DE2421266C3

DE2421266C3 - Vorrichtung zur elektrolytischen Abwasserbehandlung

Info

Publication number: DE2421266C3
Application number: DE19742421266
Authority: DE
Inventors: Tuyoshi Kato; Yoichi Kuji; Nagao Saito
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1973-05-02
Filing date: 1974-05-02
Publication date: 1978-07-13
Also published as: FR2228037A1; DE2421266B2; FR2228037B1; DE2421266A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrolytischen Abwasserbehandlung mit einer Anode aus einem sich während der Elektrolyse unter lonenbildung auflösenden Material, vorzugsweise aus Aluminium oder Eisen, durch welches die Schmutzstoffe im Abwasser flockulierbar sind.

Elektrolytische Abwasserkläranlagen werden weithin verwendet. Diese dienen dazu, die in Suspension oder Lösung vorliegenden Stoffe zu flockulieren und zu entfernen. Hierbei wird der Flockuliereffekt von Aluminiumionen ausgenutzt, welche aus einer Aluminiumelektrode durch Elektrolyse gebildet werden. Die gebildeten Flocken werden durch während der Elektrolyse gebildetes Gas (in der Hauptsache Wasserstoffgas, welches an der Kathode gebildet wird) flotiert und bilden eine schaumige Oberflächenschicht Dieser Schaum wird abgestreift, und das geklärte Wasser wird am Boden des Elektrolysators entlassen. In solchen Anlagen kann man Abwässer reinigen, welche unlösliche kolloidale Suspensionen oder Ionen von organischen oder anorganischen Verbindungen enthalten, z. B. Färbeabwässer, Abwässer der Nahrungsmittelindustrie, saure Abwasser od. dgl.

Bei dieser Vorrichtung kommt es zu einer Passivierung der Elektrodenoberfläche durch an der Oberfläche abgeschiedenes Material (im folgenden als Krusten bezeichnet) und durch an der Oberfläche abgesetztes Gas oder andere verunreinigende Materialien, wodurch der Äquivalentwiderstand zwischen den Elektroden plötzlich erhöht und ein Stromdurchgang verhindert wird. Auf Grund der Krustenbildung müssen die Elektroden häufig ausgetauscht werden. Dieser inaktivierte Zustand tritt nach mehreren 10 Stunden oder nach mehreren 100 Stunden kontinuierlichen Betriebs plötzlich und spontan ein. Diese Störungen sind sehr schwerwiegend.

Die elektrische Oberflächenstromdichte der Elektroden ist gewöhnlich gering und beträgt z. B. etwa mehrere mA/cm². Demgemäß werden Elektroden mit großer Oberfläche verwendet, und eine Vielzahl von Elektrodenplatten werden parallel zueinander angeordnet, und zwar mit einem Abstand von mehreren cm. Durch die geringe Stromdichte soll die Geschwindigkeit des pro Flächeneinheit aufgelösten Metalls der Anode gesenkt werden, so daß der Zeitpunkt, zu dem die Elektroden ausgetauscht werden müssen, relativ weit hinausgeschoben werden kann.

Ferner ist es möglich, mit einer Stromquelle von mehreren 10 Volt zu arbeiten, wenn der Elektrodenspalt mehrere cm beträgt.

Im folgenden soll die Arbeitsweise der kontinuierlichen Vorrichtung am Beispiel der Behandlung von Färbeabwasser erläutert werden, welches mit einer Geschwindigkeit von 2OmVh strömt, wozu 50 ppm Aluminiumionen erforderlich sind. Der für die Elektrolyse erforderliche Strom beträgt etwa JOOO A, und die Elektrodenoberfläche S ist durch die folgende Gleichung gegeben:

XlM 1Π Ä

S = -= -~~, = l5(M)x
2 mA/cnr

cm¹ = 150 m²,

wobei für die Stromdichte 1-2 in A/cm' gilt.

Wenn Elektrodenplatten mit einer Fläche von 1 m² verwendet werden und ein Strom von beiden Flächen der Elektrode fließt, so sind etwa 75 Anodenplatten erforderlich, d.h. insgesamt etwa 150 Elektroden. Demgemäß ist ein groß dimensionierter Elektrolysator erforderlich, und der Austausch der Elektroden ist äußerst umständlich.

