DE19530086A1

DE19530086A1 - Verfahren zur physikalisch-chemischen Brauchwasseraufbereitung mit Sensorsteuerung

Info

Publication number: DE19530086A1
Application number: DE1995130086
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Fleischmann; Volker Thielmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-16
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: DE19530086C2

Description

Stand der Technik

Regenwasser oder allgemeiner Oberflächenwässer über versiegelten Böden und leichtverschmutzte Abwässer kommen in hochentwickelten Regionen ohne weitere Nutzung in die Kläranlagen. Sie verdünnen damit erheblich die Klär schlammfracht, die letztendlich wieder aufkonzentriert werden muß. Dies be deutet einen erheblichen Energieaufwand. Darüber hinaus führt der regenschub artige Anfall der Oberflächenwässer zum Überlauf der Auffangbecken. Aus die sem Grunde wäre auch in Regionen mit hohem Quellwasservorkommen eine de zentrale Sammlung und rezyklisierte Nutzung von erheblichem Wert.

Unabdingbar ist in Trockenregionen die möglichst mehrfache Verwendung von Regenwässern. Dort besteht vordringlich die schadstoff- und keimfreie Trink wasservorgabe.

Diese unterschiedlichen Anforderungen verlangen eine gezielte Behandlung des gespeicherten oder rezyklisierten Wassers. Vom energetischen und anlagen technischen Standpunkt aufwendige Lösungen sind Destillation mit Rückkühlung und Abwärmenutzung oder Wasserzersetzung über Elektrolyse und Wasserge winnung über Brennstoffzellen z. B. im Weltraum. Ultrafiltration und Umkehr osmose sind weitere Verfahren mit geringerem Energie- jedoch immer noch ho hem technischen Aufwand. Aber auch dort ist eine Verkeimung bei längerem Betrieb nicht auszuschließen.

Im Gegensatz zu diesen Hochenergie- und Hochdruckverfahren sind die nieder energetischen Durchflußverfahren wesentlich ökonomischer. Sie beinhalten als bekannte Verfahren die Grobfiltration der nichtsuspensionsgängigen Wasserin haltsstoffe die Adsorption an geeigneten Adsorbentien, die katalytische Oxidation oder Reduktion, die Phosphatumsetzung bzw. Nitratreduktion und als neuere Technik die UV-Entkeimung.

In DE 42 26 871 wird eine Oxidation und Entkeimung ausgehend von Brunnen wasser vorgeschlagen. Besonderes Augenmerk liegt in der oxidativen Fällung von Eisen und Manganionen. Die Entkeimung wird als offensichtliche Vorsorgemaß nahme für Zuluft und Wasser verstanden.

Im Gegensatz zur vorgehenden Anwendung beschreibt DE 40 07 898 die UV- Bestrahlung geklärten Abwassers. Diese Reduktion pyrogener Keime erlaubt die Einleitung des Abwassers in Flüssen, Seen und nahe an Stränden, die einem öffentlichen Badebetrieb zugänglich sind.

Die Patentschriften DE 30 20 170 und 43 16 452 zeigen den Schadstoffabbau durch Kombination der UV-Strahlung mit Wasserstoffperoxid- bzw. Chlorzuga ben.

In EP 0 317 735 wird unter anderem daraufhingewiesen, daß Suspensionsanteile bis zu 16 ppm die UV-Entkeimung nicht stören und das behandelte Abwasser seuchenhygienisch unbedenklich ist.

Die Offenlegungsschrift 31 08 159 trägt Belege vor, die die Wirksamkeit der UV-Behandlung im oxidativen Abbau von organischen Substanzen zu CO₂ nachweisen. Als Überwachungsparameter bieten sich in diesem Zusammenhang Sauerstoffgehalt bzw. Leitfähigkeit an. Die Offenlegungsschrift 41 24 843 er scheint in diesem Zusammenhang als Fortführung der in der vorhergehenden Literaturstelle zitierten Technik.

Die allgemeine Abwasserproblematik und der Einsatz physikalisch-chemischer Reinigungsmethoden sind in den Handbüchern der technischen Chemie zusam mengestellt. Insbesondere wird auf die Notwendigkeit einer Desinfektion der Ab läufe, die Entfärbung und Geruchsbekämpfung hingewiesen (Ullmanns Enzyklo pädie der technischen Chemie Band 6, S. 417 ff).

