DE102020126529A1

DE102020126529A1 - Reaktor zur Abwasserbehandlung

Info

Publication number: DE102020126529A1
Application number: DE102020126529.8A
Authority: DE
Inventors: Mohammad Merjouei
Original assignee: Trutratec GmbH
Current assignee: Trutratec GmbH
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reaktor zur Abwasserbehandlung, insbesondere zur Entfernung organischer Substanzen aus Abwasser, umfassend:- ein Mittel zum Hinzufügen von Ozon,- ein Gehäuse,- ein Mittel zum Einleiten von Abwasser in das Gehäuse,- eine Glasplatte auf deren Oberfläche TiO2immobilisiert ist,- eine UV-Lichtquelle, die so angeordnet ist, dass UV-Licht von der Quelle auf die Glasplatte zur Behandlung des Abwassers fällt, und- ein Mittel zum Entfernen des behandelten Wassers aus dem Reaktor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reaktor und ein Verfahren zur Abwasserbehandlung, insbesondere zur Behandlung von Wasser, das stabile organische Stoffe wie pharmazeutische Verbindungen, Treibstoffzusätze, Herbizide, Pestizide und/oder Insektizide enthält.
Beschreibung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Mittel zum Reinigen von kontaminiertem Abwasser bereitzustellen, d. h. Wasser, das mindestens eine organische Substanz enthält.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Die Erfindung ermöglicht die Entfernung vieler chemischer Substanzen, insbesondere pharmazeutischer Verbindungen, Herbizide, Pestizide und/oder Insektizide, die ein Gesundheitsrisiko für Menschen darstellen, die Wasser trinken, welches derartige Substanzen enthält.
In einem Aspekt betrifft die Erfindung einen Reaktor zur Abwasserbehandlung, insbesondere zur Entfernung organischer Substanzen aus Abwasser, so dass sie die Gesundheit eines Wasserverbrauchers nicht gefährden. Ein solcher Reaktor umfasst:

- ein Mittel (wie ein Anschluss oder ein Ventil) zum Hinzufügen von Ozon,
- ein Gehäuse,
- ein Einlassmittel (wie ein Anschluss oder ein Ventil) zum Einleiten von Abwasser in das Gehäuse, vorzugsweise an einem oberen Teil des Gehäuses angeordnet,
- mindestens eine Glasplatte, vorzugsweise in vertikaler Position, auf deren Oberfläche TiO₂ immobilisiert ist,
- eine UV-Lichtquelle, die so angeordnet ist, dass das UV Licht von der Quelle auf die Glasplatte (wo das TiO₂ immobilisiert ist) zur Behandlung des Abwassers fällt, und
- eine Austrittsmittel (Anschluss oder Ventil) zum Entfernen des behandelten Wassers aus dem Reaktor.

