jeweils produzierbaren Ultraschallfrequenzen des ersten Typs niedriger sind als die des zweiten Typs (die ggf. wiederum niedriger sind als die des dritten Typs). Derartige Sonotroden sind oder umfassen vorzugsweise Stabsonotroden, die sich vorteilhafterweise in Richtung des jeweiligen Abschnitts des Behandlungskanals erstrecken.
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Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel mit drei Typen an Sonotroden sind die Sonotroden des ersten Typs (im einer Einlasszone bzw. ersten Zone des ersten Abschnitts) dazu eingerichtet, ein Ultraschallfeld mit Frequenzen von 20–30 kHz zu erzeugen, die Sonotroden des zweiten Typs (in einer zweiten Zone des ersten Abschnitts, die an den Wendebereich angrenzt) sind dazu eingerichtet, ein Ultraschallfeld mit Frequenzen von 30–50 kHz zu erzeugen, und die Sonotroden des dritten Typs (im zweiten Abschnitt als dritter Zone) sind dazu eingerichtet, ein Ultraschallfeld mit Frequenzen von 50–100 kHz zu erzeugen.
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Mittels der verschiedenen Frequenzen können unterschiedliche Arten von Kavitationen erzeugt werden, die unterschiedliche Mikroorganismen erreichen: Es werden nämlich bei niedrigeren Frequenzen stärkere Kavitationen bewirkt als bei höheren Frequenzen. Eine derartige stärkere Kavitation erzeugt relativ große Kavitationsblasen und sehr starke, lokal begrenzte Druckstöße und Temperaturanstiege. Allerdings sind diese Blasen nicht gleichmäßig verteilt, und es werden relativ wenige dieser Kavitationsblasen generiert, so dass mit ihnen lediglich eher große Mikroorganismen erreicht werden. Je höher hingegen die Frequenz wird, desto größer wird die Anzahl der indessen kleiner werdenden Kavitationsbläschen. Die Verteilung der Bläschen in der Wasserphase ist dabei gleichmäßiger, und dadurch werden vermehrt auch kleinere Organismen geschädigt bzw. getötet.
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Auch mittels UV-Licht können Mikroorganismen eliminiert werden. Mindestens eine UV-Lampe als Behandlungselement ist dazu vorzugsweise so im ersten und/oder zweiten Abschnitt angeordnet, dass der jeweilige (erste bzw. zweite) Abschnitt voll mit UV-Strahlung (bzw. UV-Licht) ausgeleuchtet wird; besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsvariante, bei der die mindestens eine UV-Lampe eine UV-Stablampe (also als Stab geformt) ist, die beispielsweise ein Hüllrohr umfassen kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden als UV-Lampen Niederdruck-UV-Lampen verwendet, die vorzugsweise UV-C-Strahlung emittieren. Insbesondere können vorzugsweise UV-Lampen verwendet werden, die UV-Strahlung bei einer spezifischen Wellenlänge im Bereich von 245 nm bis 265 nm, insbesondere von vorzugsweise etwa 254 nm emittieren. Eine derartige Wellenlänge schädigt im belasteten Wasser enthaltene Organsimen nachhaltig, indem sie die DNS der Organismen zerstört.
