DE2337406B2 - Verfahren zum Keimfreimachen von flüssigem Behandlungsgut mittels beschleunigter Elektronen - Google Patents

Description

Die Erfindung beitrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Keimfreimachen von flüssigem Behandln lungsgut, insbesondere von Klärschlamm und nicht sedimentierte Verunreinigungen enthaltenden Flüssigkeiten, insbesondere Abwässern, mittels beschleunigter Elektronen.

Es ist bekannt, Klärschlamm von Abwässerreini-

-'"> gungsanlagen unter Einsatz von Wärmeanlagen einer Pasteurisation bzw. Hygienisierung zwecks Bekämpfung der SalmoneUen und der Wurmabtötung sowie anderer pathogener Keime zu unterziehen. Diese Behandlungsweise drängt sich dann speziell auf, wenn

»ι der Schlamm für dem Einsatz innerhalb der Landwirtschaft benützt wird.

Die Wärmebehandlung von Klärschlamm, die zwar zu dem gewünschten Effekt führt, zeigt auf der anderen Seite gewisse Nachteile. Einer der wesentlichen

r> Nachteile besteht darin, daß der so behandelte Klärschlamm kurze Zeit nach seiner Abkühlung außerordentlich unangenehm und störend hinsichtlich seines Geruchs empfunden wird. Beim Austragen des Schlammes auf Grünflächen oder Ackerfelder wird

4Ii dadurch die gesamte Umgebung sehr stark belästigt. Außerdem erfordert die Wärmepasteurtsierung, die nach Aussage von Fachleuten nicht mehr bei 70° C, sondern bei 105° C durchgeführt werden soll, einen sehr großen Energieaufwand.

»") Es ist ferner bekannt, die Pasteurisierung von Abwasser mit Hilfe von Gammastrahlen durchzuführen, wobei der gewünschte Hygienisierungseffekt erreicht wird, ohne daß eine störende Geruchsbelästigung eintritt. Die Verwendung von Gammastrahlen hat jedoch

V) den Nachteil, daß wegen der relativ starken Eindringtiefe dieser Strahlen umfangreiche und kostspielige Schutzanlagen errichtet werden müssen. Zudem ist es eine Forderung des Marktes, daß die Verwendung von radioaktiven Materialien, welche als Gammastrahlen-

>3 quellen benützt werden, innerhalb der Abwasserbehandlung vermieden werden sollte. Außerdem wird von den Interessenten verlangt, daß die Bestrahlungseinheit abgestellt werden kann und von diesem Moment an keine Strahlung mehr abgibt. Diese Forde-

w) rung kann unter Einsatz von radioaktivem Material nicht erfüllt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Keimfreimachen von flüssigem Behandlungsgut, insbesondere von

Klärschlamm bzw. nicht sedimentierte Verunreinigungen enthaltenden Flüssigkeiten, insbesondere Abwässern, zu schaffen, mittels welchem die Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Bestrahlung des flüssigen Behandlungsguts mittels beschleunigter Elektronen mit einer Teilchenenergie von 0,3 bis O₁S MeV unter Durchmischung und/oder Dünnschichtfluß erfolgt.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Keimfreimachen von flüssigem Behandlungsgut, insbesondere von Klärschlamm und nicht sedimentierte Verunreinigungen enthaltenden Flüssigkeiten, insbesondere Abwässern, mittels ionisierender Strahlen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Bestrahlungmittels beschleunigter Elektronen mit einer Teilchenenergie von 0,3 bis O₁S MeV unter Durchmischung und/oder Dünnschichtfluß erfolgt.

Gegenstand der Erfindung sind ferner Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie sie in den Fig. 1 bis 3 abgebildet und in dec Ansprüchen 5 und 6 beansprucht werden.

