DE2325622A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontaktbehandlung einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Kontaktbehandlung einer Flüssigkeit mit einer anderen Flüssigkeit oder einem Gas, und in einer bevorzugten Anwendungsform des Verfahrens die Sterilisation von Abwässern und Trinkwasser mit Ozon oder Chlorgas.

Es ist bereits bekannt, Wasser mit Ozon oder Chlorgas, die beide bekannte bakterizide Verbindungen sind, zu behandeln, wobei das Wasser in einen großen Lagertank eingeleitet und das Gas vom Boden des Lagertanks in das Wasser eingeführt wird. Das Wasser wird in dem Tank so lange belassen, bis die gewünschte ausreichende Desinfektion oder Sterilisation sichergestellt ist.

Bei diesem Verfahren muß zusätzliches Ozon· über die zur Abtötung der Mikroorganismen notwendige Menge zugegeben werden, da das Ozon als Oxydationsmittel beim Aufsteigen der Gasblasen zur

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Oberfläche des Wassers nicht nur zum Abtöten der Keime, son- ■ dem auch durch Oxydieren verschiedener oxydierbarer Bestandteile des Wasser verbraucht wird.

Bei den bisher bekannten Behandlungsverfahren muß auch zusätzliches Chlor zugegeben werden, da die Abtötungskraft des Chlors nicht optimal ausgenutzt wird, weil das gelöste Chlorgas chemische Umwandlungen in andere, weniger stark bakterizid wirksame Verbindungen eingeht, die ihrerseits, obgleich weniger wirksam, die aktuelle Abtötung der Keime veranlassen. Beispielsweise wandelt sich Chlor in unterchlorige Säure um.

Zur Verbesserung der Desinfektionswirkung und zur Verringerung der Behandlungszeit ist bisher davon ausgegangen worden, daß die Menge und Konzentration des bakterizid wirkenden Gases zu erhöhen sind.

Die bisher üblichen Verfahren erfordern daher große, teure Lagertanks und lange Behandlungszeiten mit großen Mengen des Behandlungsgases, wobei zusätzlich empfohlen wird, zürn Ausgleich bestimmter Nachteile dieser Verfahren noch größere Mengen des bakterizid wirkenden Gases einzusetzen.

Außerdem erfordern diese Verfahren so lange Behandlungszeiten, daß, wenn außergewöhnlich große Wassermengen behandelt werden

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müssen, wie beispielsweise nach Regenstürmen, die bekannten Verfahren nicht mehr fähig sind«, die Bakterien und Viren abzutöten und daher die unbehandelten Abwässer direkt in die aufnehmenden Oberflächenwässer eingeleitet werden müssen. Die meisten Gemeinden können sich keine zehnfach größeren Lagertanks für die wenigen Fälle leisten_s in denen durch Stürme beispielsweise das Zehnfache der zu behandelnden Wassermenge anfällt, da bei den meisten bisher üblichen Behandlungssystemen Sturmwasser- und Abwasseranlagen kombiniert sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe.zugrunde, neue Verfahren und Vorrichtungen zur Kontaktbehandlung von Flüssigkeiten _s insbesondere von Wasser₅ zu entwickeln_s die die geschilderten Nachteile nicht aufweisen.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Behandlung verhältnismäßig großer Volumina einer ersten"Flüssigkeit wie Wasser mit einem Gehalt an pathogenen Organismen mit einem verhältnismäßig geringen Volumen einer zweiten Behandlungsflüssigkeit oder eines Behandlungsgases wie Ozon oder Chlorgas vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Flüssigkeit oder das Gas mit einem Träger als dritter Flüssigkeit oder Gas mit einem größeren Volumen und geringerer Konzentration verdünnt wird und daß die ers^te und die dritte Flüssigkeit in einer Kont akt kaminer innig miteinander vermischt

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werden, so daß die gesamte erste Flüssigkeit zur Behandlung mit der dritten Flüssigkeit in Berührung kommt.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Abtöten pathogener Organismen in Wasser vorgeschlagen, bei dem Ozongas hergestellt, das Qzongas mit Luft zur Verdünnung der Konzentration vermischt, das zu behandelnde Wasser und das verdünnte Ozongas kontinuierlich in eine Kontaktkammer eingespeist werden, so daß das Ozon und das Wasser innig vermischt und die pathogenen Organismen abgetötet werden und das behandelte Wasser kontinuierlich aus der Kontaktkammer abgezogen werden kann.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Abtöten pathogener Organismen in Wasser vorgeschlagen, bei dem Wasser durch eine erste Leitung in eine Kontaktkammer eingeleitet wird, ein mit einem Trägergas verdünntes bakterizides Gas durch eine zweite Leitung in diese Kontaktkammer eingeleitet und mit dem Wasser während einer Zeitspanne von weniger als 10 Sekunden in kräftige Vermischung gebracht wird, wobei das Volumenverhältnis von eingespeistem Wasser zu eingespeistem Gas in der Kammer etwa 0,7 bis 1,3 beträgt, und daß das behandelte Wasser aus der Kammer durch eine Auslaßöf'fnung abgezogen wird.

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Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Abtöten von pathogenen Organismen in Wasser vorgeschlagen,-bei dem das zu behandelnde Wasser in eine Kontaktzone eingespeist, in diese Kontaktzone. Ozon in'einem Volumenverhältnis von Wasser zu Gas von etwa 1 eingespeist und Wasser und Ozon in der Kontaktzone vermischt werden, wobei die pathogenen Organismen im Wasser abgetötet werden.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Abtöten von pathogenen Organismen in Wasser.vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Kontaktkessel mit einer Kontaktkammer eine Wassereinleitungsleitung zum Einspeisen des Wassers in die Kammer, eine Gaseinleitungsleitung zum Einspeisen des Behandlungsgases in die Kammer und eine Auslaßleitung zum Abziehen des behandelten Wassers aus der Kammer aufweist und daß die Auslaßöffnungen für das Wasser,und die Einlaßöffnungen für das Gas in der Kammer so angeordnet sind, daß das Wasser und das Gas aufeinander ausgerichtet werden, so daß sich eine innige Vermischung von Gas und Wasser in der Kammer ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

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Pig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt, eine Ausfuhrungsform der Kontaktvorrichtung,

Pig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt, eine andere Ausführungsform der Kontaktvorrichtung.

Pig. 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt, eine weitere Form der Kontaktvorrichtung.

Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt, eine weitere Ausführungsform der Kontaktvorrichtung.

Fig. 5 zeigt in einer perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt, eine weitere Ausführungsform der Kontaktvorrichtung .

Fig. 6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt, eine weitere Ausführungsform der Kontaktvorrichtung.

Fig. 7 zeigt in teilweise schematischer Darstellung eine Aus-, führungsform der Verdünnungsvorrichtung.

Fig. 8 zeigt in grafischer Darstellung die als Funktion des zu behandelnden Wassers und der Dosierung benötigte Ozongeneratorkapazität.

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Fig. 9Α und 9B zeigen in schematischer Darstellung die Volumenverhältnisse von Wasser zu Gas.

Fig. IO zeigt in grafischer Darstellung das volumetrische Verhältnis zur Dosierung für verschiedene Ozonkonzentrationen.

Fig. 11 zeigt in grafischer Darstellung die Konzentration zur Dosierung für verschiedene volumetrische Verhältnisse.

Fig., 12 zeigt in grafischer Darstellung die Wasser-Gas-Kontaktzeit zum Volumen der Kontaktkammer für verschiedene volumetrische Verhältnisse.

Fig, 13 zeigt in grafischer Darstellung die Gesamtb lasenober·· fläche als Funktion der volumetrischen Verhältnisse und der Blasengröße.