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Die Anzahl an UV-Lampen kann im ersten und zweiten Abschnitt (bzw. jeder der Zonen) gleich sein, beispielsweise jeweils drei, vier, fünf oder sechs betragen. Alternativ können die beiden Abschnitte (bzw. mindestens zwei der Zonen) unterschiedlich viele UV-Lampen umfassen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Anzahl an UV-Lampen im ersten und/oder im zweiten Abschnitt variabel; so können die Abschnitte durch Einsetzen bzw. Einbauen einer jeweils geeigneten Anzahl an UV-Lampen an die jeweiligen Anforderungen (z.B. an die Qualität der zu reinigenden Flüssigkeit und/oder die zu erzielende Reinheit der Flüssigkeit) angepasst werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Behandlungselement sowohl mindestens eine Sonotrode (z.B. Stabsonotrode) als auch mindestens eine UV-Lampe (z.B. UV-Stablampe) umfasst. Es wurde nämlich festgestellt, dass die Wirkung der UV-Strahlung bei gleichzeitiger Exposition durch Ultraschallkavitation einen verstärkenden Effekt hat. Die Anzahl an UV-Lampen kann im ersten und/oder zweiten Abschnitt jeweils (bzw. in einer, zweiten oder jeder der Zonen) gleich der Anzahl an Sonotroden im entsprechenden Abschnitt (bzw. der entsprechenden Zone) sein oder von dieser Anzahl verschieden. Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel ist z.B. im ersten Abschnitt bzw. in der ersten Zone die gleiche Anzahl an UV-Lampen wie an Sonotroden angeordnet, beispielsweise je drei; Analoges gilt vorzugsweise für den zweiten Abschnitt bzw. die zweite und/oder die dritte Zone. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der erste Abschnitt genauso viele UV-Lampen auf wie der zweite Abschnitt (z.B. jeweils drei, vier, fünf oder sechs UV-Lampen), während die Anzahl an Sonotroden im ersten und/oder zweiten Abschnitt (bzw. der ersten, zweiten und/oder dritten Zone) jeweils kleiner oder größer sein kann als die Anzahl an UV-Lampen im jeweiligen Abschnitt. Beispielsweise kann der erste Abschnitt zwei Zonen mit jeweils einer Mehrzahl an Sonotroden umfassen, z.B. je drei Sonotroden, und der zweite Abschnitt kann eine einzige Zone mit insgesamt drei Sonotroden aufweisen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird das eingeleitete belastete Wasser innerhalb von mindestens einer Sekunde und maximal 10 Sekunden, bevorzugter maximal 6 Sekunden (oder – noch bevorzugter – maximal 5 Sekunden) durch den ersten Abschnitt und analog durch den zweiten Abschnitt geleitet. Mit einer derartigen Expositionszeit, während deren die Organismen der Kombination aus UV-Strahlung und dem Ultraschallfeld ausgesetzt sind, kann eine ausreichende Behandlung der enthaltenen Mikroorganismen erreicht werden. Gemäß einer speziellen vorteilhaften Ausführungsform beträgt eine Aufenthaltsdauer des belasteten Wassers im Reaktor maximal 10 Sekunden.
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Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Behandlungselement mehrere Sonotroden, die an verschiedene Ultraschallgeneratoren angeschlossen sind (so dass also eine erste Sonotrode an einen ersten Ultraschallgenerator und eine zweite Sonotrode an einen zweiten, vom ersten verschiedenen Ultraschallgenerator angeschlossen ist); insbesondere können verschiedene Sonotroden des gleichen Typs von unterschiedlichen Ultraschallgeneratoren angetrieben werden. Damit kann eine gleichphasige Schwingung der verschiedenen Ultraschallsonotroden (z.B. desselben Typs, bzw. in den einzelnen Zonen) vermieden werden. So wird eine Abschwächung der Energie innerhalb einer Zone vermieden, weil keine gemeinsame Resonanzfrequenz entsteht. Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann analog ein Antreiben verschiedener Sonotroden (insbesondere innerhalb derselben Zone) mit voneinander verschiedenen Ultraschallgeneratoren umfassen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Reaktor beim Durchleiten des belasteten Wassers so angeordnet bzw. ausgerichtet, dass der Behandlungskanal im ersten Abschnitt von einem Einlass bis zum Wendebereich im Wesentlichen vertikal nach unten und im zweiten Abschnitt vom Wendebereich bis zu einem Auslass im Wesentlichen vertikal nach oben verläuft. Ein erfindungsgemäßer Reaktor ist analog vorzugsweise dazu eingerichtet, in einer derartigen Ausrichtung verwendet zu werden; insbesondere kann in einer Reinigungsanlage für belastetes Wasser (z.B. in einer Aufbereitungsanlage für Ballastwasser eines Schiffs) ein derart ausgerichteter erfindungsgemäßer Reaktor gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen installiert sein.
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Mittels einer derartigen Ausrichtung kann eine Verweildauer des belasteten Wassers im Reaktor besonders geeignet gesteuert werden, beispielsweise durch gepulstes Einleiten.
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Vor dem Reinigen bzw. Aufbereiten des belasteten Wassers im Reaktor wird dieses vorzugsweise gefiltert; ein erfindungsgemäßer Reaktor kann dazu an eine Filteranlage angeschlossen sein, die vom belasteten Wasser durchströmt wird, ehe es in den Reaktor eingeleitet wird. Dabei können in einer Filtrationsstufe die großen Wasserinhaltsstoffe (Organismen und Feststoffe), deren Durchmesser (als maximale Erstreckung in eine Richtung) größer als 10–100 µm, bevorzugter 25–50 µm ist, abgetrennt werden. Die Filteranlage kann dazu Filtergewebe mit einer Maschenweite von 10 µm, 20 µm, 25 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm und/oder 100 µm umfassen.