Der vorliegenden Erfindung, beschrieben in den Ansprüchen 1 bis 14, liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren der physikalisch-chemischen Aufbereitung von Wässern derart zu kombinieren und anzupassen, daß die Energieeinbringung über Pumpen und Steuerung bzw. der Aufwand für die Anlagentechnik eine maximale Brauchwasserausbeute zulassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die fünf unter schiedlichen Verfahrensabschnitte Flockung, Filterung, Adsorption, Katalyse und UV-Bestrahlung folgendermaßen abgestimmt und gesteuert werden: Zerstörung ionisch stabilisierter Suspensionen und Abscheidung von Teilchen< 10 µm, Adsorption und Aufoxidation von Schadstoffen zu stabilen bzw. un giftigen Oxiden wie Fe₂O₃, MnO₂ oder CO₂ und Zerstörung pathogener Keime.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß während des Betriebes, der nach diesem Verfahren arbeitenden Anlagen, die Wasserinhaltstoffe je nach Verschmutzung des zugeführten Wassers und Anfor derungen an das Brauchwasser auf sensorisch festgelegte Grenzwert sicher redu ziert werden.

Beschreibung der Abbildungen

Das Verfahren, das zumeist in einer zentralen Anlage (1) durchgeführt wird benötigt eine Versorgungsvorrichtung mit Volumenspeicher (2) und Zwischen station (3) bzw. eine Entnahmestrecke (4). In der Fig. 01 ist die Einbindung der Anlage mit Vorfilter (10), Reaktor (20), Bestrahlungsabschnitt (30) und Sensorik (40) in einen Kreislauf aufgezeigt. Die Sensorik wird in diesem Beispiel der Kreislaufführung zu einem Sensorarray zusammengefaßt.

Die Fig. 02 zeigt dieselben Anlagenteile (10), (20) und (30) in einer Durchlauf station mit Aufteilung der Sensorik in Sauerstoffanalysator (41), pH-Elektrode (42), Keimzahlsensor (43), ionenselektivem Sensor (44) und Photosensor (46). Vordruckpumpe (7), Sauerstoffpumpe (50), Luftanreicherung (23) sowie Ein schaltung des Dolomitreaktors (60) werden über die Elektronik (40) gesteuert. Keimfreies weiches Brauchwasser wird über die Leitung (5), mineralhaltiges Trinkwasser über die Leitung (6) abgegeben. Für das Verfahren im Sinne der Ansprüche sind der Kohlevliesfilter (11) der Aktivkohlekatalysator (21) und der UV-C-Brenner (31) entscheidend.

Fig. 3a beschreibt den Einbau einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (50) mit der vorgebenen Sauerstofffließrichtung (56) ins Innere des Reaktors. Die Einzel teile sind Lochscheiben (51) und ein Stahllochblech (54) als Stützen, Gas diffusionselektroden (52), Nafionfolie als fixierter Hochleistungselektrolyt (53), Ableitungen mit Steckeranschluß (57). Die äußere Lochscheibe dient mit Dichtung (55) und Schraubgewinde zum flüssigkeitsdichten Einbau.

Die Fig. 3b und 3c zeigen Ausführungsformen von Keimzahlsensoren mit Schwingquarz (74) und spektroskopischer bzw. photometrischer Analytik mit Lichtleitfaser (75), Strahlungsquelle (76) und Detektor (77). Gemeinsam für beide Aufbauten sind Flüssigkeitszuführung (71), Beruhigungsraum (72) und aktive Membran (73).

Fig. 4 stellt schematisch das Zusammenspiel zwischen Sensorik und Aktorik über eine programmierbare Prozeßrechnerelektronik vor. Dies bedeutet für das bean spruchte Verfahren, daß die Verfahrensschritte entsprechend dem Hauptanspruch gleichbleiben, die Regelung nach Prioritäten über Photozelle, Keimzahl, Sauer stoffgehalt durchgeführt wird. Bei steigenden Ansprüchen an die Reinheit des Wassers werden die Leitfähigkeit bestimmt bzw. ph-, Redox- oder ionenselekti ve Elektroden eingesetzt.