Aus Fig. 1 bis 6 sind verschiedene Ausfuhrungsformen der Kontaktvorrichtungen zum innigen Vermischen des zu sterilisierenden Wassers mit Ozongas zu entnehmen. Nachdem das Ozongas hergestellt und dann mit Luft zur Vergrößerung des Volumens wie weiter unten detailliert beschriebe^ verdünnt worden ist_s wird es in einem vorgegebenen Volumenverhältnis von Wasser zu Gas und in vorgegebenen Konzentrationen und Dosierungen_s wie weiter unten detailliert beschrieben^ in eine Kontaktkammer eingespeist. In

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der Beschreibung und in den Ansprüchen wird unter dem" Ausdruck Volumenverhältnis das Verhältnis der zu behandelnden Flüssigkeit wie Wasser zu der Behandlungsflüssxgkeit oder dem -gas wie Ozon verstanden; der Ausdruck bezieht sich auf das Volumen der Flüssigkeiten in'der Kontaktkammer wie beispielsweise einer Kontaktkammer 11 in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Kontaktvorrichtung 10 mit einer Kontaktkammer

11, die Kontaktvorrichtung 10 hat die Form eines T mit einem Wassereinlaß 12, einem Gaseinlaß 14 und einer Auslaßleitung 16. Gas und Wasser treffen frontal aufeinander und der resultierende Schaum.tritt durch den Auslaß 16 aus. Die Länge der Auslaßlei-

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tung 16 kann die Verweilzeit der Mischung bestimmen. Alle mit dem Ozon in Kontakt geratenden Mikroorganismen werden augenblicklich abgetötet und die Ausführung der Kontaktkammer stellt sicher, daß alle Mikroorganismen während der kurzen Verweilzeit in der Kammer mit dem Ozon in Berührung kommen.

Bei einer Ausführungsform entsprechend Fig. 1 haben die Leitungen

12, Ik und l6 einen Durchmesser von etwa 2,11 cm, die Wasserdurchflußmenge beträgt 37,9 l/min, die Verweilzeit beträgt weniger als 10 m/sec, so daß das gesamte Ozon in der Kontaktkammer verbraucht wird. Die Ozonkonzentration beträgt 0,1 %, das Volumenverhältnis beträgt 1,0 und die Ozondosierung beträgt 1 ppm« Die Schaumauslaßöffnung 16 ist 1,82 m lang. Das Volumen-

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verhältnis beträgt vorzugsweise etwa 0,7 bis 1,3; die Verdünnung des erzeugten Ozons beträgt vorzugsweise etwa 20:1.

Wasser und Ozon stehen vorzugsweise unter einem Druck von

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etwa 7,03 kg/cm , obgleich gegebenenfalls andere Drucke von

ρ
etwa 0,35 bis 14 ₃1 kg/cm angewendet werden können, wie sich aus der weiter unten folgenden Beschreibung der Dosierung von suspendierten Feststoffen ergibt. Durch den hohen Druck des Wassers und des Gases wird nicht nur ein gutes Vermischen und Inberührungbringen sichergestellt, sondern es werden auch alle^ im Wasser vorhandenen Peststoffe zerkleinert, insbesondere dann₃ wenn das eingesetzte Wasser Abwasser ist. Ozon wird vor-

zugsweise mit einem Druck von etwa 0,70 bis 1,05 kg/cm hergestellt und in einer in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung mit

2 Luft auf einen Druck von etwa 7^03 kg/cm verdünnt. Den Druck

am Ende der Schaumauslaßoffnung beträgt etwa 0,35 kg/cm , der

Druckabfall von etwa 6,68 kg/cm durch die Kontaktkammer 11 wirkt nützlich bei der Abtötung der Mikroorganismen und zeigt selbst gewisse Abtötungseffekte oder macht einige Mikroorganismen gegenüber dem Ozon empfindlicher.

Die T-förmige Kammer aus Fig. 1 kann auch verwendet werden, wenn das Gas durch die Leitung 16 und das Wasser durch die Leitung 12 eingespeist und die Leitung 14 als Auslaß verwendet werden; gegebenenfalls kann das Gas auch durch die Leitung 14 und das Wasser durch die Leitung 16 eingespeist und die Leitung 12

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als Auslaß verwendet werden. Diese Variationen sind bei der Kontaktkammer aus Fig. 1 ebenso wie bei den im folgenden beschriebenen Kontaktkammern durchführbar.

Vorzugsweise werden zwar das Wasser und das Ozongas unter Druck gegeneinander gerichtet, .um eine, kräftige Verwirbelung und einen innigen Kontakt herzustellen, gegebenenfalls können die zwei Ströme aber auch in einfacher Weise in die Kontaktkammer eingeführt und das Vermischen in anderer Weise wie beispielsweise durch Rührwerke, Preßvorrichtungen, Ultraschall oder ähnlichem erfolgen. Wenn beispielsweise ein Rührmischer zum Zerkleinern suspendierter Feststoffe verwendet wird, kann das Ozongas bei

2 einem niedrigen Druck von etwa 1,05 kg/cm eingespeist werden; die Verwendung eines Rührmischers eines bestimmten Typs oder des anzuwendenden Gasdruckes hängt von wirtschaftlichen Erwägungen ab. Die Dosierung hängt ebenfalls von den suspendierten Feststoffen ab; sie kann etwa 0,01 ppm betragen, wenn keine suspendierten Feststoffe vorhanden sind, allerdings ist es sehr aufwendig, alle suspendierten Feststoffe abzufiltrieren. Für die im Wasser verbleibenden Feststoffe muß zusätzliches Ozon zum Abtöten der Organismen innerhalb der Feststoffteilchen zugegeben werden, wobei die Teilchen durch die Verwirbelung des Wassers und des Gases unter Druck oder durch besondere Rührmischer oder andere Vorrichtungen zerkleinert werden müssen.

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Fig. 2 zeigt eine andere Kontaktvorrichtung 20 mit einer Kontaktkammer 21, einem Wassereinlaß 22, einem Gaseinlaß 24, einer Schaumauslaßleitung 26 und einer zweiten Gaseinlaßleitung 28. Anstatt das gesamte Gas durch eine einzige Einlaßleitung 14 wie in Fig. 1 einzuspeisen, wird die Hälfte des Gases durch die Einlaßleitung 24 und die andere Hälfte durch die Einlaßleitung 28 zugeführt.-

In Fig. 3 ist eine Y-förmige Kontaktvorrichtung 30 dargestellt, die eine Kontaktkamme-r 31, einen Wassereinlaß 32, einen Gaseinlaß 34 und einen Schaumauslaß 36 aufweist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine geringfügig kleinere Verwirbelung als bei den Ausführungsformen in Fig. 1 oder 2, allerdings wird auch hier eine vollständige Vermischung jeglichen Wassers mit Ozon erreicht, so daß alle im Wasser vorhandenen Mikroorganismen dem Ozon ausgesetzt und während der Verweilzeit des Wassers in der Kontaktvorrichtung, abgetötet werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Kontaktvorrichtung 40 mit einer' Kontaktkammer 4l, einem Wassereinlaß 42, einem Gaseinlaß 44 und einer Vielzahl von Auslaßöffnungen 46. Diese Kontaktvorrichtung 40 hebt die NichtSymmetrie der Kontaktvorrichtung aus Fig. 1 auf und fördert dadurch das Vermischen des Gases mit dem Wasser.

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In Pig*. 5 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform einer Kontaktvorrichtung 50 mit einer Kontaktkammer 51? einem Wassereinlaß 52, einem Gaseinlaß 5^ und einem ringförmigen Auslaß 56 für den Schaum. Bei dieser Ausführungsform der Kontaktvorrichtung entfällt die Möglichkeit, daß eventuell wie bei der Kontaktvorrichtung 40 Wasser durch einen Auslaß 56 ausfließt, ohne dem Ozon ausgesetzt gewesen zu sein, während gleichzeitig die kontinuierlichen ringförmigen Schlitze oder Auslaßöffnungen 56 symmetrisch angeordnet sind.

Besonders wichtig ist, daß das gesamte zu behandelnde Wasser zu einer bestimmten Zeit durch die Kontaktkammer durchgeführt wird, das heißt, daß es durch ein relativ-kleines Volumen 'durchgeführt wird, in dem es in wirtschaftlicher Weise ,wie beispielsweise durch Rührvorrichtungen wie Rührmischer, Mischblätter oder Ultraschall behandelt werden kann. Die bisher bekannten Verfahren verwendeten Blattmischer und ähnliches; diese sind aber sehr groß, verhältnismäßig teuer und in großen Wasserlagertanks nur unwirtschaftlich einzusetzen. Diese bisherigen Verfahren stehen 4aher im völligen Gegensatz zum erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem das gesamte Wasser während einer bestimmten Zeit in einem kleinen Volumen konzentriert wird. Dadurch werden Probleme-wie beispielsweise das Rühren wesentlich vereinfacht; außerdem können kleine wirtschaftliche Geräte mit größter Wirksamkeit verwendet werden.