Das ErfindungswesentUche ist somit darin zu sehen, daß man, entgegen den bisherigen Annahmen, mit beschleunigten Elektronen, die eine Teilchenenergie zwischen 0,3 und 0,5 MeV aufweisen, arbeiten kann. Daß so nieder energetische Elektronen angewandt werden können, beruht darauf, daß das Behandlungsgut durchmischt wird. Früher ging man davon aus, daß so nieder energetische Elektronen aufgrund ihrer minimalen Eindringtiefe zur Sterilisation nicht geeignet sind. Beispielsweise beträgt die maximale Eindringtiefe von 0,4 MeV Elektronen nur 1,2 mm. Die maximale Ionisation liegt bei 0,7 mm.

Durch diese Behandlung wird beispielsweise die Düngewirkung von Klärschlamm in keiner Weise ver ändert, und es konnten auch keinerlei Anzeichen dafür gefunden werden, daß irgendwelche toxischen Substanzen gebildet werden, die das Pflanzenwachstum in irgendeiner Form beeinträchtigen. Der Einsatz beschleunigter Elektronen ermöglicht die Verwendung elektrischer Maschinen, d. h. Elektronenbeschleunigern, die nach den Erfordernissen eingeschaltet und abgestellt werden, wie andere elektrische Einrichtungen. Bei abgeschalteter Vorrichtung besteht keine Strahlenwirkung. Außerdem sind keine so umfangreichen Sicherheitsanlagen wie für Gammastrahlen erforderlich, d. h. es kann z. B. die Dicke des Mauerwerks reduziert werden, wodurch eine Verbilligung der Installation erzielt wkd.

Die erfindungsgemäße Behandlung kann vorzugsweise bei Raumtemperatur erfolgen. Bei der Behandlung von Klärschlamm kann vorzugsweise eine totale Strahlungsdosis zwischen 200 und 400 kRad in das Behandlungsgut eingestrahlt werden. Bei der Behandlung nicht sedimentierte Verunreinigungen enthaltender Flüssigkeiten, wie z. B. Abwässer, kann vorzugsweise eine Strahlungsdosis von 200 kRad bis 1 MRad eingestrahlt werden. Sollen neben Bakterien auch Viren abgetötet werden, so kann die Dosis bis zu 2 MRad betragen.

Das Behandlungsgut wird unter gleichzeitiger Durchmischung der Bestrahlung unterworfen. Die Durchmischung kann mittels eines Druckmediums, z. B. Druckluft oder Pumpen, insbesondere Tauchpumpen, oder mittels eines Rührwerkes oder durch Schütteln erfolgen.

Bekanntlich werden bei Einwirkung ionisierender Strahlen in wäßrigen Flüssigkeiten auch Reaktionen mit dem Wasser ausgelöst, indem z. B. OH- Radikaie gebildet werden. Durch die Durchmischung des Behandlungsgutes können die OH-Radikale mit den

Bakterien und Wurmeiern in Kontakt kommen und zusätzliche Reaktionen in Richtung auf die Hygienisierung auslösen. Wesentlich für die Bildung von OH-Radikalen ist, daß das Behandlungsgut genügend Wasser oder eine andere Radikale bildende Flüssigkeit enthält; vorteilhaft ist ein Wassergehalt von mindestens 90 Gew.-%. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht daher nicht nur auf den direkten Treffern durch Elektronenbeschuß, soweit die Reichweite der Elektronen ausreicht, sondern auch auf der sekundären Wirkung der durch die Bestrahlung erzeugten Radikale, die beispielsweise zur Bildung von Peroxyd führen.

Im weiteren kann der Hygienisierungseffekt durch Wirkgase, wie z. B. Stickoxyde oder Sauerstoff gefördert werden. Dabei kann auch als für die Durchmischung benötigtes Druckmedium ein Wirkgas verwendet werden.

Schließlich ist es auch möglich, die Bestrahlung des Behänd!ungsgutes im Vakuum vorzunehmen oder ein Schutzgas, z. B. Stickstoff oder JO₂ in das Behandlungsgut einzuleiten, wobei Stickstof« bevorzugt wird.

Der im Bestrahlungsbereich der Bestrahlungsanlage angeordnete Behälter ist, entsprechend den vorstehenden Ausführungen, vorzugsweise mit Mitteln zur E/zieiung eines Dünnschichtdurchflusses des Behandlungsgutes und/oder mit Mitteln zur Durchmischung des Behandlungsgutes ausgestattet.