1. Beispiel: Aufbereitung von Oberflächenwässer zu Trinkwasser

Oberflächenwässer, die aus Niederschlägen entstehen, haben heute schon eine er hebliche Bedeutung in der Wasserversorgung bestimmter Regionen. Diese Wässer sind dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Luftauswaschung und Strömung über kontaminierte Oberflächen Stäube, Salze und organische Stoffe mitreißen und unterschiedliche Mengen an Gasen wie Kohlendioxid, Stickoxide und Schwe feloxide aufnehmen. Die unkontrollierte Vermischung mit Fäkalien führt oftmals zu einem verheerenden Anstieg der Keimzahlen. Dieser Vorgang wird durch eine zwischenzeitliche Lagerung in Zisternen und Speichertanks weiter beschleunigt.

Eine optimale Trinkwasserqualität wird dadurch erreicht, daß aus den großen Zisternen, die eine Trockenperiode von eins bis zu sechs Monaten überbrücken müssen, zumeist bei Nacht Wassermengen von rund 10 bis 100 l pro Kopf in einen Zwischenspeicher übernommen werden. Von dort gelangt diese Wasser menge über den Kohlevliesfilter in den Aktivkohlereaktor und weiter in den UV- Lampenbereich. Eine Anlage mit 16 W UV-Lampe, 15 l Aktivkohlereaktor und einem 2 l Vorfilter kann mit geringer Pumpleistung bis 2 m³ Wasser in 24 h etwa 6 mal umpumpen. Dies genügt zur keimfreien Wasserversorgung von mehr als 20 Menschen. Zweckmäßig ist bei größeren Anlagen und in heißen Regionen eine Auftrennung in keimfreies Gebrauchswasser und dem eigentlichen Trinkwasser im Verhältnis 10/1, das dann mit Calcium- und Magnesiumcarbonat angereichert bzw. leichter z. B. über Abwärmetransformatoren gekühlt werden kann. Der wichtigste Sensor ist in diesem Falle der photoelektrische Strahlungsdetektor, der beim Ausfall der Lampe eine Alarmmeldung abgibt. Die Leistungsfähigkeit des Aktivkohlereaktor wird über eine Sauerstoffsonde im Vorfilter und Lufteinfüh rung über die Rückspülungsanlage gesteigert. Ein Keimzahlsensor im Kreislauf kann zur Reduktion der Pumpenlaufzeit und damit der Pumpenenergie herange zogen werden.

2. Beispiel: Schwimmbadwasseraufbereitung

Seuchenhygienische Vorschriften erfordern von öffentlichen Schwimmbädern einen hohen Aufwand an Reinigungsvorgängen, bei denen eine nachhaltige und andauernde Entkeimung nur durch gezielten Chlor- oder Peroxidzusatz erreichbar ist. Für private Anlagen mit bis zu 200 m³ Wasser sind diese Verfahren zu aufwendig, obgleich ein ebenso hoher Reinheitsgrad angestrebt werden sollte.

Für die Aufbereitung in derartiger Kleinanlagen mit geringerer Spitzenbelastung bietet sich die Kombination Vorfilter, Aktivkohlereaktor und UV-Lampe an. Schubweiser Anstieg der Verschmutzung wird durch einen relativ großen Reaktor mit etwa 30 bis 100 l Aktivkohle aufgehalten und je nach Belastung über Nacht mit einer schwächeren UV-Lampe (8 oder 16 W) wieder abgebaut. Dazu werden hohe Durchflüsse 2-10 m³/h bei Benutzung gefahren. Bei geringerem Bedarf werden die Durchflüsse gedrosselt oder nur ein Nebenkreislauf (Aktivkohle reaktor - UV-Brenner) über ein Dreiwegventil eingestellt.

3. Beispiel: Rezyklisierung von wenig belasteten Abwässern aus Wasch prozessen

Abwässer aus Waschmaschinen, Bädern und Duschen haben in der Regel einen hohen Gehalt an Tensiden und Waschhilfsstoffen bei geringer Schmutzfracht. Dieses Wasser kann als Brauchwasser für Toiletten wiederverwendet werden, wenn Geruchsstoffe, zu hohe Keimzahlen und die schleier- bzw. ränderbildende Farbstoffe eliminiert sind.

