DE202017003049U1

DE202017003049U1 - Solarstrombetriebene Trinkwasseraufbereitungsanlage

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Publication number: DE202017003049U1
Application number: DE202017003049.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2017-11-14
Anticipated expiration: 2027-06-10

Abstract

Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die physikalische Wasseraufbereitung sämtliche bakteriellen Verschmutzungen im Wasser beseitigt werden.

Description

Einleitung/Zielsetzung
Die HPV Anlage soll dazu dienen in den vorgenannten Gebieten, Asien und Afrika die Wasserversorgung auf autarker Basis zu verbessern.
Grundsätzlich löst die HPV Anlage drei Problemfelder

• Verfügbarkeit von Energie
• Kontamination des Trinkwassers
• Bedienung und Service

Zielsetzung ist es, vor allem in ländlichen Gegenden, die Bevölkerung in die Lage zu versetzen, vorhandenes Wasser eigenständig und einfach zu behandeln und eine geeignete Trinkwasserqualität zu erzielen. Durch den einfachen Aufbau und die nahezu wartungsfreie Technik, kann die HPV Anlage vor allem dort eingesetzt werden, wo Energie in Form von Elektrizität nicht unmittelbar zur Verfügung steht. Vor allem in Gegenden, in den die Infrastruktur nicht zuverlässig vorhanden ist, kann die HPV Anlage bestehende Versorgungsprobleme lösen.
Als Betreibermodell sind mehrere Varianten denkbar. Grundsätzlich ist der Betrieb ohne größere Kosten möglich. Die Herstell-, Transport- und Vertriebskosten könnten durch geeignete Micro-Finanzierungsmodelle gedeckt werden. Ebenso wäre es denkbar, durch eine einfache Gebührenstruktur die Refinanzierung darzustellen. Als weitere Lösung wäre der Betrieb durch geeignete staatliche Stellen denkbar, was den Vorteil hat, dass allfällige Unterstützungsarbeiten, wie Beschaffung, Schulung und technischer Support zentral und einheitlich abgedeckt wären.
Wirkungsweise
In den beschriebenen möglichen Einsatzgebieten ist das Hauptproblem in der Wasserversorgung die Kontamination mit Bakterien. Dies führt häufig zur Erkrankung der Bevölkerung mit den entsprechenden Problemen und Konsequenzen.
Die HPV Anlage dient dazu, vorhandenes Wasser, so zu behandeln, dass es nahezu keimfrei ist und Trinkwasserqualität erreicht. Die Verkeimung des Wassers wird durch ein hydrophysikalisches Verfahren beseitigt. Dass Wasser wird mehrfach durch die Anlage geführt und mittels eines Speicherverfahrens dann als Trinkwasser zur Verfügung gestellt. Der Betrieb erfolgt dabei durch eine Pumpe, die das Wasser durch die Anlage leitet.
Die notwendige Energie für die Pumpe wird über eine Photovoltaikanlage erzeugt und über einen geeigneten Batteriespeicher in das System eingespeist. Überschüssige Energie kann aus dem Batteriespeicher ggf. für andere Zwecke entnommen werden.
Stand der Technik
Für einen weitgehend störungsfreien Betrieb der Wasserkreisläufe sind Wasseraufbereitungsverfahren und Anlagentechniken notwendig, welche die notwendigen Reinigungsprozesse effizient und nachhaltig durchführen und somit einen sicheren Betrieb gewährleisten können.
Dabei wird das verschmutzte Wasser so weit gereinigt, dass es wiederverwendet werden kann.
Derzeit werden überwiegend flüssige chemische, zumeist toxische Zusatzstoffe wie z. B. Bakterizide, Biozide, Pestizide in der Wasseraufbereitung für die Wässer eingesetzt, um dadurch mikrobiologische Belastungen und deren negativen Auswirkungen zu eliminieren.
Diese chemischen Zusatzstoffe sind jedoch mehrheitlich biologisch nicht abbaubar und belasten somit das Abwasser/Umwelt. Zudem stellen diese zumeist toxischen Chemikalien für das Betreiberpersonal eine Gesundheitsgefährdung dar, vor allem, wenn diese mit den Produkten in Hautkontakt kommen oder deren Dämpfe einatmen.
Zusätzlich erschwerend kommt hinzu, dass Bakterien im Laufe der Zeit Resistenzen gegen chemische Stoffe entwickeln, trotz Dosierung dieser Chemikalien nicht mehr abgetötet werden können und das Keimwachstum ungehindert voranschreiten kann.
Die Problemlösung
Komponente Strömungsdynamsiche Wasseraufbereitungsanlage
Eine Wasserbehandlungsanlage, deren Herzstück eine Wirbelkammer, ähnlich einer Zentrifuge, ist. Mittels einer vorgeschalteten Hochdruckpumpe wird Prozesswasser aus einem Vorlagebehälter (z. B. Auffangbecken Kühlturm) mit einem definierten Vordruck von 3.0 bar bis 8.0 bar (je nach Größe der vorgeschalteten Druckpumpe) in eine Wirbelkammer gepumpt.
Innerhalb der Wirbelkammer werden, konstruktiv bedingt, hohe Rotationsgeschwindigkeiten des Wassers, Druckdifferenzen, Scherkräfte, Unterdruck und Kavitation aufgebaut.
In der Wirbelkammer wird eine gerichtete (gezielte) Entspannung des Prozesswassers herbeigeführt (Lava)- oder Venturidüseneffekt)
Es entsteht Unterdruck von bis zu max. –1.0 bar. An der Stelle der Anlage wo Unterdruck entsteht, wird mit Hilfe eines Luftansaugventiles, welches in die Wirbelkammer integriert ist, Umgebungsluft zwangsweise angesaugt. Die angesaugte Umgebungsluft wird unmittelbar dem Prozesswasser innerhalb der Wirbelkammer zugeführt.
Prozesswasser und angesaugte Umgebungsluft werden stark vermischt und das Prozesswasser mit Luftsauerstoff angereichert. Der natürliche Luftsauerstoff, in Verbindung mit dem im Wasser gelösten Sauerstoff, steht für eine Redoxreaktion d. h. Kaltoxidation zur Verfügung.
Die Oxidationskraft natürlicher Kaltoxidation und damit die Keimabbaurate ist jedoch begrenzt.
Komponente Ozongenerator
Ein Ozongenerator mit integrierten 7 W UV-Ozon-Lampen und einer Luftansaug- und Luftaustrittsstelle, zur Erzeugung von ozonhaltiger Luft.