Der Behälter kann sowohl offen als auch geschlossen ausgebildet sein, wobei bei geschlossenen Behältern die der Strahlenquelle gegenüberliegende Fläche ein z. B. mit einer Titanfolie versehenes Fenster finden Strhaleneinlaß aufweisen kann. Im Falle der Verwendung eines offenen Behälters kann derselbe Mittel für das Überlaufen der Flüssigkeit in Dünnschicht enthalten. Diese Überlaufmittel können beispielsweise kaskadenartig ausgebildet sein. Zwecks Durchmischung der Behandlungsflüssigkcit können sowohl bei offenen als auch geschlossenen Benältern Rührwerke vorgesehen sein, die in gleichem Drehsinn oder gegensinnig umlaufen. Die Durchmischung der Behandlungsflüssigkeit kann auch mit Hilfe von Mitteln zum Schütteln des Behälters erfolgen. Ferner kann der Behälter Düsen zur Zuführung des Bahandlungsgutes und/oder eines Druckmedium« aufweisen, welches die Durchmischung der Flüssigkeit bewirkt. Die obenerwähnten Durchmischungsmittel können auch kombiniert angewandt werden.

Der geschlossene Behälter kann auch im mittleren Teil einen verflachten Querschnitt aufweisen, entsprechend einem Bernoulli-Rohr, um einen Dünnschichtdurchfluß zu erreichen. Im mittleren verfhchten Teil dieses Behälters können zudem Mittel zur Erzeugung einer Turbulenz, z. B. ein Turbulenzgitter, enthalten sein, mit dessen Hilfe eine Durchmischung der Behandlungsflüssigkeit bewirkt wird.

Der erfindungsgemäße bevorzugt eingesetzte Behälter wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen offenen Behälter mit Rührwerken in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Mittel-Querschnitt der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 3 einen offenen Behälter mit Tauchpumpe und einem Rührer in Mittel-Querschnitt-Darstellung.

Mit 1 ist ein offener quaderförmiger Behälter bezeichnet, dessen Ausmaße und Abstand vom nicht dargestellten Strahlenaustrittsfenster eines Elektro-

nenbeschleunigers bekannter Bauweise so gewählt ist, daß die ganze Breite vom Strahlenbündel abgedeckt wird. Der Elektronenbeschleuniger liefert eine Elektrone nbestrahlung mit einer Teilchenenergie zwischen 0,3 bis 0,5 MeV. Im Behälter 1 sind zwei Rühr- '■ werke 2,3 angeordnet, bestehend je aus zwei parallel zu den Längskanten des Behälters verlaufenden Drehachsen 4 und zwei auf diesen Achsen sitzenden sternförmigen Trägern 6 mit darauf angeordneten Längsstäben 5. Das Rührwerk 2 wird mittels eines '" nicht dargestellten Antriebs in Umlauf versetzt und treibt über die Zahnräder 7,8 das Rührwerk 3 in entgegengesetztem Drehsinn an. Die Öffnungen 9 und

10 für den Flüssigkeitseintritt und -austritt sind an den Stirnwänden des Behälters 1 mittig angeordnet. Sie ' ■ können auch wechselseitig angeordnet sein, wodurch eine besonders intensive Durchmischung der Behandlungsflüssigkeit erreicht wird. Die Eintritts- und Austrittcriffniinopn Irinnen fprnpr mit Mitteln 7iir Rpdii. "*"*—*---"~**e—" .._...._.. -_..._. ..... ......_... __. _._p_

lierung bzw. vorübergehenden Unterbrechung des -'" Flüssigkeitsdurchflusses versehen sein. Damit kann ein gleichmäßiges Durchfluten des Behälters mit der Flüssigkeit oder in gewissen Fällen die portionsweise Bestrahlung der Flüssigkeit im Behälter erreicht werden. Um eine gute Förderung der Flüssigkeit von der -'· Eintritts- zur Austrittsöffnung zu gewährleisten, können anstelle der dargestellten Rührwerke auch Schnecken angeordnet werden.