Eine Anlage mit 5 l Vorfilter, 15 l Aktivkohlereaktor und 8 W UV-Lampe rezyklisiert rund 3 m³ Brauchwasser pro Tag. Dabei werden die nicht suspen sionsgängigen Feststoffe im Vorfilter aufgefangen. Eine Reinigung des Vorfilters ist durchschnittlich alle vier bis acht Wochen notwendig. Die Geruchs- und Farb stoffentfernung wird optimal bei etwa vierfacher Kreislaufführung der Maximal menge (Durchfluß 0,5 m³/h). Eine automatische Rückspülung des Aktivkohle reaktors muß wöchentlich durchgeführt werden.

Die Bewertung mit Wasser- bzw. Abwasserkosten, Anlageninvestition und Ener gieauslegung zeigt Amorisationszeiten auf, die ein Jahr unterschreiten. Diese Be rechnung ist ein wesentliches Indiz für die optimale Energie- und Material nutzung im Rahmen der Wasseraufbereitung.

4. Beispiel: Aufbereitung von Abwässern zu Trinkwasser mit Hilfe einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe und Sensorsteuerung

Neben der Keimfreiheit muß Trinkwasser die entsprechenden Grenzwerte an Metallionen halogenierten und sonstigen Kohlenwasserstoffen unterschreiten. Es sollte darüber hinaus weitgehend neutral und mit Sauerstoff bis zur Sättigung bzw. mit etwas mit Calcium- bzw. Magnesiumcarbonat angereichert sein.

Zur Rückgewinnung von Trinkwasser aus unterschiedlichen Abwässern sind die in den vorhergehenden Beispielen dargestellten Anlagen geeignet, wenn man die Sensorsteuerung einführt und entsprechend der Kontamination der Abwässer den Wartungsaufwand erhöht. Im einzelnen besteht eine derartige Anlage aus fol genden Teilen:

Vorfilter mit Aktivkohlevlies und Aktivkohleeinsatz mit Sauerstoffsensor. Filtration der Feststoffanteile, Sichtkontrolle und Schutz bei hohem Verschmut zungsgrad (schneller Austausch). Aufnahme an Feststoffen maximal 500g, Austausch bei hohem Anteil an nichtsuspensionsgängigen Feststoffen etwa alle 7 Tage, bei Normalbetrieb Wartungsintervalle 2-4 Monate.

Aktivkohlereaktor zur Adsorption halogenierter Kohlenwasserstoffe und kata lytisch, oxidativen Umsetzung reaktiver Schad- und Geruchsstoffe. Minimale Verweildauer im Aktivkohlebett (Schüttdichte = 0,4 g/cm³, 0,1 m³ pro Stunde Wasserdurchfluß) etwa 200 Sekunden. Sauerstoffzufuhr über elektrochemische Sauerstoffpumpe mit Graphitelektroden Nafionfolienelektrolyt, poröse Keramik und Lochstahlplatte. Ein Sauerstoffsensor im Vorfilter steuert die Energiezufuhr zur elektrochemischen Zelle. Die Regenerationsintervalle der Aktivkohle liegen je nach Durchfluß und Schadstofffracht des zugeführten Abwassers zwischen einem und sechs Monaten.

UV-Bestrahlung mit Wirkungsgradsensor zur Zerstörung pyrogener Keime UV-Lampe 20 W, Bauhöhe 430 mm mit Sensor für Wirkungsgradverlust und Steuer- bzw. Schaltelektronik. Strömungsquerschnitt 130 mm , maximale Durchflußgeschwindigkeit 0,2 m/s, bzw. 30 cm /s bei 100 l/h. Energieabgabe des Strahlers: 57600 J/100 l = 576 mJ/cm³ als Volumendosis, dies entspricht in der Bestrahlungskammer bei einer Expositionszeit von 5s etwa auch der spez. Energie pro cm². Ein Keimzahlsensor als biologisch aktive Membran in einer Bypass- Leitung zeigt die Leistungsfähigkeit der Entkeimung bzw. die Überlastung des Aktivkohlereaktors an.

Dolomitdosierung mit pH-Sensor: In Einzelfällen ist eine Entsäuerung des Wassers notwendig. Dies geschieht mittels ventilgeschalteter Durchleitung des Wassers vor der Entkeimungsanlage über einen Dolomitfilter.

Die Sensoren für Sauerstoff, Keimzahl und pH bzw. die Änderung ihrer Werte im Langzeit- bzw. Kurzzeitrahmen reichen aus, um ein umfassendes Bild der Wirksamkeit der Anlage widerzuspiegeln.