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Gemäß vorteilhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein erfindungsgemäßer Reaktor gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen zur Reinigung von Ballastwasser auf einem Schiff installiert bzw. wird ein erfindungsgemäßes Verfahren gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen auf einem Schiff zur Reinigung von Ballastwasser durchgeführt.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt. Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente sind figurenübergreifend verwendet und werden ggf. nicht für jede Figur neu beschrieben.
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Es zeigen schematisch:
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1: eine Seitensicht in einen erfindungsgemäßen Reaktor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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1b: den Verlauf des Behandlungskanals eines in der 1a gezeigten Reaktors; und
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2: einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Reaktors mit Strömungsführung.
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Die 1a bietet einen seitlichen Einblick in einen Reaktor 10 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Rektor 10 ist im Wesentlichen kreiszylindrisch mit im Wesentlichen kreisförmiger Boden- und Deckelfläche 17b bzw. 17a und einer Mantelfläche 18 ausgebildet. In einem Bereich der Deckelfläche 17a (bzw. in einem sich an die Deckelfläche anschließenden Viertel einer Höhe des Reaktors) weist der Reaktor 10 je einen Einlass 11 und einen Auslass 12 auf. Einlass 11 und Auslass 12 sind jeweils in einer Mantelfläche des Reaktors angeordnet und orthogonal zur Höhe H des Reaktors ausgerichtet.
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Ein Durchmesser einer Grundfläche eines derartigen Reaktors ist im gezeigten Beispiel im Wesentlichen halb so groß wie die Höhe des Reaktors. Derartigen Abmessungen ermöglichen (analog bei einem prismenförmigen Reaktor) eine besonders vorteilhafte Behandlung.
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Der Einlass führt in einen im Inneren des Reaktors befindlichen Behandlungskanal, der einen ersten Abschnitt 20a und einen zweiten Abschnitt 20c sowie dazwischen einen Wendebereich 20b aufweist. Der erste und der zweite Abschnitt verlaufen parallel zueinander in entgegengesetzte Richtungen; sie sind voneinander durch eine sich parallel zur ihrer (Durchlauf-)Richtung erstreckende Trennwand 14 getrennt, die in der Darstellung der 1a in einem Längsschnitt zu sehen ist. Im Bereich der Bodenfläche lässt die Trennwand 14 einen Durchlass 19 frei, der den ersten und den zweiten Abschnitt im Wendebereich 20b miteinander verbindet.
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Der Auslass 12 ist spiegelsymmetrisch zum Einlass 11 angeordnet; die Trennwand 14 ist dabei in der Spiegelungsebene angeordnet. Weiterhin weist der dargestellte Reaktor 10 an seiner Mantelfläche Anschlussstutzen 13 für (nicht gezeigte) UV-Sensoren auf. Derartige UV-Sensoren sind vorzugsweise im Reaktor angeordnet und dazu eingerichtet, eine an ihrer jeweiligen Position (und in der jeweiligen Entfernung zu einer oder mehreren der UV-Lampe/n) ankommende Intensität an UV-Strahlung zu messen. Über eine (nicht gezeigte) Regelungsvorrichtung, die über die Anschlussstutzen mit den UV-Sensoren verbunden sein kann, kann dann die jeweilige UV-Lampe in Abhängigkeit von der gemessenen Intensität eingestellt (bzw. geregelt) werden. In 2 ist zu erkennen, dass der Reaktor 10 acht derartige Anschlussstutzen 13 hat, alternativ ist auch eine andere Anzahl an derartigen Anschlussstutzen möglich.
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Im ersten Abschnitt 20a und im zweiten Abschnitt 20c sind als Behandlungselemente jeweils eine Mehrzahl an UV-Stablampen 15 und Stabsonotroden angeordnet, die sich in Richtung des jeweiligen Abschnitts erstrecken. Die UV-Lampen sind dabei vorzugsweise dazu eingerichtet, den ersten bzw. zweiten Abschnitt jeweils voll auszuleuchten.