In Fig. 3 wird gezeigt, daß man vorzugsweise zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eine Achse ι»

11 des Rührwerkes mit Schaufeln 12 parallel zur Achsenrichtung verlaufend versieht und ein hohlzylinderförmiges Leitblech 13 zur Führung des Behandlungsgutes so anordnet, daß das Behandlungsgut durch die tangentiale, schlitzförmige Öffnung 14 wie durch eine '"> Düse mit erhöhtem Druck und erhöhter Geschwindigkeit senkrecht zum Elektronenstrahl ausströmt.

Durchmesser und Drehzahl dieser mit Schaufeln versehenen Achse 11 werden so gewählt, daß die Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit höher ist als -w die im Behandlungsgut gewünschte Dosis.

Die Dicke des ausströmenden Behandlungsgutes kann größer sein als die Eindringtiefe der Strahlung. Durch wiederholtes Umpumpen mittels der mit Schaufeln versehenen Achse 11 und Durchmischen *> des Bestrahlungsgutes mit dem Rührer 15 wird nach kurzer Zeit eine besonders homogene Bestrahlung erreicht.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit dem gleichen Erfolg auch für Bestrahlungen mit anderen w ionisierenden Strahlen eingesetzt werden. Außerdem ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht nur auf den Einsatz zum Keimfreimachen von flüssigem Behandlungsgut beschränkt, sondern auch geeignet für Bestrahlungen von niedrig- oder hochviskosen Flüssigkeiten oder Emulsionen, die einer intensiven Strahleneinwirkung, beispielsweise zum Zwecke der Polymerisation, ausgesetzt werden sollen. ω

Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung, ohne sie jedoch darauf einzuschränken.

Beispiel 1

Klärschlamm aus einer Abwasserreinigungsanlage wurde einem quaderförmigen offenen Behälter zugeführt und trat durch eine Öffnung in der einen Stirnseite in diesen ein und verließ ihn durch eine Öffnung in der gegenüberliegenden Stirnseite. Der Behälter enthielt ein Rührwerk mit parallel zu den Längskanten des Behälters verlaufender Drehwelle. Das Rührwerk wurde mit 300 Umdrehungen/Minute angetrieben und sorgte für eine innige Durchmischung des Schlammes. Die Durchströmungszeit innerhalb des Behälters betrug für jeden Kubikzentimeter Schlamm 15 Sekunden. Die von einem Beschleuniger mit 20-kW-Leistung erzeugte Elektronenstrahlung hatte eine Teilchenenergie von 0,4 MeV. Sie wurde in bekannter Weise durch einen Scanner. Her riie Länge des Behälters aufwies, in den Schlamm eingestrahlt. Die Bestrahlung erfolgte bei Raumtemperatur, und die eingestrahlte Dosis betrug 400 kRad. Der Klärschlamm durchströmte den Behälter mit einer Geschwindigkeit von 10 m³ pro Stunde, so daß eine Tagesleistung von ca. 240 m³ erzielt wurde.

Die Kontamination des Schlammes mit Bakterien, hauptsächlich pathogenen Keimen der KoIi- und SaI-monelHnart, betrug vor der Bestrahlung 10' pro cm', außerdem enthielt der Schlamm ca. 10000 Wurmeier pro cm³. Nach der Bestrahlung wies der Schlamm keine pathogenen Keime und keine lebenden Wurmeier mehr auf. Die beschriebene Behandlung läßt sich auch bei höheren Durchströmungsgeschwindigkeiten durchführen, wobei jedoch die Teilchenenergie der Elektronenbestrahlung entsprechend erhöbt werden muß. Bei einer Tagesleistung von ca. 500 m³ wäre z. B. eine Teilchenenergie von 1 MeV erforderlich, bei einer Tagesleistung von 1000 m³ eine solche von 3MeV.