Gewöhnlich wird der spezifische Widerstand P des Abwassers durch Zugabe eines Elektrolyten herabgesetzt. Der spezifische Widerstand P kann etwa 500 Ω betragen. Der ohmsche Spannungsabfall V zwischen den Elektrolyten wird durch die Gleichung

V = JPg= 2- 10'· 500-5 = 5VoIt

gegeben, wobei die Spaltbreite #zwischen den Elektroden mit 5 cm angenommen wird. Der Äquivalentwiderstand im Spalt ist wesentlich höher als Pauf Grund der Effekte der Krustenbildung und der Polarisation, so daß in der Praxis etwa 30—40 Volt angelegt werden müssen. Um nun auch im Falle eines sich erhöhenden Äquivalentwiderstandes der Elektroden (durch Zunahme der Krustenbildung) einen stabilen Stromfluß zu erreichen, verwendet man gewöhnlich eine Gleichstromquelle mit 50—100 Volt, so daß die bereitgestellte Spannung wesentlich höher ist als dct ohmsche Abfall. Dies ist jedoch nicht wirtschaftlich, da stärkere Stromquellen erforderlich sind.

Bei den herkömmlichen Vorrichtungen komm: eine Ablösung der durch Auflösung des Aluminiums und durch ciie anderen verunreinigenden Materialien im Spalt, wie z. B. Wasserstoff gas (an der Kathode), gebildeten Oberflächenschichten oder Krusten der Elektroden lediglich durch Diffusion zustande, da die Geschwindigkeit der elektrolytischen Lösung im Spalt zu gering ist. Daher ist die Polarisation der Oberfläche der Elektroden sehr groß. Ferner wird als Elektrolytlösung ein Abwasser mit einem hohen spezifischen Widerstand eingesetzt. Demgemäß ist es schwierig, die Elektrolyse unter hoher Stromkonzentration und Stromdichte durchzuführen. Gewöhnlich wird die Elektrolyse bei einer Stromkonzentration von etwa mehreren 100 mA/1 und bei einer niedrigen Stromdichte von mehreren 100 mA/dm² durchgeführt. Urn nun die coulometrische Konzentration der Aluminiumionen zu erreichen, welche für die Klärung des Abwassers erforderlich ist, muß man während einer langen Zeitdauer elektrolysieren. Wenn das zu behandelnde Abwasser in großem Volumen vorliegt, so ist dieser Betrieb praktisch nicht durchführbar. Darüber hinaus werden bei dem herkömmlichen Verfahren mit den von der Anode herausgelösten Aluminiumionen sehr feine Flocken gebildet, welche sich bei der Flotation nur langsam bewegen.

Gewöhnlich wird das an der Kathodenoberfläche während der Elektrolyse gebildete Wasserstoffgas als Flotationsgas zur Flotation der gebildeten Flocken verwendet. Der Abstand zwischen den Elektroden ist jeo'och recht breit (10—100 mm) und das Wasserstoffgas kann nicht genügend diffundieren und die feinen Wasserstoffgasbläschen vereinigen sich rasch zu großen Gasblasen, welche mit großer Geschwindigkeit nach oben steigen. Hierdurch wird die Elektrolytlösung in gewisser Weise geführt, so daß der Flotationseffekt herabgesetzt wird.

Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur elektrolytischen Abwasserbehandlung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine weitgehende Klärung des Abwassers unter Verhinderung einer Passivierung oder Verkrustung der Elektrodenoberflächen bei hoher Stromdichte und kleiner Elektrodenoberfläche erzielt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungSEemäß durch eine

Vorrichtung zur elektrolytischen Abwasserbehandlung mit einer Anode aus einem sich während der Elektrolyse unter lonenbildung auflösenden Material, vorzugsweise aus Aluminium oder Eisen, durch welches die Schmutzstoffe im Abwasser flockulierbar sind gelöst, welche gekennzeichnet ist durch einen dünnen Spalt mit 0,1 bis 10 mm Spalt weite zwischen Anode und Kathode, durch welchen das Abwasser als Elektrolytlösung zwangsmäßig mit einer hohen, mehrere 10 m/s aufweisenden Strömungsgeschwindigkeit hindurchfiihrbar ist und eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Weite des dünnen Spaltes zwischen den Elektroden während der Elektrolyse.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 (a), (b) und (c) schematische Darstellungen des Prinzips der Erfindung,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Apparatur.