5. Beispiel: Aufarbeitung fett- und ölhaltiger Abwässer und Rückführung in einen Reinigungsprozeß

Waschanlagen für Fahrzeuge, PKW, LKW, Waggons und Flugzeuge benötigen neben der Abscheidung von Schmutzpartikeln, Fetten und Ölen, die Entfärbung und Desodorierung des Kreislaufwassers.

Für diesen speziellen Fall ist der Aktivkohlereaktor als Oxidationsreaktor zur Desodorierung, Entfärbung und teilweisen Umsetzung von Fetten und Ölen, die nicht abgeschieden wurden, geeignet. Der UV-Strahler unterstützt die Bildung von Fettsäuren, die je nach pH-Wert alkalisiert werden müssen. Dies geschieht über die Waschmittelzudosierung. Die Anlagen entsprechen den Grauwasserauf bereitungen mit einem erhöhten Aufwand an Entschäumung und Ölabscheidung im Vorfilterbereich.

Claims

1. Verfahren zur physikalisch-chemischen Brauchwasseraufbereitung von Ober flächen- und Abwässern, dadurch gekennzeichnet, daß

a. in einem Vorfilter (10) mit leitfähiger Kohlenstoffstruktur (11) ionenstabili sierte Suspensionen ausgefällt und nicht suspensionsgängige Teilchen ausgefiltert werden,
b. in einem nachfolgenden Reaktor (20) mit Aktivkohle (21) die gelösten und jetzt noch suspensionsgängigen Wasserinhaltstoffe adsorbiert und aufoxidiert werden,
c. in einem Durchflußreaktor (30) am Ende der Anlage über UV-Bestrahlung die aufoxidierten organischen Schadstoffe weiter abgebaut bzw. die pyrogenen Kei me zerstört werden und
d. je nach Qualitätsanforderung an das Brauchwasser der Durchfluß über einen oder mehrere Sensoren (40), vornehmlich einem Photosensor (46) am UV- Brenner (31), gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sauerstoffgehalt und Keimzahl sensorisch erfaßt und zur Steuerung herangezogen werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte des Brauchwassers weitergehend über Leitfähigkeits-, Redox- oder pH- Sensor bestimmt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimzahlsensor (43) als physikalisch-chemischer Baustein aus einer biochemisch aktiven Membran z. B. für Kolibakterien mit photo-, spektrometrischer bzw. anderen massenabhängigen Schichtdickenanalytiken besteht.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er höhung der Reaktivität des Katalysereaktors (20) Sauerstoff oder Wasserstoff peroxid zudosiert werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffanreicherung über eine elektrochemische Sauerstoffpumpe (50) ge schieht.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Elektroden für die elektrochemische Sauerstoffpumpe (50), die leitfähige Kohlenstoffstruktur (11) im Vorfilter (10) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlen-
stoffpapier, -vlies oder -gewebe die leitfähige Kohlenstoffstruktur (11) im Vorfilter (10) ausmacht.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivkohle im Reaktor (20) zur Erhöhung der katalytischen Aktivität Edelmetall zugesetzt wird, dessen Menge 1-100 mg pro kg Kohle ausmacht.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß daß das Edelmetall zur Feinstverteilung reduktiv auf der Kohle ausgefällt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktivkohle reaktor (20) rückspülbar ist.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspülung mittels Druckluft (23) durchgeführt und damit eine Sauerstoffan reicherung im Reaktor (20) erreicht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestrahlungs reaktor (30) mit einem Photosensor (46) und einer speicherprogrammierbaren Prozessorelektronik (47) ausgerüstet ist, die sowohl die nachlassende Brenner wirkung als auch die Verschmutzung der Quarzglasoberfläche aufgrund einpro grammierter unterschiedlicher Zeitfaktoren feststellen und über Monitore aus geben kann.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß zu sätzlich zur Photozelle (46) die weitere Sensoren (41-45) der Prozessor elektronik (47) Werte liefern und mit diesen Parametern die Aktorik (48) (Pumpen, Ventile, Rückspülung, Sauerstoffzufuhr, Alarmabschaltung) abhängig von der Brauchwasseranforderung über entsprechende Programme gesteuert wird.