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In Fig. 6 ist die Kontaktvorrichtung 50 aus Fig. 3 in einen Lagertank 60 eingesetzt. Dieser Lagertank 60 wird aus Sicherheits'gründen verwendet, da ohne einen derartigen Lager- oder Vorratstank bei einem Versagen der Energiezuleitung unbehandeltes Wasser in das System eindringen könnte. Wenn die Zeitspanne zwischen Ausfall der Energiezuführung bis zum Blockieren des Durchflusses geringer ist als die Verweilzeit in diesem System, ist das gesamte unbehandelte Wasser in dem Tank unter Kontrolle und kann später durch die Sterilisationsvorrichtung rückgeleitet werden.

Wenn eine Rührvorrichtung 62 oder eine katalytische Zusatzbehandlung wie beispielsweise UV-Licht oder Ultraschall zusätzlich verwendet werden, werden diese vorzugsweise in der Kontaktvorrichtung 50 an der Grenze zwischen Ozon und Wasser installiert überschüssiges Ozon in dem Abwasser kann durch Anwendung von Hitze oder durch Durchleiten durch eine Kaliumjodidlösung entfernt werden/

Fig. 7 zeigt schematisch ein Verfahren zum Verdünnen von in einem Ozongenerator 70 hergestelltem Ozongas. In diesem Fall wird die Ozongas-Sauerstoff-Mischung aus dem Generator 70 durch eine Leitung 72, durch ein Kontrollventil 7*1 zu einer Leitung 76 zugeleitet, die Druckluft von einer Pumpe 78 zu einem Pumptank 80 und dann zu einer Kontaktvorrichtung, wie in den Figuren

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1 bis 6 dargestellt, führt. Die Luft weist einen Druck von etwa 1,41 kg/cm und die Ozon-Sauerstoff-Mischung einen sol-

chen von etwa 0,70 kg/cm auf. Das Ozongas wird in die Leitung 76 angesogen, wobei das Ozon mit Druckluft verdünnt wird. Im Tank 80 gleichen sich eventuelle Druckunterschiede in der Leitung 76 aus; ein Ventil 82 kann zur Kontrolle der Einspeisung des verdünnten Ozons in eine Kontaktvorrichtung eingesetzt werden. Die Luft kann gegebenenfalls auch einen höheren Druck aufweisen, besonders günstig ist ein Druck von etwa 7,03 bis 14,1 kg/cm . In Fig. 8 ist in einer grafischen Darstellung die benötigte Ozongeneratorkapazität als Punktion des zu behandelnden Wassers und der bisher üblichen Dosierung angegeben. Die 6 ppm- und 1 ppm-Kurven entsprechen den Anforderungen für typisches Abwasser bzw. Trinkwasser wie sie zum jetzigen Zeitpunkt praktisch erforderlich sind. Diese Anforderungen erfordern Ozongeneratoren mit einer Leistung von 2.I8O kg bzw. 363 kg/Tag bei einer jeweiligen Kapazität von M54.69O m^/Tag V/asser.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Gegensatz hierzu nur eine Dosierung von 0,1 ppm zur Sterilisation von Trinkwasser benötigt. Zur Behandlung von ^54.690 nr/Tag Wasser wird daher nur ein Ozongenerator mit einer Leistung von 36,3 kg/Tag benötigt, so daß die Kosten für das Ozon so niedrig sind, daß ein Einmaldurchlaufsystem vom Standpunkt der Kosten, der Ein-

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fachheit und des einfachen Betriebs wesentlich günstiger wird. Damit rückt sogar ein "Dryerless"-Luftsystem oder sogar ein Einmaldurchlaufsäuerstoffsystem in den Bereich der Möglichkeiten-Bei einer Kapazität von 454.690 irr/Tag würde die Verwendung von Sauerstoff bei 1 #/0,454 kg nur zu einer Kostensteigerung von etwa 0,04 US-Cents je 3-785 Liter führen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher beschrieben.

Die Prinzipien der Kontaktbehandlung von Wasser mit Ozon sind nicht sehr genau bekannt. Die Ursachen'für diese Wissenlücke sind verständlich, da bislang überwiegend Chlorierungs- und Belüftungsverfahren durchgeführt wurden. Bei den Belüftungsverfahren sind Erfahrungen mit dem Massentransfer zwischen Gas und Wasser gesammelt worden. Die Chlorierungstechnologie führte zur Kenntnis der Verweilzeiten und der "gelösten restlichen" Abtötungswirkung. Leider sind die Probleme der Kontaktbehandlung von Wasser mit Ozon zur Sterilisierung anders gelagert. Das erfindungsgemäße Verfahren einer optimalen Kontaktbehandlung kann die zur Sterilisierung erforderlichen Kosten der Ozonierung um Größenordnungen verringern. In der Tat können die Kosten so weit gesenkt v/erden, daß Einmaldurchlaufluft- oder sogar -Sauerstoffsysteme aufgrund ihrer Einfachheit durchführbar werden. Es ist interessant festzustellen, daß das Otto-

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System, das beispielsweise aus "Ozone Chemistry and Technology" in der Advances In Chemistry Serie, März 1959, American Chemical Society, Seite ^5^, bekannt ist, das bei weitem gebräuchlichste ist.

Zahlreiche Otto-Einheiten sind seit Jahren unter Verwendung von Einmaldurchlauf luft sy steinen in Betrieb.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung führen zu einer optimalen Kontaktbehandlung mit Ozon zur Sterilisierung von Abxmsser oder Trinkwasser. Im folgenden wird versucht, eine sorgfältige physikalische Darstellung der Charakteristiken des idealen Systems zu geben. Die Verschlechterungen bei Abweichung von den idealen Werten werden anhand von Praxisbeispielen dargestellt. Diese Beispiele beinhalten die Verwendung von N-Stufen-Gleichstromreaktoren und der Otto-, Van de Made-, Torricelli- und Welsbach-Reaktoren. Dabei werden quantitative Ausdrücke für die wichtigsten Parameter abgeleitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine fundamentale Abkehr von den bisherigen Annahmen und Praktiken und basiert auf den folgenden Voraussetzungen:

1) Die Ozonsterilisationsreaktionsgeschwindigkeit liegt im Mikrosekundenbereich und ist wesentlich schneller als die

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der BOD-Reaktion (BOD = biochemischer Sauerstoffbedarf für biologisch zu klärendes Abwasser).

2) Die Sterilisation hängt nicht vom gelösten Ozon ab, sondern ist eine einfache ehemische Reaktion zwischen Ozongasblasen und Mikroorganismen.

3) Die Sterilisation ist im weiten Bereich unempfindlich gegenüber der Ozonkonzentration.

4) Die aktuell direkt zur Sterilisation benötigte Ozonmenge ist minimal.

Bei der Durchführung des erfxndungsgemäßen Verfahrens wird davon ausgegangen, daß das eingespeiste Wasser bereits hinreichend filtriert ist, um sämtliche Flocken und größeren Stücke, falls vorhanden, zu entfernen.

Ozon hat im wesentlichen drei bedeutende Eigenschaften bei der Wasserbehandlung. Ozon

A) sterilisiert oder desinfiziert Wasser durch Lyse der Zellwände der Mikroorganismen im Wasser,

B) oxydiert organische Stoffe schneller als biologische Standardproze-sse,

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C) oxydiert bestimmte, organische und einige anorganische, gegen biologische Oxydation widerstandsfähige Stoffe.

Die erfindungsgemäßen Verfahren beziehen sich auf A, das heißt, auf die Möglichkeit einer Ozonkontaktbehandlung zur Wassersterilisation.

In der Beschreibung wird davon ausgegangen, daß die Wirkungen der Sterilisation und die Bestätigung für die Abtötung sich gegenseitig nicht beeinflussen.

Bei der Entwicklung von Kontaktbehandlungssystemen für Wasser mit Ozon besteht eine Neigung, von den Erfahrungen der Chlorierungs- bzw. Belüftungstechniken auszugehen. Dies führt zu weit vom Optimalen entfernten Resultaten, da die bisher üblichen Chlorierungs- und Belüftungstechniken in der Tat von anderen Prinzipien beherrscht werden als bei der idealen Behandlung mit Ozon vorliegen. Dies ergibt sich auch aus der weiter unten folgenden Beschreibung der Anwendung bei der Chlorierung, da die früher übliche Art der Chlorierung von Prinzipien beherrscht wird, die vielt von den Prinzipien der idealen Chlorierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entfernt sind.