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Abstandselements in der Apparatur gemäß F i g. 2,

Fig.4 (a)—(d) schematische Ansichten weiterer Ausführungsformen von Abstandselementen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Apparatur,

Fig.6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage zur Abwassererklärung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Steuerschaltung für die erfindungsgemäße Apparatur,

F i g. 8 ein Phasendiagramm der Spaltspannung (Spaltlänge) gegen die Zeit bei der Steuerschaltung,

Fig. 9 ein charakteristisches Diagramm der Spaltspannung zur Stromstärke in der Steuerschaltung.

Fig. 10 ein Arbeitsdiagramm der Schaltungen der Steuerschaltung.

F i g. 11 eine schematische Darstellung einer weiteren Steuerschaltung.

Fig. 12 ein Phasendiagramm des Entladungsstroms und der Spaltlänge gegen die Zeit bei der Steuerschaltung gemäß Fig. 11.

F i g. 13 eine Kennlinie der Spaltspannung gegen den Strom bei der Steuerschaltung gemäß Fig. II,

Fig. 14 ein Arbeitsdiagramm der Schaltungen in der Steuerschaltung gemäß Fig. 11,

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Apparats,

Fig. 16, 17 und 18 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Apparatur.

Fig. 1 zeigt einen Hochgeschwindigkeitselektrolysator 15 für die elektrolytische Abwasserklärung mit Elektroden 10,11. Die Anode 10 besteht aus Aluminium. Das Bezugszeichen 10 bezeichne eine Anode und das ßezugszeichen 11 eine Kathode aus Edelstahl. Das Abwasser 1 für die elektrolytische Behandlung wird durch den dünnen Spalt 12 zwischen Anode und Kathode gepumpt Das Abwasser fließt durch ein Loch 25 in der Kathode 11.

Ein Abstandselement 13 besteht aus einem elektrischen Isolator, z. B. aus Teflon, und dient zur Aufrechterhaltung eines dünnen Spaltes IZ Es ist an der Kathode 11 befestigt. Ferner ist eine Stromquelle 6 mit Drähten 27 für Gleichstrom vorgesehen, welche zur Auflösung des Aluminiums dient Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das Abwasser zwangsmäßig durch den schmalen Spalt gepreßt wird, wodurch Sehrnutzäbiagerungen, Gas und andere Verunreinigungen von der Oberfläche der Elektroden weggespült werden, so daß die Oberflächen der Elektroden saubergehalten werden. Optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn man einen dünnen Spalt 12 von 0,5 bis mehreren mm vorsieht sowie eine Strömungsgeschwindigkeit von mehreren 10 m/s.

Ί Der spezifische Widerstand eines Färbeabwassers beträgt etwa 500 Ω- I k Ω ohne Zusatz eines Elektrolyten, wie Natriumchlorid. Wenn der Spalt sehr schmal ist, kann die Stromdichte erhöht werden, wodurch die Vorteile einer kompakten Apparatur, einer Abnahme

ni der erforderlichen elektrischen Leistung für die Elektrolyse und einer minimalen Kapazität der Gleichstromquelle gegeben sind. Die elektrolytische Stromdichte kann auf etwa 0,2— 1 A/cm² erhöht werden, d. h. auf den mehrhundertfachen Wert der Stromdichte bei

ι > der herkömmlichen Vorrichtung.