Der Ozongenerator saugt mit Hilfe eines elektr. Lüfters eigenständig Umgebungsluft an und reichert diese innerhalb des Generators, durch Kontakt mit den UV-Lampen, mit Ozon an.
Der Ozongehalt der Luft beträgt nach Austritt aus dem Ozongenerator, je nach Anzahl der C^IV-Lampen, zwischen 2.000 mg/h und 8.000 mg/h.
Bei der beschriebenen Ozonkonzentration werden Mikroorganismen im Wasser abgetötet. Die bakterizide Wirkung von Ozon liegt bei 1,5 bis 4,9 ppm Ozon hat eine Halbwertszeit von ca. 40 min und reduziert sich daher automatisch wieder zu Sauerstoff d. h. das Ozon wird rückstandsfrei im Wasser abgebaut.
Komponente Mikro/Ultrafiltration
Der wesentliche Unterschied zwischen der Mikro- und Ultrafiltration liegt in den verschiedenen Porengrößen und in der unterschiedlichen Membranstruktur (Werkstoffe, Materialien). Eine Filtration durch Membranen mit einer Porengröße < 0,1 μm wird Ultrafiltration genannt, während eine Filtration bei Porengrößen > 0,1 μm als Mikrofiltration bezeichnet wird.
Treibende Kraft in den Trennverfahren ist der Differenzdruck zwischen Zulauf und Ablauf der Membran, der zwischen 1 und 10 bar liegt. Mit diesen Arbeitsdrucken lassen sich flächenbezogene Filtratdurchsätze (Flux) von 50 l (m²/h) bis ca. 500 l (m²/h) erreichen.
Charakteristisch für Mikro- und Ultrafiltration ist die tangentiale Überströmung der Membran, die Querstromfiltration oder auch Cross Flow Filtration genannt wird.
Die Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen werden in Form von Flachmembranen, Rohrmembranen oder Hohlfasern eingesetzt und in Druckrohre sog. Modul eingesetzt.
Die mit einer Mikro- bzw. Ultrafiltration separierbaren Stoffe können zwei Gruppen zugeteilt werden:
Partikel und Makromoleküle aus der Umgebung des Wassers z. B. Huminstoffe und Proteine. und
Mikroorganismen z. B. Algen, Pilze, Bakterien, Viren
Mithilfe der Mikro/Ultrafilationstechnik werden Wasserinhaltsstoffe wie Huminstoffe, Proteine und gesundheitsschädliche Mikroorganismen ausgefiltert und dadurch, in Kombination mit strömungsdynamischer Wasseraufbereitung und Ozonbehandlung, Trinkwasserqualität erreicht.
Komponente Energieversorgung und Energiemanagement
Die Energieerzeugung findet mit Hilfe von stromerzeugenden Solarzellen statt. Diese sind zu so genannten Solarmodulen verbunden werden, und werden als Photovoltaikanlage betrieben. Die erzeugte Elektrizität kann entweder vor Ort genutzt oder in Akkumulatoren gespeichert werden. Damit steht kontinuierlich Energie zur Verfügung und deshalb ist eine Unabhängigkeit auch für infrastrukturarme Gegenden dieser Erde möglich.
Die Systemkomponenten werden auf die regional vorherrschenden Bedingungen angepasst.
Die hierbei erzeugte Energie kann ohne Umwandlungsverluste direkt zur Wasseraufbereitung benutzt werden. Überschuss wird ein einen Batteriespeicher, für sonnenlose Zeiten bevorratet. Da das System keine Wechselspannung benötigt, werden verlustreiche Umwandlungsprozesse vermieden und somit die Energieeffizienz gesteigert.
Die Erfindung
Die eigenständige Technik der strömungsdynamischen Wasseraufbereitungsanlage und die eigenständige Technik Ozongenerator werden miteinander verbunden und zu einer Wasseraufbereitungseinheit zusammengeführt.
Das Luftansaugventil der Wasseraufbereitungsanlage wird mittels einer festen Rohr- oder Schlauchverbindung mit dem externen Ozongenerator verbunden.
Das Luftansaugventil saugt nun über den Ozongenerator Umgebungsluft an, welche innerhalb des Ozongenerators mit 2.000 mg/h bis 8.000 mg/h Ozon angereichert wird.
Die mit Ozon angereicherte Luft wird über das Luftansaugventil der Wirbelkammer, dem Prozesswasser innerhalb der Wasseraufbereitungsanlage zugeführt. Es kommt zu einer schnellen und unmittelbaren Durchmischung von Prozesswasser und ozonhaltiger Luft.
Die mit Ozon angereicherte Luft bewirkt in der Wasseraufbereitungsanlage eine überproportional starke Oxidationskraft. Mit der bakteriziden Wirkung der ozonangereicherten Luft werden die mikrobiologischen Inhaltsstoffe im Prozesswasser weitgehend auf oxidiert.
Die Kombination aus strömungsdynamischer Wasseraufbereitungsanlage und Ozongenerator erhöht das Oxidationspotential und damit die Keimabbaurate im Prozesswasser um Faktor 3
Die Vorteile dieser Erfindung
Durch die direkte, d. h. unmittelbare und massive Durchmischung des Prozesswassers mit der stark ozonhaltig angereicherten Luft, wird eine stark oxidative und bakterizide Wirkung erzielt. Innerhalb kürzester Zeit d. h. in wenigen Stunden, wird die mikrobiologische Belastung im Prozesswasser auf einen Wert abgebaut, der den Hygienerichtlinien für Prozess- und Kühlwasser der VDI 2047/2 entspricht = < 1.000 KBE
Eine Resistenzbildung der Bakterien ist bei dieser Technologie ausgeschlossen, da durch Unterdruck und Kavitation die Bakterienzellen mechanisch aufgeschlossen und zerstört werden.
Auf den Einsatz von chemischen Bakteriziden oder Bioziden kann gänzlich verzichtet werden. Das bedeutet für die Betreiber: Einsparung von Chemiekosten, Entlastung des betrieblichen Abwassers, Personalschutz, betriebliche Gesundheitsvorsorge
Fazit
Eine Technologie die schnellen Keimabbau garantiert, geringe Betriebskosten verursacht, äußerst wartungsarm ist und mit deren Hilfe komplett auf den Einsatz toxischer Chemikalien zur Keimbekämpfung verzichtet werden kann.
Eine ökologische und nachhaltige Technologie zum Schutz von Wasser und Abwasser.
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 Nicht-Patentliteratur