Die Immobilisierung von TiO₂ ist im Stand der Technik bekannt. Für den Einsatz als Photokatalysator muss die TiO₂-Schicht eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Glasplatten, auf deren Oberfläche TiO₂ immobilisiert ist, können gekauft werden, zum Beispiel als Pilkington active^® Glas. Die Dicke der TiO₂-Schicht beträgt 12 nm bis 18 nm, üblicherweise etwa 15 nm.
In bestimmten Ausführungsformen des Reaktors ist das Mittel zum Hinzufügen von Ozon, ein Ozongenerator, so positioniert, dass sich das Ozon im eingeleiteten Abwasser auflöst. Das gasförmige Ozon wird im Abwasser gelöst, bevor es in das Gehäuse gelangt. In anderen Ausführungsformen wird das Ozongas in den inneren Teil des Gehäuses geleitet, so dass sich das Ozon innerhalb des Reaktors im Abwasser löst. Abhängig von der Schadstoffkonzentration im Abwasser kann ein breiter Bereich von Ozonkonzentrationen (von 10 mg/L bis 120 mg/L) im eingespeisten Trägergas/Speisegases (reiner Sauerstoff/Luft) verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen erreicht die Ozonendkonzentration im Abwasser bis zu 40 mg/l Ozon.
Die optimale Ozonkonzentration für die Abwasserbehandlung kann berechnet werden, um zu hohe Ozonkonzentrationen im Speisegas zu vermeiden. In diesem Fall zersetzt sich das Restozon im behandelten Wasser und verlässt das Wasser nach und nach. In diesem Fall ist kein Ozonzersetzer erforderlich. Alternativ kann ein Ozonzersetzer Teil des erfindungsgemäßen Reaktors sein, der sich stromabwärts des Austrittsmittels befindet.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst der Reaktor einen Sauerstoffkonzentrator, der mit dem Ozongenerator verbunden ist.
Der Sauerstoffkonzentrator nutzt die Umgebungsluft und reduziert andere Luftbestandteile als Sauerstoff. Dadurch wird das Sauerstoffverhältnis erhöht. Beispielsweise werden Stickstoff und andere Verunreinigungen gefiltert. Die dabei entstehende sauerstoffreiche Luft wird dabei dem Ozongenerator zugeführt. Dadurch werden Sauerstoffflaschen überflüssig. Die Verwendung von reinem Sauerstoff anstelle von Luft als Speisegas für den Ozongenerator erhöht die Ozonkonzentration in der Ausgabe des Ozongenerators.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Reaktor eine Vielzahl von Glasplatten in einer vertikalen Position innerhalb des Gehäuses. Die Glasplatten sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet, insbesondere in einem Abstand zwischen 5 cm und 30 cm. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Glasplatten 10 cm bis 20 cm voneinander entfernt.
Der Reaktor kann auch eine Pumpe umfassen, die das Abwasser durch das Eintrittsmittel in das Gehäuse pumpt.
Eine weitere Pumpe kann vorhanden sein, um das Wasser vom Boden des Gehäuses zurück zum oberen Teil des Gehäuses zu führen, wo es nochmal über die Glasplatten umverteilt wird. Dies kann mehrmals wiederholt werden, bis die Konzentration der Schadstoffe ausreichend verringert ist.
Der für die Pumpe und eventuell weitere elektrische Geräte benötigte Strom kann von einem Solarpanel erzeugt werden. Das Solarpanel befindet sich an der Außenseite des Gehäuses, insbesondere auf dem Dach des Gehäuses. Es kann sich auch an einer Seitenwand des Gehäuses befinden.
Zum Ausgleich von Zeiten, in denen das Solarpanel keine elektrische Energie erzeugt, insbesondere über Nacht, ist der Reaktor mit mindestens einer Batterie ausgestattet.
Die Behandlung des Abwassers erfolgt auf dem Glas mit dem TiO₂ als Katalysator. Die für die Reaktion benötigte Aktivierungsenergie stammt von der UV-Lichtquelle, die Licht einer Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 360 nm emittiert. In einer Ausführungsform wird UV-A-Licht (315 nm bis 400 nm, insbesondere 320 nm bis 360 nm) verwendet; in einer anderen Ausführungsform wird UV-C-Licht (250 nm bis 280 nm) verwendet, was zu besseren Ergebnissen führt als UV-A-Licht.
In bestimmten Ausführungsformen, insbesondere bei denen eine Vielzahl von Glasplatten verwendet wird, weist der Reaktor auch einen Teiler auf, der das ankommende Abwasser aufteilt und mehr oder weniger gleichmäßig auf die verschiedenen Glasplatten verteilt.
Der oben und hierin beschriebene Reaktor kann zur Behandlung von Abwasser verwendet werden, insbesondere zur Entfernung organischer Substanzen aus Wasser. Solche organischen Substanzen sind insbesondere pharmazeutische Verbindungen, Herbizide, Pestizide, Insektizide und andere organische Chemikalien.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung sind die organischen Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Declofenac, Acetaminophen, Ketorolac, Norfloxacin, Antipyrin, Trimethoprim, Ofloxacin, Sulfamethoxazol, Buthaclor^®, Thiacloprid^®, Duiron^®, Diazinon^®, Pentachlorphenol (PCP), Duiron^®, DCMU, TNT (Trinitrotoluol), Methyl-tert-Butylalkohol (MTBA), tert-Amylethylether (TAEE) und tert-Butanol (TB).
Der hier beschriebene Reaktor ist hochskalierbar. Beispielsweise können die Größe des Gehäuses, die Anzahl der Glasplatten und UV-Lichtquellen an die jeweiligen Bedürfnisse des Benutzers und/oder die Anforderungen der jeweiligen Abwassersituation angepasst werden.
In bestimmten Ausführungsformen ist der Reaktor tragbar. Er kann beispielsweise auf einem Wagen oder einer Plattform angeordnet sein, die ein einfaches Verschieben des Reaktors ermöglicht.
In einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Entfernen jeglicher hierin erwähnter Chemikalie aus Wasser.
Dieses Verfahren kann auch mit anderen Techniken zur Wasseraufbereitung kombiniert werden, insbesondere als Nachbehandlungsschritt nach der Wasseraufbereitung mit anderen Verfahren. Dies kann den Wartungsbedarf verringern und die Lebensdauer des Systems erhöhen.
In einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Abwasserbehandlung, insbesondere unter Verwendung eines Reaktors wie oben und hierin beschrieben.
Das Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