Im Falle von Färbeabwässern, welche mit einer Geschwindigkeit von 20 mVh anfallen, kann die Elektrodenfläche 3000 cm² = 0,3 m² betragen. Hierzu genügt eine kreisförmige Aluminiumplatte mit einem

.'Ii Durchmesser von 62 cm, wenn die Stromdichte /1 A/cm² bei einer Stromstärke von 3000 A und einer Menge des aufgelösten Aluminiums von 50 ppm beträgt. DerohmscheSpannungsabfall zwischen den Elektroden wird durch die nachfolgende Gleichung gegeben:

V = JPg = 1 · 500 · 0,05 = 25 Volt,

wobei de·· spezifische Widerstand des Abwassers P 500 Ω beträgt und die Spaltbreite g 0,05 cm beträgt. Bei

in diesem Betrieb wird eine etwa sich absetzende Kruste durch das mit großer Geschwindigkeit durch den dünnen Spalt hindurchströmende Abwasser ständig entfernt, und der Spalt wird in sauberem Zustand gehalten, so daß ein übermäßiger Spannungsabfall

r> verhindert wird und ein kontinuierlicher stabiler elektrolytischer Betrieb aufrechterhalten werden kann, wobei lediglich eine Spannung von 27 Volt angelegt werden muß (Summe der normalen Polarisationsspannung von etwa 2 Volt und des ohmschen Spannungsab-

4Ii falls). Demgemäß muß die Gleichspannungsquelle eine Spannung von etwa 30 Volt (27 Volt + Toleranz) liefern. Die Leistungskapazität kann auf ein Minimum herabgesetzt werden, und die Kosten der Apparatur können gesenkt werden.

■n Bei dieser Ausführungsform beträgt die Stromdichte ] 1 A/cm². Wenn eine Abnahme der Leistung gewünscht wird, so ist die folgende Anlage bevorzugt. Im Falle eines elektrolytischen Stroms von 3000A und einer Aluminiumauflösung von 50 ppm und einer Stromdichte

in / von 0,18 A/cm² bei einer Elektrodenfläche von 16 700cm² = 1,7m², d.h. '/too der herkömmlrhen Apparatur, ergibt sich der ohmsche Spannungsabfall am Spalt aus der Gleichung

.. V= JPg = 0,18 · 500 ■ 0,05 = 4,5 V.

Dabei beträgt die Spaltbreite #0,05 cm.

An Hand des ohmschen Spannungsabfalls kann die Leistung W errechnet werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich ein Wert W\ = 3000A x4iA = 13,5 kW. Bei der herkömmlichen Apparatur ergibt sich ein Wert W\ = 3000 A χ 5 V = 15 kW. Daher ist der Leistungsverbrauch bei der erfindungsgemäßen Apparatur geringer als bei der herkömmlichen Apparatur.

Vorstehend wurde eine Ausführungsform der Apparatur beschrieben, bei der die Krusten lediglich durch die Strömung des Abwassers entfernt werden. Gemäß Fig. l(a), (b) und (c) wird das an der Anode

niedergeschlagene Material zusätzlich mechanisch durch Reibung des Abstandselements 13 entfernt. Das Abstandselement 13 ist mit der Kathode verbunden und dient nicht nur dazu, die Spaltbreite aufrechtzuerhalten, sondern es gleitet auch über die Anodenoberfläche. Es ist schwierig, die Kathode um 360° relativ zur Anode zu drehen, da sie mit der Zuleitung für den Strom verbundpn ist. Die gesamte Anodenoberfläche kann jedoch iioerstrichen werden, wenn man eine abwechselnd im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn gerichtete Drehbewegung der Kathode um etwa 130° relativ zur Anode vorsieht und wenn auf der Kathode [gemäß F i g. 2 (c)] drei Abstandselemente 13 mit einem Winkel von 120° zueinander befestigt sind.