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Der erste Abschnitt weist in einer ersten Zone im Bereich des Einlasses 11 einen ersten Typus Stabsonotroden 16a auf; in der 1b ist diese erste Zone mit dem Bezugszeichen 21 kenntlich gemacht. In einer zweiten (in der 1b mit dem Bezugszeichen 22 bezeichneten) Zone, die an den Wendebereich 20b angrenzt (bzw. in diesen übergeht), weist der erste Abschnitt 20a des Behandlungskanals einen zweiten Typus Stabsonotroden 16b auf; die Stabsonotroden des ersten und des zweiten Typus‘ erstrecken sich in Richtung des ersten Abschnitts jeweils nur über einen Teil, der kleiner ist als die Hälfte der Länge des ersten Abschnitts, im gezeigten Beispiel zwischen etwa einem Drittel und etwa zwei Fünftel seiner Länge (bzw. der Höhe des Reaktors). Im zweiten Abschnitt 20c schließlich sind Stabsonotroden 16c eines dritten Typs angeordnet; diese dritte Zone ist in der 1b mit dem Bezugszeichen 23 gekennzeichnet, und diese Stabsonotroden 16c erstrecken sich im Wesentlichen über die volle Länge des zweiten Abschnitts.
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Die einzelnen Typen der Stabsonotroden unterscheiden sich insbesondere in einer Frequenz an Ultraschall, die sie jeweils aussenden. Jede der drei Zonen weist vorzugsweise mehrere, an unterschiedliche (nicht gezeigte) Ultraschallgeneratoren angeschlossene Stabsonotroden 16a, 16b bzw. 16c auf. Dadurch wird eine gleichphasige Schwingung der Stabsonotroden in den einzelnen Zonen vermieden.
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Gemäß einer exemplarischen vorteilhaften Ausführungsform sind die Stabsonotroden 16a des ersten Typs dazu eingerichtet, Frequenzen von 20–30 kHz zu erzeugen, die Stabsonotroden 16b des zweiten Typs dazu, ein Ultraschallfeld mit Frequenzen von 30–50 kHz zu erzeugen und die Stabsonotroden 16c des dritten Typs dazu, ein Ultraschallfeld mit Frequenzen von 50–100 kHz zu erzeugen. Auf diese Weise können nacheinander unterschiedliche Ausprägungen von Kavitationen im Behandlungskanal erzeugt werden, welche die verschiedenen im belasteten Wasser enthaltenen Mikroorganismen jeweils abtöten.
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In 1b ist der Verlauf des Behandlungskanals vom Einlass 11 zum Auslass 12 durch den Reaktor 10 illustriert. Der Reaktor ist dabei vertikal ausgerichtet, wobei der Einlass 11 und der Auslass 12 in einem vertikal oberen Bereich angeordnet sind. Die einzelnen Zonen ermöglichen so eine vorteilhafte Expositionszeit, während deren die Organismen der Kombination aus UV-Strahlung (vorzugsweise UV-C-Strahlung) und dem Ultraschallfeld innerhalb der jeweiligen Bereiche ausgesetzt sind. Insbesondere kann die Expositionszeit beispielsweise durch ein gepulstes Einleiten von belastetem Wasser gesteuert werden, weil das Wasser nur durch nachfließendes Wasser aus dem Reaktor verdrängt wird.
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Gemäß einem speziellen vorteilhaften Ausführungsbeispiel liegt die Expositionszeit im Reaktor insgesamt bei maximal 10 Sekunden, bevorzugt jeweils zwischen 2 Sekunden und 8 Sekunden, bzw. vorzugsweise in jeder der drei Zonen 21, 22, 23 zwischen 1 Sekunde und 3 Sekunden.
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Das eingeleitete belastete Wasser wird dabei mittels eines Stromteilungselements in zwei parallele (in Blickrichtung auf die 1b hintereinander liegende) Teilströme aufgeteilt. Diese werden jeweils mehrfach umgelenkt, so dass sie sich jeweils helixartig im Behandlungskanal um die Behandlungselemente herumwinden, wie durch die Pfeile illustriert ist; die Aufteilung und Umlenkung in derartige Windungen ist in der 2 verdeutlicht:
Die 2 zeigt einen Querschnitt durch den Reaktor 10. Wie in der Darstellung zu erkennen ist, weist jeder der (durch die Trennwand 14 voneinander getrennten) Abschnitte 20a und 20c des Behandlungskanals je drei UV-Lampen 15 (in Hüllrohren) auf. Im gezeigten Bereich sind zudem in jedem der Abschnitte jeweils drei Stabsonotroden 16a, 16c angeordnet; wie durch die unterschiedlichen Berandungen kenntlich gemacht ist, sind im ersten Abschnitt 20a andere Typen an Stabsonotroden angeordnet als im zweiten Abschnitt. In der Darstellungsperspektive der 2 nicht zu erkennen sind weitere drei Stabsonotroden (die in der 1a mit dem Bezugszeichen 16b bezeichnet sind): Diese sind in einem in Blickrichtung weiter hinten liegenden Bereich des ersten Abschnitts 20a angeordnet.