- Bereitstellung von Ozon, so dass sich die Ozonmoleküle im Abwasser lösen können und die Schadstoffe im Abwasser direkt oder indirekt durch Bildung anderer Oxidationsmittel, genannt OH-Radikale, angreifen.
- Bereitstellen von mindestens einer Glasplatte oder einer Vielzahl von Glasplatten, auf deren Oberfläche TiO₂ immobilisiert ist, und durch das UV-Licht aktiviert werden können, um als Photokatalysator zu reagieren, indem oxidierend-reduzierende Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden, die den Behandlungsprozess starten und beschleunigen können.
- Aufteilen des Abwassers und Verteilen des Abwassers auf die Glasplatte oder die Vielzahl von Glasplatten, um die Oberfläche zu vergrößern, auf der der Oxidationsprozess stattfinden soll,
- Kontaktierung des Abwassers mit der Glasplatte oder der Vielzahl von Glasplatten, um eine effektive Wechselwirkung zwischen den Oxidationsmitteln auf der Glasoberfläche, dem UV-Licht und den Schadstoffmolekülen im Abwasser zu bewirken,
- Bereitstellung einer UV-Lichtquelle, die so angeordnet ist, dass das UV-Licht der Quelle auf die Glasplatte fällt, auf der das TiO₂ immobilisiert ist, um die Schadstoffe direkt anzugreifen und die Oberfläche des TiO₂ (Photokatalysators) indirekt zu aktivieren und damit das Abwasser zu behandeln.

In einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Kit zur Behandlung von Abwasser, wobei der Kit umfasst:

- Ozon,
- ein durch UV-Licht aktivierbarer Katalysator, insbesondere in Form einer Glasplatte mit auf seiner Oberfläche immobilisiertem TiO₂, und
- eine UV-Lichtquelle.

In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Kit auch ein Solarpanel zum Umwandeln der Sonnenenergie in elektrische Energie und/oder einen Ozonzersetzer.
In einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Kits zur Behandlung von Abwasser, insbesondere in einem hier beschriebenen Reaktor.
Figurenliste
Die Abbildungen zeigen:

1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Reaktors der Erfindung.
2 ist eine Darstellung der photokatalytischen Ozonisierungsmechanismen, die zur Behandlung von Abwasser verwendet werden.