Gemäß den F i g. 1 (a), (b) und (c) wird das Abwasser durch das Loch in der Kathode zum Spalt 13 geführt. Wenn nun dieses Loch stets zur gleichen Stelle der Anodenoberfläche hin ausmündet, so wird ein konvexer Bereich auf der Aluminiumanode ausgebildet. Demgemäß ist es bevorzugt, das Loch in exzentrischer Position anzubringen, so daß die relative Position des Loches bei der hin- und hergehenden Drehbewegung der Kathode relativ zur Anodenfläche geändert wird, so daß das Aluminium der Anode gleichförmig aufgelöst wird und somit eine Bildung eines Kurzschlusses durch einen konvexen Buckel verhindert wird. In den Fig. 1 (a), (b) und (c) wird das Abwasser durch das Loch in der Kathode zum Spalt geführt, und zwar in Richtung zur Anode hin. Es ist jedoch auch möglich, das Abwasser von der Seite her in den dünnen Spalt parallel zu den Elektrodenoberflächen tinzuführen.

Im folgenden soll nun eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Apparatur an Hand der Fig. 2 beschrieben werden. Hierbei ist eine Kathode 11 aus Edelstahl oder aus einem anderen leitfähigen Material vorgesehen sowie eine Anode 10 aus Aluminium, welche unter Belassung eines dünnen Spaltes 12 der Kathode gegenüberliegt. In dem Spalt 12 ist ein Abstandselement 13 vorgesehen, welches aus einem elektrischen Isolator mit Schmirgelwirkung, z. B. einem Stein, besteht. Das Abwasser 1 tritt durch den Einlaß 14 in den Spalt zwischen den Elektroden ein. Man erhält ein behandeltes Abwasser 5', welches Flocken enthält. Während der Elektrolyse wird die Anode verzehrt. Die Kathode wird automatisch auf Grund ihres Gewichtes gesenkt, so daß durch das Abstandselement 13 stets die gleiche Spaltbreite zwischen den Elektroden aufrechterhalten wird. Während der Elektrolyse steht das Abstandselement 13, welches an der Kathode befestigt ist, in Kontakt mit der Anode 10 und gleitet über die Anodenoberfläche hinweg. Die flockulierten Produkte werden durch das Abwasser 1 ständig fortgespült. Das Abstandselement 13 weist gemäß F i g. 3 eine Kante auf. Die Kathode 11 ist Ober die Isolierplatte 16 mit der Halterung 22 verbunden und diese wird in einer Führung 18 für die Vertikalbewegung gehalten. Ferner ist die Apparatur mit einer Keilnabe, einem Arm 20, einem Motor 21, einer elektrolytischen Zelle 15 und mit Isolierplatten 16 und 17 ausgerüstet Bei Drehung des Motors 21 wird das Abstandselement 13 relativ zur Anode 10 gedreht und gleitet über die Anodenoberfläche. Es ist erforderlich, für das Abstandselement 13 ein Isoliermaterial mit einem hohen Abriebwidersatand zu wählen.

Gemäß F i g. 4 ist es möglich, kugelförmige Abstandselemente oder zylindrische Walzenabstandselemente aus Isoliermaterial zu verwenden und in einer Führungsnut 24 der Kathodenoberfläche zu lagern.

Hierbei wird der dünne Spalt 12 automatisch durch Abrollen dieser Abstandselemente aufrechterhalten. Die F i g. 4 (a) und (b) zeigen kugelförmige Abstandselemente 13'. Hierbei ist eine Anode 10, eine Kathode 11. "> ein Loch 25 in der Kathode vorgesehen. Die kugelförmigen Abstandselemente 13' sind in Nuten 24 vorgesehen.

Um die Oberfläche der Anode 10, welche der Kathode 11 gegenüberliegt, gleichförmig anzulösen,

ι» erfolgt eine hin- und hergehende Drehbewegung entsprechend der Pfeillinie.

Die Fig. 4 (c) und (d) zeigen zylindrische walzenförmige Abstandselemente für rechteckige Elektroden. Die zylindrischen walzenförmigen Abstandselemente 13" ■> sind in Nuten 24 gelagert und werden während der hin- und hergehenden Bewegung der Anode 10 relativ zur Kathode 11 in Richtung des Pfeils B gedreht. Das Abwasser tritt durch ein Loch 25 ein.