Bei der früher üblichen Chlorierungsmethode bildet Chlor beim Mischen mit V/asser hypochlorige Säure, ein in Wasser lösliches

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Bakterizid. Die Probleme der bisher üblichen Art der Kontaktbehandlung beim Zusammenbringen von hypochloriger Säure und Wasser sind dann schlicht die, wie das Chlor in das Wasser einzubringen ist und die Mischung für eine bestimmte Zeitspanne "homogen" gehalten werden kann. Die tatsächliche bakterizide Wirkung ist verhältnismäßig langsam und hängt stark vom pH-Wert und Gesamtverbrauch ab. Daher werden für diese "Zweistufenverfahren" bis zu 20 Minuten Gesamtkontaktzeit benötigt. Die Probleme sind daher zusammenfassend die des Vermisehens von Flüssigkeiten.

Bei den bisher bekannten Belüftungspraktiken werden Aktivschlamm und Rieselfilter unter Verwendung von Sauerstoff und Mikroorganismen zur Entfernung von organischen Bestandteilen aus dem Wasser eingesetzt» Im wesentlichen verwenden die im Wasser vorliegenden Mikroorganismen den gelösten Sauerstoff zum Metabolisieren von organischen Verunreinigungen. Diese Oxydationsprozesse verlaufen langsam und benötigen Stunden. Daher muß der Sauerstoff bei der praktischen Durchführung gelöst sein, um für die Mikroorganismen zugänglich zu v/erden. Bei dem Belüftungsverfahren besteht das Hauptproblem darin, die Mikroorganismen mit gelöstem Sauerstoff zu versorgen", das heißt, es ist ein Problem des Massentransfers. Bei Vergrößerung des Sättigungsgrades an gelöstem Sauerstoff steigt die Oxydationsgeschwindigkeit. Die bekannten UNOX-Systeme erfüllen diese

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Forderung durch Anwendung von Sauerstoff anstelle von Luft in den Belüftungstanks.

Bei der Ozonierung ist die Kontaktbehandlung des Wassers mit dem Ozon ein völlig anderes Problem. Es gibt keine intermediären Wirkweisen wie über die Mikroorganismen in den biologischen Verfahren oder über hypochlorige Säure bei der Chlorierung. Die aktuelle Oxydation, sei es das Verbrennen eines Zuckermoleküls oder die Lyse eines Bakteriums, erfordert, daß eine Blase des gasförmigen Ozons in direkten physikalischem Kontakt mit dem zu oxydierenden Molekül kommt. Es liegt also eine direkte chemische Reaktion zwischen Oxydationsmittel und Reduktionsmittel vor. Die Gasverweilzeit ist die durchschnittliche Zeit für eine gegebene Einheit des nicht gelösten Gases (der Sauerstoff-Ozon-Mischung), während welcher diese im Wasser verweilt. In den meisten Fällen, insbesondere bei der Sterilisation, ist die Ozonoxydationsreaktionsgeschwindigkeit wesentlich schneller als bei den üblichen Gasverweilzeiten. Daher braucht das Ozon, um wirksam zu werden, nicht in Lösung vorzuliegen. Allerdings sind sicher geringe Mengen Ozon auch in gelöster Form vorhanden. Die Ozonkonzentration wird daher eine Wirksamkeit auf die Reaktionsgeschwindigkeit haben. Niedere Konzentrationen können aus diesem Grunde so lange eingesetzt werden, als die Reaktionsgeschwindigkeit, das heißt die Lyse, größer als die Gasverweilzeit ist. Diese Tatsache wird bei der Sterili-

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sation von Trinkwasser im Otto-System bestätigt, bei dem etwa 0,2 % Ozon verwendet werden, während andere Systeme 1 bis 4 % benötigen. Eine andere Situation tritt ein, wenn die Ozonoxydationsgeschwindigkeit im Vergleich zur Gasverweilzeit gering ist, wie beispielsweise Fall der Umsetzung mit Ammoniak oder Cyanat. In diesen speziellen Fällen können wirksame lange Kontaktzeiten nur durch das gelöste Ozon erreicht werden, so daß in diesen Fällen hohe Ozonkonzentrationen wünschenswert sind, da sich hieraus der Grad der Sättigung an gelöstem Ozon ergibt.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt das gesamte Wasser in Kontakt mit dem Ozongas, so daß daher ein gleichmäßiger Kontakt des Gases mit dem Wasser unbedingt notwendig ist. Das Volumenverhältnis von Wasser zu Gas (also der Sauerstoff-Ozon-Mischung) hat daher eine wesentliche Bedeutung auf die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kontaktkammern. Dieses Verhältnis kann als die Relativen Volumina Wasser und Gas angesehen werden, die in der Kontaktkammer im jeweiligen Augenblick vorliegen. Das Verhältnis bestimmt sich durch die angewendete Dosierung des Ozons und der Konzentration, aber durch nichts anderes. Fig. 9 zeigt einen einfachen Lagertank des Standes der Technik mit einem Volumenverhältnis von etwa 15:1, wie er zur Trinkwassersterilisation mit 2 % Ozon wie in dem Van derMade-System (vergleiche "Ozone Chemistry and Technology" Seite 455) typischerweise verwendet wird. In

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Pig. 9A ist das Gas als einzige Ozonblase dargestellt, die zur Oberfläche steigt. Pig. 9B zeigt zahlreiche gleichmäßig verteilte kleine nach oben steigende Gasblasen. Bei einem Volumenverhältnis von 15;1 kann die Vorrichtung beispielsweise mit einer Überdruckanlage ausgerüstet sein, um eine gleichmäßige Verteilung kleiner Bläschen sicherzustellen. Bei Anwendung solcher geringen Gasvolumina führt eine Ansaugvorrichtung, wie sie beispielsweise in den Otto-Systemen des Standes der Technik verwendet wird, nicht zu zufriedenstellenden Resultaten. Das Otto-System des Standes der Technik verwendet ein Verhältnis von mindestens 1,5·

Wenn statt dessen ein 1:1-Volumenverhältnis angewendet wird, ergibt sich ein anderes Bild. Die Blasengröße ist zwar wichtig, aber sie ist weniger bedeutend aufgrund der hohen Turbulenz,

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Koaleszenz und des allgemeinen Schäumens. Im Extremfall bei einem Volumenverhältnis von etwa 1:100 wird aus der Gasblase ein Nebel oder Aerosol. Das Problem des Inberührungbringens ist daher das des Einsprühens von Wasser in eine hochkonzentrierte Ozonatmosphäre durch entweder Düsen oder Oberflächenbelüfter.

Das volumetrische Verhältnis wird bestimmt durch die, Dosierung und Konzentration des eingesetzten Ozons. Die jeweilige Anwendung und Wirksamkeit der Kontaktkammer bestimmt die einzu-

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setzende Dosierung. Die Ozonkonzentration ist daher der einzige für den Konstrukteur vorliegende Parameter zur Auswahl der geeigneten volumetrischen Verhältnisse. Diese Auswahl wird sowohl von der Kontaktkammer als auch von dem Ozongenerator beeinflußt, da diese sich widersprechende Forderungen stellen, das heißt, daß eine tfirksame Ozonerzeugung höhere Konzentrationen als ein wirksamer Kontakt hervorruft» Das Gesamtsystem muß daher, um allen Anwendungen gerecht zu werden, eine Konzentration aufweisen, die über einen Bereich von 20:1 einstellbar ist. Allerdings kann das Kontaktsystem bei einer bestimmten Anwendung nur eine geringe physikalische Ihnlichkeit mit einem System für eine andere Anwendungsweise aufweisen.