VDI 2047/2 [0037]

Claims

Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die physikalische Wasseraufbereitung sämtliche bakteriellen Verschmutzungen im Wasser beseitigt werden.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung über das Prinzip der Kavitation und Unterdruck erfolgt.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die physikalische Wasseraufbereitung über das Prinzip einer Kalt-Oxidation und/oder einer Ozon-Oxidation eine zusätzliche Verbesserung der Wasserqualität erreicht werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die physikalische Wasseraufbereitung, verunreinigtes Wasser aus Seen, Flüssen oder verunreinigten Wasserreservoirs als trinkbares Wasser verwendet werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung mittels Micro- oder Ultra-Filtration vor- oder nachbereitet werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung durch ein eigenes Energiemanagementsystem netzunabhängig betrieben werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung durch Verwendung von Gleichstrompumpen den erzeugten Strom sehr effizient zur Wasseraufbereitung benutzt.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung durch Verwendung von Photovoltaik Modulen zur Stromerzeugung netzunabhängig betrieben werden.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung als Mobiles-System nahezu überall auf der Erde eingesetzt werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung durch Verwendung von Batteriespeicher-systemen auch in Zeiten ohne Sonneneinstrahlung netzunabhängig betrieben werden.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung durch Verwendung von Fernwartungssystemen ständig und global in seiner Funktion überwacht wird.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung durch Verwendung von Fernwartungssystemen ständig und global in der Ausgabe der Wasserqualität überwacht wird.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung durch Verwendung von Fernwartungssystemen ständig und global zum Schutze vor Diebstahl überwacht wird.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung ohne Zusatz von chemischen oder anderen Zusatzstoffen Wasser in trinkbarer Wasserqualität erzeugt.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung unabhängig und ohne ständige Betreuung weltweit eingesetzt werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung nahezu wartungsfrei in nahezu sämtlichen Klimaregionen eingesetzt werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung auf die jeweiligen Mengenanforderungen angepasst werden kann.
Die Anlage als Wasseraufbereitungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Wasseraufbereitung mobil einsetzbar und einfach zu transportieren ist.