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Anhand der Pfeile wird in der Figur verdeutlicht, wie durch den Einlass 11 in den Reaktor 10 einströmendes belastetes Wasser frontal auf eine Stabsonotrode 16a‘ prallt, die Wesentlichen in einer Ebene E liegt, die eine Öffnung des Einlasses halbiert; in der Darstellung der 2 verläuft die Ebene E orthogonal zur Darstellungsebene und ist als solche durch die Horizontale gegeben.
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Die Stabsonotrode 16a‘ fungiert damit als Strömungshindernis, insbesondere als Stromteilungselement, das – wie durch die Pfeile gekennzeichnet ist – den eingeleiteten Wasserstrom in zwei Teilströme aufteilt und umlenkt. Jeder der Teilströme wird dabei weiterhin von der Trennwand 14 sowie von einer Außenwand des Reaktors mehrfach umgelenkt, so dass sich das belastete Wasser um die UV-Lampen 15 herum windet; auch die Trennwand 14 und die Außenwand wirken damit als Strömungshindernisse. Im Fortlauf des Behandlungskanals ergibt sich eine helixartige Strömung bis zum Wendebereich des Behandlungskanals. Von dort tritt das belastete Wasser in den zweiten Abschnitt, in dem es vorzugsweise (nicht gezeigt) wiederum in zwei Teilströmen und durch mehrfache Umlenkungen um die UV-Lampen 15 herum und zum Auslass 12 geführt wird.
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Auf diese Weise kann das belastete Wasser den Behandlungselementen im Behandlungskanal effektiv und kontrolliert ausgesetzt werden, was seine besonders effiziente und gezielte Behandlung ermöglicht.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient einem Reinigen (bzw. Aufbereiten) von belastetem Wasser in einem Reaktor (10) und umfasst ein Durchleiten des belasteten Wassers nacheinander durch einen ersten Abschnitt (20a) eines Behandlungskanals im Reaktor, durch einen Wendebereich (20b) des Behandlungskanals und durch einen sich parallel zum ersten Abschnitt erstreckenden zweiten Abschnitt (20c) des Behandlungskanals. Beim Durchleiten durch den ersten Abschnitt wird das belastete Wasser mehrfach zu mindestens einer helixartigen Strömung umgelenkt, die sich um mindestens ein Behandlungselement (15, 16a, 16b) herum windet, das sich im ersten Abschnitt in dessen Richtung erstreckt.
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Ein erfindungsgemäßer Reaktor (10) dient einem Reinigen (bzw. Aufbereiten) von belastetem Wasser und ist dazu eingerichtet, zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen verwendet zu werden.
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Insbesondere umfasst ein erfindungsgemäßer Reaktor (10) einen Behandlungskanal, der einen ersten Abschnitt (20a) mit einem Einlass (11) und einem im Einlassbereich angeordneten Strömungshindernis (16a‘, 14) sowie einen parallel zum ersten Abschnitt verlaufenen zweiten Abschnitt (20c) aufweist. Im ersten Abschnitt ist mindestens ein sich in dessen Richtung erstreckendes Behandlungselement angeordnet, und an einem dem Einlass entgegengesetzten Ende des ersten Abschnitts sind der erste und der zweite Abschnitt in einem Wendebereich miteinander verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Reaktor
- 11
- Einlass
- 12
- Auslass
- 13
- Anschlussstutzen für UV-Sensoren
- 14
- Trennwand
- 15
- UV-Lampe
- 16a, 16b, 16c
- Stabsonotrode
- 16a’
- Stabsonotrode als Stromteilungselement
- 17a
- Deckelfläche
- 17b
- Bodenfläche
- 18
- Mantelfläche
- 19
- Durchlass
- 20a
- erster Abschnitt des Behandlungskanals
- 20b
- Wendebereich des Behandlungskanals
- 20c
- zweiter Abschnitt des Behandlungskanals
- 21
- erste Zone
- 22
- zweite Zone
- 23
- dritte Zone
- E
- Öffnung des Einlasses halbierende Ebene
- H
- Höhe des Reaktors