Die für die aktuelle Sterilisation benötigte Ozonmenge ist gering und beträgt weniger als 0,05 ppm. Falls die Kontaktkammer keine geeignete Bauweise aufweist_s können Spuren organischer Verbindungen den Bedarf für Trinkwasser auf 0,5 bis 2,0 ppm und bis auf 10 ppm für Abwasser erhöhen. Die Lyse der Bakterien ist allerdings eine schnellere Reaktion als die meisten anderen Reaktionen wie beispielsweise die BOD-Oxydation. Im Idealfall kommt jeder Mikroorganismus in direkten Kontakt mit unverbrauchtem Ozon, so daß das gesamte Ozon augenblicklich für die. Lyse verwendet wird₀ Die Mikroorganismen sind im allgemeinen mehr oder weniger gleichmäßig im Wasser verteilt. Der Idealfall liegt dann vor, wenn jede geringste Wassermenge in

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direkten Kontakt mit unverbrauchtem Ozon kommt, so daß das gesamte Ozon augenblicklich für die Lyse verbraucht wird. Das System Ozongenerator-Kontaktkammer sollte dem Idealfall so nahe wie möglich kommen, da Abweichungen vom Idealfall zu einer Verschlechterung der Wirkung der Abtötung, oder der Arbeitsweise oder beidem führen. Wenn nicht jegliches Wasser in direkten Kontakt mit dem Ozon kommt 4 werden nicht alle Mikroorganismen erreicht und getötet. Diese Möglichkeit wird unwahrscheinlicher, wenn das volumetrische Verhältnis von Wasser zu Gas verringert wird. Falls nicht das gesamte Ozon unmittelbar verbraucht wird, wird der Überschuß zur Oxydation der leicht oxydierbaren BOD, die neben den gerade abgetöteten Mikroorganismen existieren, vergeudet.

Es ist wünschenswert, eine kontinuierliche Bestätigung über die eingetretene Sterilisation zu erfahren» Bei Änderung der Bedingungen können dann geeignete Schritte eingeleitet werden. Bei Chlorierungsverfahren wird zu diesem Zweck das gelöste Chlor bestimmt. Dies ergibt sich daraus_s daß erfahrungsgemäß bei einem bestimmten Gehalt an gelöstem Chlor während einer bestimmten Zeit und einem' bestimmten pH-Wert eine sichere Sterilisation eintritt. Diese Verfahren sind logisch, da die gelösten Chlormengen einschließlich der sekundären Verbindungen den Abtötungsmechanismus darstellen und davon ausgegangen werden kann, daß die Gesamtmischung als homogen anzusehen ist,

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In Europa ist häufig davon ausgegangen worden _s diese Gedankengänge auf Ozonierungssysteme zu übertragen, und. diese Übertragung ist unlogisch. Erstens stellt nämlich das gelöste Ozon nicht den Abtötungsraechanismus dar. Ziveitens führt eine derartige Vorstellung zu einer Beeinträchtigung der Gesamtwirksamkeit des Systems,.wie sich dies bei den existierenden Ozonierungssystemen ergibt_s da für die aktuelle Sterilisierung 0»05 ppm ausreichend sind₃ der Gehalt an gelöstem Ozon aber auf 1 bis 2 ppm gesteigert werden muß_s um meßbar zu sein. Eine andere Möglichkeit der Messung ergibt sich aus der Messung der Ozonkonzeritration in den Einspeisungs- und Ausflußgasen. Änderungen im Ozonbedarf stellen sich dann als Änderungen ,des Ozongehaltes im Ausflußgas im Vergleich zum Gehalt im Einspeisungsgas dar. Die Erfahrung zeigt₃ daß derartige Meßsysteme eine hohe. Sicherheit bieten»

Ein anderes Meßverfahren besteht in der Bestimmung der Erhöhung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff _s da diese Erhöhung eine Folge der Ozonierung ist.

Die Mehrstufengleichstromkontaktkammern des Standes der Technik sind zur Sterilisation- ungeeignet. Beim Gleichstromfluß haben Gas und Wasser während des Durchfließens durch die Kontaktkammern nur eine geringe relative Bewegung_s da jede Gasblase während des Durchfließens im wesentlichen in einem bestimmten

Wasserbereich vorliegt. Bei den ungünstigen Volumenverhältnissen, denen auch mit Mehrstufenreaktoren nicht abzuhelfen ist, heißt dies, daß nicht ausreichend Gas zum Herumwandern vorliegt, so daß Mikroorganismen in der Nähe einer Gasblase mehrfach abgetötet werden könnten₃ während andere überhaupt nicht mit dem Gas in Berührung kommen. Die Frage, ob Gleichstrom- oder Gegenstromflußa wird streitig_s wenn die Forderung, daß das gesamte Ozon unmittelbar verbraucht iferden soll, einigermaßen gelöst ist. Derartige Einwendungen sind weniger wichtig für die BOD-Oxydation«, da hohe Dosen zu einem günstigeren volumetrischen Verhältnis führen und es nicht notwendig ist_s die gesamte BOD su oxydieren« Das stationäre Verhältnis von Gasblase zu Wasser fördert die langsame BOD-Oxydation _s da in diesem Fall die in Kontakt stehenden Materialien verhältnismäßig lange Zeit in Kontakt bleiben,

Reaktoren nach Welsbach, Torrlcelll und Van der Made sind aufgrund ihrer hohen volumetrischen Verhältnisse unbrauchbar. Die Forderung der Bestätigung der Abtötung durch einen Gehalt an gelöstem Ozon hat die Wirksamkeit dieser Methoden in Verruf gebracht»

In der Literatur finden sich gelegentlich Hinweise darauf, daß die Sterilisationsgeschwindigkeit von der Ozonkonzentration

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beeinflußbar ist. Diese Feststellungen treffen zweifelsohne im Mikrosekundenbereich der Lyse zu_s sie sind aber irreführend für die relativ langen interessierenden Kontaktzeiten. Die Verhältnisse von Zeit und Konzentration hängen mit der Abtötung nur insoweit zusammen^ daß bei einer gegebenen Konzentration es einer bestimmten Zeit bedarf _s eine gegebene Menge Ozon einzupressen. Unter üblichen Bedingungen sind es nur die Ozondosierung und der Kontakt_s die die Mikroorganismen abtöten»

Die Bedeutung des volumetrischen Verhältnisses von Wasser zu Gas (Sauerstoff-Ozon-Mischung) wurde im obigen ausführlich dargelegt. Diese Zahl kann als das Verhältnis von MasserVolumina zu Gasvolumina dargestellt werden _s die während eines vorbestimmten Intervalls durc-h die Kontaktkammer passieren. ,Das volumetrische Verhältnis bedeutet durchschnittlich auch das Verhältnis der Volumina Masser zu Volumina Gas-, die in einer bestimmten Zeitspanne in der Kontaktkammer vorhanden sind« Das volumetrische Verhältnis ist grafisch in Figo 10 dargestellt. Das volumetrische Verhältnis hängt nur von der Ozondosierung und Konzentration ab₀ Es hängt nicht vom Wasserdurchsatz ab_s da beispielsweise'bei einem Ansteigen des Wasserdurensataes ein erhöhter Gasfluß und eine erhöhte Coronawirkung notwendig werdenj um die gegebene Ozondosierung und Konzentration aufrechtzuerhalten« Dies ergibt sich als Resultat aus der Verbindung der Dosierung mit dem Durchfluß als ppm» Das volume-

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trische Verhältnis hängt allerdings von der Wassereintrittsmenge am Injektionspunkt ab _t da das Gas kompressibel ist. Die Daten in Fig. 10 beziehen sich auf Standardbedingungen (1 Atmosphäre) .

Aus Fig. 10 ergibt sich, daß bei einer Ozondosierung von 2 ppm und einer 2 folgen Konzentration ein volumetrisches Verhältnis von 14 entsteht. Derartige Bedingungen ergeben sich bei dem Van der Made-System zur Trinkwassersterilisierung. Dieses System zeichnet sich durch eine lange Säule mit feinen_a gleichmäßig verteilten Gasblasen aus. Aus Fig. 10 ergibt sich_s daß bei Verringerung der Konzentration auf 0_a2 % ein volumetrisches Verhältnis von 1,4 entsteht, wenn die gleiche Dosierung aufrecht erhalten wird. Derartige Bedingungen liegen bei dem Otto-System zur Trinkwassersterilisierung vor. Diese Systeme benutzen eine punktförmig wirkende Ansaugvorrichtung zur Ozoninjektion.