1 zeigt eine Ausführungsform des Reaktors der vorliegenden Erfindung für die Behandlung von Abwasser.
Der Reaktor 1 weist ein Gehäuse 3 auf. Das Abwasser tritt in den Reaktor 1 durch ein Eintrittsmittel 4 oben am Reaktor ein und verlässt es am Boden des Reaktors durch ein Austrittsmittel 7. Die Behandlung des Abwassers erfolgt innerhalb des Reaktors 1.
Ozongas tritt in den Reaktor 1 durch das Mittel 2 zum Hinzufügen von Ozon 2 (eine Öffnung oder ein Ventil) ein. Das Ozon kann entweder direkt in das Abwasser beim Eintritt in den Reaktor 1 eingelassen werden oder als Gas in das Innere des Reaktors 1 eingeleitet werden, so dass es sich im Abwasser im Inneren des Reaktors löst. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Ozon dem Abwasser zugesetzt, bevor das Abwasser durch das Eintrittsmittel 4 in den Reaktor 1 eintritt.
Innerhalb des Reaktors 1 sind mindestens eine Glasplatte 5, üblicherweise mehrere Glasplatten 5 vertikal positioniert und die Glasplatten 5 sind parallel zueinander positioniert. Auf der Oberfläche der Glasplatten 5 ist TiO₂ immobilisiert. Im Inneren des Reaktors 1 ist ebenfalls eine UV-Lichtquelle 6 angeordnet, vorzugsweise in einem oberen Teil des Reaktors 1. Die UV-Lichtquelle 6 ist so positioniert, dass das von ihr emittierte Licht auf die Oberfläche der Glasplatten 5 trifft.
Zur gleichmäßigen Verteilung des ankommenden Abwassers auf die Glasplatten 5 weist der Reaktor 1 einen Verteiler 8 auf, durch den das Abwasser auf die Glasplatten 5 verteilt wird.
Das Abwasser berührt die Glasplatte und läuft der Schwerkraft folgend an den Seiten der Glasplatten zum Boden des Reaktors 1. In einigen Ausführungsformen ist im Reaktor 1 eine Pumpe vorhanden, so dass das Abwasser, das den Boden des Reaktors 1 erreicht, nochmal in den oberen Teil des Reaktors 1 hochgepumpt und über den Verteiler 8 auf die Glasplatten 5 umverteilt werden kann.
Ausreichend behandeltes Abwasser, dessen Konzentration von Substanzen ausreichend reduziert worden ist, kann durch das Austrittsmittel 7 den Reaktor 1 verlassen.
2 zeigt die UV-Quelle., die UV-Licht auf eine Glasplatte 5 strahlt, die in dieser Darstellung einer Ausführungsform des Reaktors horizontal ausgerichtet ist. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Glasplatte 5 vertikal im Reaktor positioniert wird.
Die Glasplatte trägt auf ihrer Oberfläche TiO₂, das als Katalysator wirkt. Ein solches Glas ist auch als Pilkington active^®-Glas bekannt. Das im Abwasser vorhandene Ozon bildet bei der Aktivierung durch die UV-Quelle in Gegenwart von TiO₂ OH-Radikale, die mit den das Abwasser belastenden organischen Substanzen reagieren. Die Oxidation der Schadstoffe führt zu deren Zerstörung und zu ungiftigem Wasser, das von Mensch und Tier unbedenklich konsumiert werden kann.
Beispiele
Beispiel 1
Die vorliegende Erfindung, auch als RenPhOzo^®-System bezeichnet, kann verwendet werden, um die meisten pharmazeutischen Verbindungen abzubauen, insbesondere Verbindungen wie Declofenac, Acetaminophen, Ketorolac, Norfloxacin, Antipyrin, Trimethoprim, Ofloxacin, Sulfamethoxazol usw. in Konzentrationen von bis zu 1 g/l in Wasser. Die Gesamtentfernung des organischen Kohlenstoffs (TOC) dieser Verbindungen unter Verwendung der Erfindung liegt zwischen 80 % und 95 %, abhängig von der anfänglichen Schadstoffkonzentration und den Betriebsbedingungen.
Beispiel 2
Die komplizierten chemischen Strukturen von Herbiziden, Pestiziden und Insektiziden wie Buthaclor^®, Thiacloprid^®, Duiron^®, Diazinon^®, Pentachlorphenol (PCP) sollen mit der Erfindung innerhalb von Minuten vollständig zerstört werden. Obwohl diese Substanzen vollständig bioresistente und hochgiftige Verbindungen sind, kann die vollständige Dekontamination dieser Wasserschadstoffe unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Beispiel 3
Gesättigte Carbonsäuren und Organohalogene, die gegenüber herkömmlichen Ozonierungsbehandlungen hochbeständig sind, können mit der Erfindung leicht angegriffen und zersetzt werden. Konzentrationen von bis zu 5 g/L von Oxalsäure und Dechloressigsäure wurden mit der Erfindung innerhalb von 10 Minuten dekontaminiert.
Beispiel 4
Lösungen von Trinitrotoluol (TNT) mit einem TOC-Gehalt von ca. 1000 mg/l wurden erfolgreich mit dem System der Erfindung behandelt, um den TOC-Gehalt auf weniger als 50 mg/l zu reduzieren. Diese giftige und krebserregende Industrieverbindung ist von Natur aus sehr stabil und widersteht herkömmlichen Behandlungstechnologien.
Beispiel 5
Die Entfernung einiger Kraftstoffadditive wie Methyl-tert-utylalkohol (MTBA), tert-Amylethylether (TAEE) und tert-Butanol (TB) aus Grundwasserproben unter Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zeigte ausgezeichnete Ergebnisse. Selbst sehr hohe Konzentrationen (100 ppm) dieser Wasserverunreinigungen wurden in weniger als 5 Minuten dekontaminiert.
Beispiel 6
Das erfindungsgemäße System ist in der Lage, den TOC-Gehalt einer realen Abwasserprobe, die in einem Pyrolyseprozess hergestellt wurde, von 2000 mg/l auf weniger als 250 mg/l bei einer Behandlungsrate von 1000 l/h zu senken.