Bei obigen Ausführungsformen wird die Aufrechter-

-'" haltung und Sauberhaltung des dünnen Arbeitsspaltes zwischen den Elektroden durch Abstandselemente besorgt, und die Einstellung der Elektroden hinsichtlich Spaltbreite ist konstant, und sie wird stets durch das Totgewicht, mit der die Kathode auf der Anode lastet,

-"> gegeben. Wenn die Abscheidungen nur durch die zwangsmäßige Strömung entfernt werden können, ohne daß ein Abstreifen mit dem Abstandselement erforderlich ist, so kann die Aufrechterhaltung der dünnen Spaltbreite und die Einstellung der Elektroden mittels

S" eines Servomechanismus durchgeführt werden.

Gemäß Fig.5 besteht die Kathode 11 aus Edelstahl und die Anode 10 aus Aluminium, und die Isolierplatten 16 und 17 dienen zur Isolierung der Anode und der Kathode von der Zelle 15 bzw. der Hauptwelle 26. Eine

)"> Gleichstromquelle 6 ist über einen Draht 27 mit der Anode und der Kathode verbunden. Das Abwasser 1 strömt durch das Loch 25 in der Kathode. Ferner ist ein Mechanismus 29 zur Umwandlung der Drehbewegung des Motors 30 in eine lineare Bewegung unter

■i'i Geschwindigkeitsuntersetzung für die Vorschubbewegung der Elektrode vorgesehen.

Um nun den Spalt zwischen Anode 10 und Kathode 11 konstantzuhalten, wird der Spannungsabfall festgestellt und die Spannung derart eingestellt, daß die j gemessene Spannung einer Bezugsspannung im wesentlichen gleich ist. Dia festgestellte Spannung 31 (Vs) wird mit der Bezugsspannung (Vr) des Potentiometers 33 an der Stelle 34 verglichen, und der Differenzwert

*- Vr-Vs

wird durch den Verstärker 35 verstärkt, und der Ausging des Verstärkers dient zum Antrieb des Motors. Wenn bei diesem System die Bezugsspannung auf 20 Volt festgelegt wird, so wird die Spaltbreite derart konstantgehaiten, daß ein Spannungsabfall von 20 Volt zustande kommt

Bei einer praktischen Abwasserbehandlung wird das behandelte Abwasser, welches Aluminiumionen enthält gemäß Fig.6 in ein Gefäß 37 zur Abtrennung der Flocken von der übrigen Flüssigkeit überführt. In diesem Gefäß wird das flockulierte Material abgetrennt und es hinterbleibt ein sauberes Abwasser. Das Abwasser 1 wird über ein Rohr 36 dem Gefäß 37 zur Abtrennung der flockulierten Bestandteile von der

b5 Flüssigkeit zugeführt Bei der flockulierten Behandlung mit Ahiminhnnionen wachsen die Flocken an und werden auf Grund des Flotationseffektes von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, weiche bei der Elektrolyse

von Wasser in einem Elektrolysator 41 gebildet werden, flotiert. Dabei steigen die Flocken von den Elektroden 38 auf, weiche im Bodenbereich des Gefäßes 37 angeordnet sind. Eine Gleichstromquelle 39 dient zur Elektrolyse des Wassers. Die flotierten Flocken werden > vom klaren Abwasser in einer Abtrennkammer 42 abgetrennt, und das klare Abwassers wird am Boden dieser Kammer entlassen. Andererseits wird das flotierte flockige Material durch eine Abstelleinrichtung 7 von der Oberfläche der Flüssigkeit genommen. i<>

Vorstehend wurden Ausführungsformen beschrieben, bei denen Aluminiumionen als Flockulierungsmittel dienen und aus einer Aluminiumelektrode gebildet werden. Man kann je nach den Eigenschaften des Abwassers auch Eisenionen als Flockulierungsmittel !■> verwenden. In diesem Fall verwendet man eine Anode aus Eisen.