Die Anwendungsart bestimmt die Höhe der Dosierung«, Die Ozonkonzentration ist dann der einzige Parameter zur Einstellung des volumetrischen Verhältnisses auf optimale Bedingungen. Fig. 11 erlaubt eine schnelle Bestimmung der geeigneten Ozonbetriebskonzentration. Bei einer Dosierung von 10 ppm und einem volumetrischen Verhältnis von 0₅3 wird beispielsweise eine Ozonkonzentration von etwa 0,2 % benötigt.

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Zusammenfassend ist festzustellen daß das volumetrische Verhältnis so niedrig wie möglich bei einer' möglichst hohen Ozonkonzentration sein sollte, so daß die Reaktionsgeschwindigkeit größer als die Gasverweilzeit ist. Die Gasverweilzeit wird als die mittlere Zeitspanne bestimmt_s während welcher eine "Blase" in der Kontaktkammer bleibt» überraschenderweise ist die Gasverweilzeit gleich der Wasserretentionszeit. Dies trifft für zwei beliebige Flüssigkeiten mit festgelegten Verhältnissen der Durchflußgeschwindigkeiten zu_s die gleichzeitig durch einen Tank passieren« Daraus ergibt sich ^ daß Gas und Wasser in einem Gleichstromreaktor im wesentlichen zueinander stationär sind» Derartige Reaktoren sind nicht zur Sterilisation von Wasser geeignet_s da hierbei eine maximale Durchmischung notwendig ist.

Fig. 12 zeigt die aktuelle Wasser-Gas-Kontaktzeit als Funktion des Volumens der Kontaktkammer und des volumetrischen Verhältnisses von Wasser zu Gas, Bei einem volumetrischen Verhältnis von 0,3 ergibt beispielsweise in einer Kontaktkammer mit einem Volumen von 37.850 Litern je ¹J.5H6 nr/Tag. eine Kontaktzeit von 3 Minuten. Als Bezugskurve ist die Kurve für keinen Gasfluß (volumetrisches Verhältnis O₀O)gestrichelt eingezeichnet.

Die gesamte "Blasenoberfläche" in der Kontaktkammer bildet die gesamte innere Reaktionsoberfläche. Diese Fläche ist in

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Fig. 13 als Funktion des volumetrischen Verhältnisses und der Blasengröße dargestellt. Bei einer bestimmten Blasengröße flacht die Kurve der Gesamtkontaktfläche bei volumetrischen Verhältnissen von etwa 1 ab. Physikalisch bedeutet dies, daß das maximale verwertbare Gasvolumen das Gesamtvolumen der Kontaktkammer ist.

Die Sterilisierung von Abwässern oder Trinkwässern erfordert Ozondosierungen von nicht mehr als 0,1 ppm;· das volumetrische Verhältnis liegt meist im Bereich von O₅,7 bis 1,3 und beträgt vorzugsweise etwa !,Ο» Die aktuelle benötigte Ozondosierung hängt von der Wirksamkeit der Kontaktkammer ab, da die Hauptmenge des Ozons von der vorliegenden BOD aufgenommen wird. Auf jeden Fall ergibt sich, daß die benötigte Ozonkonzentration (entsprechend Fig. 11) im Bereich von 0,1 % oder weniger liegt. Daher muß das Ozon auf mindestens 20:1 verdünnt werden, da sich ein 2 $iges Ozon am wirtschaftlichsten erzeugen läßt. Ein derartiges System ist in Fig. 7 dargestellt.

Im folgenden werden Ausdrücke für das volumetrische Verhältnis von Wasser zu Gas, die Wasser- und Gasverweilzeiten und für die Gesamtblasenoberflache entvrickelt.

In den folgenden Gleichungen bedeutet,:

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Wo2 = Sauerstoffmassenfluß in Ib/Tag oder'kg/Tag Wo3 = Ozonmassenfluß in Ib/Tag bzw. kg/Tag do2 = Dichte des Sauerstoffs in Ib/ft^ bzvio g/cm .

D = Dosierung des Ozons in Teilen Ozon je 1»000.000 Teile Wasser (ppm)

C = Ozonkonzentration als Gew.^ in Sauerstoff Vm = Gesamtvolumen der Kontaktvorrichtung in gal bzw. 1

V = Volumen der von Wasser gefüllten Kontaktvorrichtung

in gal bzw. 1

V = Volumen der mit Gas gefüllten Kontaktvorrichtung, in

gal bzw. 1

°£ = volumetrisches Verhältnis von Wasser zu Gas

T = mittlere Wasserverweilzeit in Kontaktvorrichtung in min

T = mittlere Gasverweilzeit in Kontaktvorrichtung in min

P = Wasserdurchflußmenge m MGD bzw. nr/Tag

D = durchschnittlicher Durchmesser der Gasblasen in inch. bzw. cm

Durchschnittliehe Wasserdurchflußmenge in ft /Tag bzw. nr/Tag = IQ⁶ Pw bzw. 2,83 . IQ^ .

Durchschnittliche Gasdurchflußmenge in ft /Tag bzw. nr/Tag — ~—p- (ohne Berücksichtigung des Ozons)

Dann ergibt sich:

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1 οι - lO^Pw - ο 125 χ

ι. - g - υ,ιο χ

bzw.

^{6 Fw do2}

2383 · IQ⁴ ο Fw _ , ς·, _in3 Fw.do2

sowie:

2. D = 10^β _12\_

8 χ 10^D Fw

bzw ο

D =■ 3,54.ΙΟ³ ο ■—

und:

ν r — mn

!>. ο- ίου

Durch Kombination von Gleichung 2 und 3 ergibt sich: 4. Wo2 = 800 2^

Durch Einsetzen von Gleichung ¹I in Gleichung 1 ergibt sich:

5. ©6 = 156

do2 C D

Die Gleichung 5 ist der gewünschte Ausdruck für das volumetrische Verhältnis von Wasser zu Gas.

Man kann schreiben:

6. " Vr = Vw + Vg (unter der Annahme, daß kein Leerraum vorhanden ist)

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9 *-t ^ ^ K "7

Vw Vg

Dann ist:

Vg {j -^g- ( + I = Vg (rf + 1)

oder»

Vg = -j

sowie:

Der Wasserdurchfluß in GPM bzw» m /min beträgt

„ ιο^β Pw η,53 ο ίο².ίο⁶ _ ^bzWo

und:

10. ^NTw = 1ΛΗ χ ΙΟ"³

Pw 1\ 1 -S-

Die Gasflußgeschviindigkeit beträgt in GPMi

8 TTO

4,45

bzw ο in m /mm

und:

Vr / C do2

	Wo 2	102	8	do2	[800 D Pw
D	do2 Pw	.440	Pw	Λ c
C 4	do2 ,55 .	D.
	0 ο

11. Tg

1 + et i H₅ 45 D Fw

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₁₀-3 Vr ί cc \ ^x (1 + eg) H,*t5 D Fw

₁ χ ₁₀

Tg " ^{3 x} Pw \1 -f st/ VrC do2

bzw. Tg = _ Yr f C .. do2

1 ψ ed ^4,55.10^.D.Fw

= 6,4 χΐθ
= 6_S4 χ 0,156

Daraus ergibt sich_s daß die Masser- und Gasverweilzeiten gleich sind. Da es Interessiert_s die Gesamtblasenoberflache innerhalb der Kontaktvorrichtung abzuschätzen, kann man folgendes schreiben:

- T^ · Ψ ³

13- A = NiV (12D)³

A bedeutet die Gesamtoberfläche von N-Gasblasen in der Kontaktvorrichtung. Durch Teilen der Gleichung 13 durch Gleichung 12 ergibt sich das gewünschte Resultat:

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A fti. . . 9

V gal ο D (1 -J-

Die bisherige Beschreibung der Erfindung erfolgte unter Bezugnahme auf Ozon₉ das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich aber auch bei Verwendung von Chlorgas anwenden ο Das Chlorgas wird mit Luft zur Erzielung des gewünschten volumetrische» Verhältnisses verdünnt und diese Gasmischung wird dann in eine Kontaktvorrichtung wie den in Figo 1 bis β dargestellten eingespeist _s um in Berührung mit dem zu behandelnden Wasser zu gelangen. Chlor wirkt sehr schnell als Bakterizid; diese Tatsache wird von der vorliegenden Erfindung ausgenutzt _s während die früheren Verfahren unter Verwendung von Chlor die Abtötung nicht mit den Chlor selbst_s sondern mit der weniger wirksamen hypochlorigen Säure durchführten«

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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Sturmüberflußwasser kann getrennt oder zusammen mit den oben genannten Ausführungsformen durchgeführt werden₉ gegebenenfalls kann das Verfahren auch mit bereits vorhandenen Systemen gekoppelt werden. Bei dieser Anwendungsform wird die beschriebene Kontaktbehandlung bei dem Sturmüberflußwasser zusammen mit Abflußwässern als Behandlungswasser durchgeführt., Während starker Regenperioden werden die Abwasserrohre durch das Regenwasser voll durchgespültj, so daß das Regenwasser das gesamte schmutzige, mit Bakterien infizierte Material mitschleppt _s das während normaler Belastungszeiten in den Abwasserrohren verbleibt. Vor dem Einspeisen.des Wassers in die Kontaktvorrichtung wird vorzugsweise ein Filter oder Netz vorgeschaltet_s um größere feste Teilchen zurückzuhalten. Die vorliegende Erfindung ist in dieser Anwendungsweise besonders günstig, da keine großen Lagertanks erforderlich sind und da die Kontaktzeit im Bereich von 1 Sekunde liegt.

Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf die Behandlung von Wasser mit Chlor oder Ozon beschränkt» Gegebenenfalls können auch andere Bakterizide eingesetzt werden_s wie beispielsweise Bromchlorid, Br¹Om₅ Alkohol oder Jod. Ferner ist die Erfindung nicht auf die Sterilisation von Wasser₉' sei es Abwasser_s sei es Trinkwasser _s beschränkt. Praktisch jede Flüssigkeit kann in dieser Weise sterilisiert v/erden, vorausgesetzt, daß sie

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nicht in anderer Meise von Ozon oder Chlor angegriffen wird.

Das erfindungsgeraäße Verfahren ist aber auch nicht auf das Abtöten von pathogenen Keimen in Wasser oder anderen Flüssigkeiten beschränkt _s sondern kann stets dann angewendet werden₃ wenn eine Substanz mit einer anderen behandelt werden muß und wenn die Reaktion₉ im Fall des Wassers der Abtötungsmechanismus, schnell verläuft. Die Substanzen können gasförmig^ flüssig oder fest (in fließbarer Form) sein»

Die vorliegende Erfindung kann ferner in erweiterter Weise zur Oxydation von leicht oxydierbaren Substanzen eingesetzt werden.

T5s wird darauf 'hingex-riesen,, daß die Verdünnung xfie beispielsweise die Verdünnung des Ozons_s nicht getrennt außerhalb der Kontaktvorrichtung und daran anschließender Zuführung der verdünnten Gasmischung in die Kontaktvorrichtung durchgeführt zu werden braucht, sondern daß die Verdünnung auch in der Kontaktvorrichtung selbst vorgenommen werden kann₉ indem in einfacher Weise die Verdünnungsflüssigkeit oder das Verdünnungs-

gas getrennt von der Behandlungsflüssigkeit oder dem Behandlungsgas, wie beispielsweise OzOn₁₁ eingespeist xirerden»

Im folgenden wird die Bedeutung, bestimmter Ausdrücke und Wendungen näher erläutert» Der Ausdruck "Verweilzeit" betrifft

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die durchschnittliehe Zeitspanne, während welcher eine Gasblase in der Kontaktvorrichtung verbleibt. Die Wendung., daß jegliclies Masser mit dem Gas in der Kontaktvorrichtung in Berührung gerät, soll ausdrücken,, daß jeglicher Mikroorganismus in dem Masser mit dem Gas in Berührung gerät und daß das Wasser in winsige mikroskopische Tröpfchen aufgebrochen wird und daß, wenn ein Mikroorganismus selbst in der Mitte eines mikroskopischen Massertropfens verborgen ist_s die Verwirbelung in der Kontaktvorrichtung so groß ist., daß jeder dieser Tropfen kontinuierlich aufgebrochen und zu anderen Tropfen zurückgeformt wird3 so daß die Mikroorganismen entlader, wenn sie allein sind oder wenn sie als Teil des Tropfens, auf der Oberfläche des Tropfens vorliegen, mit dem Gas in Berührung geraten, bevor sie die Kontaktvorrichtung verlassen« Jegliches Wasser oder jegliche Wassereinheit schließt nicht das Material ein, das sich innerhalb eines größeren festen Teilchens befindet, welches nicht abfiltriert wurde und durch die Verwirbelung nicht aufgebrochen wird. Bei der Ozonsterilisation wird unter dem Begriff "Träger" das Verdünnungsmittel verstanden, das entweder Luft oder ein anderes billiges zur Verfügung stehendes Gas zur Verdünnung des Ozons sein kann. Der Träger ist die Substanz, in welcher die aktive Substanz wie beispielsweise Ozon eingemischt wird, um sie zu verdünnen. Unter der Wendung "kräftigem und innigem" Mischen wird die Art der heftigen Verwirbelung oder des Mischens verstanden, die sich beispielsweise in den

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Kontaktvorrichtungen aus Fig» 1 bis β ergibt» Der Ausdruck Behandlungs-zeit umfaßt die Zeit., die zur Vervollständigung der Behandlung vom" Beginn der Behandlung wie beispielsweise der Lyse eines Bakteriums mit Ozon bis zum Abtöten des Bakteriums seit dem wirksamen Kontakt des Ozons mit demselben vergeht» Unter "kontinuierlich" wird verstanden₅ daß die iJasser- und Gaseinspeisungen kontinuierlich im Gegensatz su chargenweise in öle Kontaktvorrichtung erfolgen= Der Zufluß kanu natürlich gestartet und gestoppt werden_s während des Durchfließens ist das Verfahren allerdings kontinuierlich» Die in der Kontaktvorrichtung zur Behandlung der ersten Flüssigkeit mit der zweiten oder Behandlungsflüssigkeit "erforderliche Zeit kann durch eine bestimmte Länge des Auslaßrohres wie beispielsweise des Rohres 16 in Fig» 1 festgelegt werden. Zwar kann das Rohr 16 in der Länge einstellbar sein., vorzugsweise wird aber mit Rohren vorher bestimmter fester Länge gearbeitet= Unter pathogenen Organismen werden alle Organismen _s Mikroorganismen und Viren verstanden₂ die toxisch oder mortal sein können» Ein Vorzug des Ozons gegenüber dem Chlor bei der Sterilisation ist in der Tatsache su sehen,, daß Ozon auch Viren schnell tötet, die von Chlor entweder nicht angegriffen oder nur langsam abgetötet werden. Unter "unverbrauchtem Ozon" wird Ozon verstanden_s das in der Kontaktvorrichtung seit weniger als 5 Sekunden mit Wasser vermischt worden war_s das heißt also, während einer Zeitspanne _s die zur Oxydation von anderem außer

Mikroorganismen und ähnlichen Keimen zu kurz ist₃ da bei diesen die Behandlungszeit extrem klein ist,, wie beispielsweise für Mikroorganismen in der Größenordnung von Mikrosekunden. Außerdem zeigt sich, daß auch Ozon,, das sich seit 5 Sekunden in der Kontaktvorrichtung befindet, nicht notwendigerweise zur Oxydation von Substanzen mit einer Behandlungszeit von 5 Sekunden verfügbar ist_s da die heftige Verwirbelung nur einen zeitweiligen Kontakt gestattet. Dieser zeitweilige Kontakt reicht aber vollständig zur Abtötung der Mikroorganismen aus₅ da die Behandlungszeit, das heißt also die zur Lyse eines Bakteriums durch das Ozon benötigte Zeit_s in der Größenordnung von wenigen Mikrosekunden liegt« Zur Kontrolle der ver- schiedenen Parameter können Ventile vorgesehen sein₅ indem beispielsweise xtfie in Fig. 1 die Zuflußmengen des Wassers und des Gases ebenso wie Temperatur _s Verweilzeit_s· Druck usw. eingestellt werden können.