Claims

Reaktor (1) zur Behandlung von Abwasser, insbesondere zur Entfernung organischer Substanzen aus Abwasser, umfassend: - ein Mittel (2) zum Hinzufügen von Ozon, - ein Gehäuse (3), - ein Eintrittsmittel (4) zum Einleiten von Abwasser in das Gehäuse (3), - eine Glasplatte (5) auf deren Oberfläche TiO₂ immobilisiert ist, - eine UV-Lichtquelle (6), die so angeordnet ist, dass UV-Licht auf die Oberfläche der Glasplatte (5) fällt, und - ein Austrittsmittel zum Entfernen des behandelten Wassers aus dem Reaktor (7).
Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (2) zum Hinzufügen von Ozon derart angeordnet ist, dass sich das Ozon im eingeleiteten Abwasser löst und/oder in das Gehäuse (3) strömt.
Reaktor nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mehrere Glasplatten (5) in vertikaler Lage, die parallel zueinander angeordnet sind, insbesondere mit einem Abstand voneinander zwischen 5 cm und 30 cm, insbesondere 10 bis 20 cm.
Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, umfassend eine Pumpe, die das Abwasser durch das Eintrittsmittel (Anschluss oder Ventil) in das Gehäuse pumpt.
Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 4, umfassend ein Solarpanel zur Stromerzeugung, insbesondere zum Antrieb der Pumpe, der UV-Lichtquelle und/oder eines Ozongenerators, wobei sich das Solarpanel an einer Außenseite des Gehäuses, insbesondere an einem Dach des Gehäuses, befindet.
Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 5, wobei die UV-Lichtquelle (6) Licht einer Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 360 nm emittiert.
Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 3, mit einem Verteiler (8), der das eingeleitete Abwasser teilt und das Abwasser auf die Glasplatten verteilt.
Verwendung eines Reaktors nach Anspruch 1 bis 7 zur Abwasserbehandlung, insbesondere zur Entfernung organischer Substanzen aus Wasser, wobei die organischen Substanzen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Declofenac, Acetaminophen, Ketorolac, Norfloxacin, Antipyrine, Trimethoprim, Ofloxacin, Sulfamethoxazol, Buthaclor^®, Thiacloprid^®, Duiron^®, Diazinon^®, Pentachlorphenol (PCP), Duiron^®, DCMU, TNT (Trinitrotoluol), Methyl-tert-butylalkohol (MTBA), tert-Amylethylether (TAEE) und tert-Butanol (TB).
Verfahren zur Abwasserbehandlung, insbesondere unter Verwendung eines Reaktors nach den Ansprüchen 1 bis 7, umfassend die Schritte: - Bereitstellung von Ozon derart, dass das Ozon im Abwasser gelöst wird, - Bereitstellung einer vertikalen Glasplatte, auf deren Oberfläche TiO₂ immobilisiert ist, - Aufteilen des Abwassers und Verteilen des Abwassers auf der Glasplatte, - Kontaktierung des Abwassers mit der Glasplatte, - Bereitstellung einer UV-Lichtquelle, die derart angeordnet ist, dass das UV-Licht von der Quelle dort auf die Glasplatte fällt, wo das TiO₂ immobilisiert ist, wodurch das Abwasser behandelt wird.
Verwendung eines Kits zur Behandlung von Abwasser, insbesondere in einem Reaktor nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei der Kit umfasst: - Ozon, - einen Katalysator, der durch UV-Licht aktivierbar ist, - eine Glasplatte, auf deren Oberfläche TiO₂ immobilisiert ist, und - eine UV-Lichtquelle.