Im folgenden werden an Hand der Fig. 7 bis 13 weitere Vorrichtungen zur Regelung der Spaltweite erläutert, in F i g. 7 sind die durch die ilezugszeichen 1 -'< > bis 39 bezeichneten Bauteile mit den entsprechend bezeichneten Bauteilen der vorherigen Figuren identisch. Das Abwasser 5', welches Aluminiumionen enthält, wird durch die Leitung 40 dem Gefäß 37 zur Abtrennung der flockulierten Bestandteile durch Flota- r< tion zugeführt. In dem Elektrolysator 41 werden die verunreinigenden Bestandteile (gelöste Stoffe oder Schwebestoffe) mit den Aluminiumionen flockuliert und dann durch das an den Elektroden 38 gebildete Wasserstoffgas und Sauerstoffgas flotiert. Der Strom m für den Vorschub der Kathode wird von einer Dreiphasenwechselstromquelle 43 über die Kontakte 44 eines elektromagnetischen Schalters dem Wechselstrommotor 30 zugeführt. Die Erregerspule 45 dient zum Schalten der Kontakte 44. Ein Relais 46 schaltet )"> entsprechend der zwischen Anode 10 und Kathode 11 liegenden Spannung den Kontakt 47 ein bzw. aus. Wenn der Kontakt 47 eingeschaltet wird, so wird die Erregerspule 45 erregt und schaltet die Kontakte 44 ein, so daß der Motor 30 gestartet wird. Wenn der Kontakt -to 47 ausgeschaltet wird, so fällt auch der Kontakt 44 ab, und der Motor 30 wird gestoppt. Die Arbeitsweise zur Einstellung der Elektrode wird im folgenden an Hand der F i g. 8 bis 10 erläutert.

Fig.9 zeigt ein Kennliniendiagramm der Gleich- 4ί stromquelle 6 der Fig. 7. Hierbei handelt es sich um eine Kennlinie mit konstantem Strom. Wenn gemäß Fig. 9 die maximale Spannung unterhalb 50 Volt liegt, so wird der Strom auf einem konstanten Wert Λ Amp. gehalten, und zwar auch wenn der Spalt und demzufolge auch die Elektrodenspannung sich ändert. Der Arbeitspunkt P wird in vertikaler Richtung entsprechend der Spaltbreite und dem Widerstand des Spaltes bewegt Der spezifische Widerstand des Abwassers fluktuiert jedoch nicht, und demgemäß ändert sich der Widerstand im Spalt entsprechend der Spaltbreite bei konstanter Eiektrodenfläche. F i g. 8 zeigt ein Phasendiagramm der Spaltbreite (und damit auch der Spannung am Spalt) gegen die Zeit, wenn bei der in der Praxis verwendeten Apparatur gemäß F i g. 7 ein Strom fließt Wenn gemäß F i g. 8 die Spaltbreite 0,7 mm beträgt so beträgt die Spannung am Spalt in Position A 21 Volt Wenn nun in dieser Position A ein Strom fließt, so wird die Anode 10 je nach der Zeitdauer des Stromflusses aufgelöst und die Spaltbreite wird allmählich erhöht und die Spannung, welche der Spaltbreite entspricht, erreicht die Position B in Fig.8 (Spaltbreite 1 mm; Spannung 30 Volt). In der Position B wird das Relais 46 der F i g. 7 betätigt, und die Kontakte 47 werden geschlossen, und der Motor 30 wird angetrieben und verschiebt die Kathode 11 abwärts auf die Anode zu, wobei die Spaltbreite verringert wird. Wenn die Spannung bei einer Spaltbreite von 0,7 mm wieder 21 Volt erreicht, so wird das Relais 46 gemäß Fig. 7 betätigt, und der Kontakt 47 wird ausgeschaltet. Hierdurch wird die Verschiebung der Kathode 11 in Position C gemäß F i g. 8 gestoppt.