Beispiel 2

Nicht sedimentierte Verunreinigungen enthaltendes Abwasser aus der Kläranlage eines Spitals wurde einem geschlossenen Behälter zugeführt, der im mittleren Teil einen verflachten Querschnitt entsprechend einem Bernoulli-Rohr aufwies. Im mittleren Behälterteil wurde ein Dünnschichtdurchfluß der Flüssigkeit mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,3 m pro Sekunde erzielt. Die vom Elektronenbeschleuniger erzeugte Strahlung wies eine Teilchenenergie von 3 MeV auf. Die durch das Titanfenster des Scr nners austretenden Elektronen traten durch ein entsprechendes Fenster in den verengten Behälterteil ein. Die Bestrahlung erfolgte bei Raumtemperatur, und die eingestrahlte Dosis betrug 800 kRad.

Das Abwasser, welches vor der Bestrahlung pro cm³ 10⁸ pathogene Keime enthielt, war nach der Bestrahlung völlig keimfrei. Es lassen sich auf die beschriebene Weise pio Tag 1000 m³ Abwasser keimfrei machen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Keimfreimachen von flüssigem Behandlungsgut, insbesondere von Klärschlamm und nicht sedimentierte Verunreinigungen enthaltenden Flüssigkeiten, insbesondere Abwässern, mittels ionisierender Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mittels beschleunigter Elektronen mit einer Teilchenenergie von 0,3 bis 0,5 MeV, unter Durchmischung und/oder Dünnschichtfluß erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Totaldosis zwischen 200 und 400 kRad in Klärschlamm und eine Totaldosis von 200 kRad bis 1 MRad in eine nicht sedimentierte Verunreinigungen enthaltende Flüssigkeit eingestrahlt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Behandlungsgut einen Wassergehalt von mindesten« 90 Gew.-% aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung im Vakuum erfolgt oder während der Behandlung Wirk- und/ oder Schutzgase in das Behandlungsgut eingeleitet werden, die gegebenenfalls gleichzeitig als Druckmedium wirken können.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch

a) einen Elektronenbeschleuniger bekannter Bauart,

b) einen offenen quaderförmigen Behälter (1), dessen Ausmaße und , .bstand vom nicht dargestellten Strahlenaustrittsfenster eines Elektronenbeschleunigers bekannter Bauweise so gewählt sind, daß die ganze Breite der nicht abgedeckten zu bestrahlenden Oberfläche des Behandlungsgutes vom Elektrodenstrahl erfaßt wird,

c) zwei im quaderförmigen Behälter angeordnete Rührwerke (2,3), die aus zwei parallel zu den Längskanten des Behälters (1) verlaufenden Drehachsen (4) und zwei auf diesen Achsen sitzenden sternförmigen Trägern (6) mit darauf befindlichen Längsstäben (5) bestehen und die im entgegengesetzten Drehsinn über die Zahnräder (7,8) angetrieben werden, sowie

d) die im quaderförmigen Behälter (1) angeordneten Offnungen (9,10) für den Flüssigkeitseintritt und -austritt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch

a) einen Elektronenbeschleuniger bekannter Bauart,

b) einen zum Teil offenen quaderförmigen Behälter (la), der auf einer Längsseite mit hohlzylinderförmigen Leitblechen (13) abgedeckt ist, die zusammen eine tangentiale, schlitzförmige Öffnung (14) bilden,

c) ein parallel zur Längsseite des quaderförmigen Behälters (la) angeordnetes Rührwerk mit der Achse (11) und den Schaufeln (12), die parallel zur Achsenrichtung verlaufen, das in dem von den Leitblechen abgegrenzten

Raum angeordnet ist, und zwar so, daß die Schaufeln (12) das Behandlungsgut mit erhöhtem Druck und erhöhter Geschwindigkeit senkrecht zum Elektronenstrahl durch die tangentiale, schlitzförmige öffnung (14) befördern,

d) ein weitereif Rührwerk (15), das im unteren Teil des nicht durch die Leitbleche (13) abgedeckten Teils des Behälters (la) angeordnet ist und

e) die im Behälter (la) angeordneten Offnungen für den Flüssigkeitseintritt und -austritt.