Die verschiedenen für die Dosierung₃ Konzentration und das volumetrische Verhältnis gemäß der Erfindung notwendigen Werte sind bereits ausführlieh angegeben worden. Das volumetrische Verhältnis sollte so niedrig wie möglich sein_s da keine Notwendigkeit besteht, mehr Ozon oder größere Mengen der Gasmischung als benötigt zuzuführen» Wenn zu viel Gas angewendet wird, nimmt dieses einen solchen Teil des Volumens der Kontaktvorrichtung einj daß dadurch die durch die Kontaktvorrichtung

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hi -

9 *? ^ ε ε ο

durchfließende Wassermenge reduziert wird« Die Dosierung hängt von der Verwendung ab, das heißt_s davon_s wie viele Mikroorganismen abgetötet werden müssen» Die Konzentration hängt von der bevorzugt im Ozongenerator herstellbaren Konzentration ab, sie beträgt meist 1 bis 4 %\ im allgemeinen ist 2 % ein guter durchschnittlicher Wert. Wenn beispielsweise die Bestimmung eine benötigte Dosierung von 1 ppm ergeben hat* ergibt sich hieraus ein volumetrisches Verhältnis von 30:1. Allerdings sollte gemäß Erfindung dieses volumetrische Verhältnis etwa 1:1 betragen« Anstelle der Vergrößerung der Menge der erzeugten Ozon-Gas-Mischung, die in das Wasser zur Verringerung des volumetrischen Verhältnisses eingespeist wird, wird mit 2 % Ozon begonnen und dieses weiterverdünnt ₃ so daß die verdünnte Mischung zur Reduzierung des volumetrischen Verhältnisses eingesetzt werden kann« In dem obigen Beispiel wird so das 2 %±ge Ozon auf 1/30 verdünnt _s so daß eine Konzentration von etwa 0,07 % entsteht.

Das zu sterilisierende oder desinfizierende Wasser kann zuerst zur Entfernung von darin enthaltenen Peststoffen filtriert oder in anderer Weise wie mit Rührwerken bearbeitet werden, um die Peststoffe aufzubrechen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche ■

   1. Verfahren zur Behandlung verhältnismäßig großer Volumina
   einer ersten Flüssigkeit wie Wasser mit einem Gehalt an
   pathogenen Organismen mit einem zweiten verhältnismäßig
   kleinen Volumen einer zweiten Behandlungsflüssigkeit oder
   eines Behandlungsgases wie Ozon oder Chlorgas, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Behandlungsflüssigkeit oder
   das Gas mit einem Träger unter Erzeugung einer dritten
   Flüssigkeit mit einem größeren Volumen und geringerer Kon-

   - zentration vermischt werden und daß die dritte und die
   erste Flüssigkeit in einer Kontaktkammer innig miteinander vermischt werden, so daß die gesamte erste Flüssigkeit mit der dritten Flüssigkeit zur Behandlung der ersten Flüssigkeit in Kontakt kommt.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Flüssigekeit in nur zur Behandlung ausreichenden.
   Menge zugegeben wird und daß die behandelte erste Flüssigkeit frei von der zweiten Flüssigkeit aus der Kontaktkammer entnommen werden kann.

   3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

   daß in der Kammer ein volumetrisches Verhältnis der ersten • Flüssigkeit zur dritten Flüssigkeit von etwa 1 aufrechterhalten wird.

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   ff "a # iii f/~*tj ff J·

   *J ο Verfahren nach Anspruch 1 zum Abtöten von pathogenen Organismen in ¥asser_s dadurch gekennzeichnet_s daß Ozongas hergestellt _s daß Ozongas mit Luft zur Verringerung seiner Konzentration verdünnt_s daß das zu behandelnde Wasser kontinuierlich in eine Kontaktkammer eingespeist_s daß das verdünnte Ozongas kontinuierlich in die Kontaktkammer eingespeist_s daß das Ozon und das Wasser innig miteinander vermischt werdenj, so daß die pathogenen Organismen im Wasser abgetötet werden_s und daß das behandelte Wasser kontinuierlich aus der Kontaktkammer abgelassen wird=,

   5ο Verfahren nach Anspruch 4_S dadurch 'gekennzeichnete da® das Wasser und "das verdünnte Ozon in der Mischkammer unter Druck gegeneinander zur Erzeugung einer heftigen Verwirbelung "and einer innigen Vermischung gerichtet werden«

   6 o- Verfahren nach Anspruch 4 oder 5₃ dadurch gekennzeichnet ₉ daß das Ozon mit einer Konzentration von etwa 1 bis 4 % hergestellt und mit Luft in einem Verhältnis von etea 5"=1 bis 30:1 verdünnt wird«

   7» Verfahren nach Anspruch ¹I bis 6_S dadurch gekennzeichnet ₃ daß das Oson mit Luft bei einem·Druck von etwa O_s35 I¹I₅I kg/cm verdünnt wird»

   8. Verfahren nach Anspruch 4 bis J₃ dadurch gekennzeichnet, daß das Mischen des Ozons mit dem Wasser in weniger als 5 Minuten stattfindet.

   9· Verfahren nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon in einer nur zum Abtöten aller im Wasser vorhandenen Organismen ausreichenden Dosierung verwendet wird.

   10. Verfahren nach Anspruch 4 bis S_s dadurch gekennzeichnet, daß das volumetrische Verhältnis von Wasser zu Gas in der Kontaktkammer etwa 0,7 bis 1,3 beträgt»

   11. Verfahren nach Anspruch 4 bis 1O₅ dadurch gekennzeichnet, daß das Ozon in einer Dosierung von 0,01 bis 20 ppm, bezogen auf das Volumen des verdünnten Ozons, verwendet wird.

   12. Verfahren nach Anspruch 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das verdünnte Ozon eine Ozonkonzentration von etwa 0,02 bis ,0,2 % aufweist.

   13· Verfahren nach Anspruch 1 zur Abtötung pathogener Organismen in Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser durch eine erste Leitung in eine Kontaktkammer eingespeist wird, daß ein bakterizides, mit einem Trägergas verdünntes Gas durch eine zweite Leitung in die Kontaktkammer eingespeist

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   und rait dem Wasser xrährend einer Zeit von weniger als 10 Sekunden kräftig und innig vermischt wir.d_s daß in die Kam-, raer eingespeistes Gas und. Wasser in einem volumetrischen Verhältnis von Wasser zu Gas von etwa Q_S7 tois 1₃3 vorliegen und daß das behandelte Wasser aus der Kammer durch eine Auslassleitung abgezogen wird»

   IiSo Verfahren nach Anspruch 13 _s dadurch gekennzeichnet _s' daß das behandelte Wasser durch eine Auslaßleitung mit vorher bestimmter Länge zur Festlegung der Kontaktzeit des Wassers mit dem Gas abgezogen xtfird„

   15. Verfahren nach Anspruch 1 zur Abtötung pathogener Organismen in ¥asser_s dadurch gekennzeichnet _s daß das zu behandelnde Wasser in eine Kontaktzone eingespeist wird, daß Ozon in die Kontaktzone in einem volumetrischen Verhältnis von Wasser zu Gas von etwa 1 eingespeist wird und daß das Wasser und das Ozon in der Kontaktzone zwecks Abtötung der pathogenen Organismen im Wasser vermischt werden.

   16. Vorrichtung zur Abtötung pathogener Organismen in Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kontaktvorrichtung (10, 20, 30, 40, 50, 60) mit einer Kontaktkammer (11, 21, 31, 4l, 51), einer Wassereinlaßleitung (12, 22, 32, 42, 52) zur Einspeisung des Wassers in die Kammer, einer Gaseinlaßleitung

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   s 2H₃ 3^a W» 5^) zur Einspeisung des Behandlungsgases in die Kammer, und einer Äuslaßleitung zur-Entnahme des Wassers aus der Kammer_s die Entnahmeöffnungen für das Wasser und die Gaseinleitungsleitungen so in der Kammer angeordnet sindj daß Wasser und Gas gegeneinander zur Erzeugung eines innigen Vermischens des Wassers mit dem Gas in der Kammer gerichtet sind.

   17. Vorrichtung nach Anspruch l6_s dadurch gekennzeichnet₅ daß Yorrichtungen zur Yeräünmmg des Behandlungsgases mit einem Trägergas unter Bildung einer zum Einspeisen in die-Gasein-_ laßöffming geeigneten Gasmischung vorgesehen sind.

   18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17s dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung eines volumetrischen Verhältnisses in der Kammer von Wasser zu Gas von etwa 0,7 bis 1,3 vorgesehen sind.

   si:kö

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