Wenn die Anode 10 nun wieder weiter aufgelöst wird, so wird die Spaltbreite und somit auch die Spannung am Spalt wieder erhöht und erreicht die Position D. Hierdurch wird wiederum die Kathode verschoben. Diese Verschiebungsbewegung endet, wenn die Position ^erreicht ist. Dieser Betrieb wird wiederholt, wobei die Spaltbreite stets zwischen 0,7 und 1,0 mm gehalten wird. Fig. 10 zeigt das Arbeitsdiagramm des Relais 46. In Fig. 10 bezeichnet ßden Zustand, bei dem der Kontakt

47 geschlossen wird, wenn am Relais 46 eine Spannung von JO Volt anliegt. Der Kontakt 47 bleibt geschlossen, bis die Spannung auf 70% des anfänglichen Wertes gemäß Position Cin F i g. 10 gesunken ist. In Position C wird der Kontakt ausgeschaltet. Der Kontakt 47 bleibt ausgeschaltet, bis die Spannung sich wieder von der Spannung C auf die Spannung D (30 Volt) erhöht. In Position D wird der Kontakt wieder eingeschaltet, und das Gan/.e wird wiederholt. Bei Verwendung eines Relais mit einem derartigen Ein- und Ausschalt-Verhalten, welches auf eine gewünschte Einschaltspannung und Ausschaltspannung anspricht, kann die Spaltbreite ohne Schwierigkeiten aufrechterhalten werden. Wenn der Unterschied zwischen der Einschaltspannung und der Ausschaltspannung verkleinert wird, so kann die Änderung der Spaltbreite während des Regelvorganges verringert werden. Durch Wahl der Einschaltspannung kann die Spalt weite festgelegt werden.

Es ist ferner möglich, eine Ein-Aus-Steuerung zur Verschiebung der Kathode zu verwenden, bei der ein Relais mit der Charakteristik gemäß Fig. 10 zusammen mit einer Gleichstromquelle 6 mit konstanter Spannungscharakteristik gemäß Fig. 13 zu verwenden ist. Diese Ausführungsform soll im folgenden erläutert werden. Fig. 11 zeigt eine nach diesem Prinzip arbeitende Vorrichtung. Ein Nebenschlußwiderstand 48 (kleiner Widerstand) liegt in Reihe zur Anode. Die Spannung V(V = Ir) ist proportional der Stromstärke / des durch den Draht 27 fließenden Stroms. Diese Spannung liegt an beiden Enden des Widerstands 48 an. Dieser Widerstand soll mit r bezeichnet werden. Die Spannung wird durch das Relais 46 festgestellt. Fig. 12 zeigt ein Phasendiagramm der Spaltbreite und des durch den Spalt fließenden Stroms gegen die Zeit. Die Änderung des Stroms entspricht der Änderung der Spannung, welche an beiden Enden des Widerstands 48 anliegt Wenn ein Strom von 1400 A durch den Spalt fließt (0,7 mm Spaltbreite), so wird gemäß Position A die Anode aufgelöst und rwar je nach der Zeitdauer der anliegenden Spannung. Dabei wird die Stromstärke allmählich gesenkt da die Spannungsquelle eine konstante Spannung liefert. Die Stromstärke erreicht einen Wert von 1000 A (1 mm Spaltbreite) und somit die Position B. Die zwischen beiden Enden des Widerstands

48 anliegende Spannung wird entsprechend der sinkenden Stromstärke gesenkt Der Kontakt 47 ist geöffnet während die Stromstärke (von 1400A auf IwOO A) sinkt. Sobald eine der Stromstärke von 1000 A entsprechende am Widerstand abfallende Spannung vorliegt wird der Kontakt geschlossen und der Motor

30 wiru angetrieben, wodurch die Spaltweife wieder verringert wird und die Stromstärke erhöht wird. Dabei gelangt man zur Position C in Fig. 12 in der die Spaltbreite wieder 0,7 mm und die Stromstärke 1400 A beträgt. Fig. 14 zeigt ein Arbeitsdiagramm für die Hysteresencharakteristik des Relais 46 und des Kontakts 47. Die Werte an den einzelnen Positionen entsprechen denjenigen der F i g. 12.

Das System, bei dem die Spannungsquelle konstantgehalten wird, ist in Verbindung mit Transformator und Gleichrichter äußerst wirtschaftlich.

Im folgenden wird eine weitere Ausführungsform an Hand der Fig. 15 erläutert, welche eine vergrößerte Detailansicht der Vorrichtung gemäß Fig.6 zeigt. In F i g. 6 ist dier.er Teil der Vorrichtung von einer gestrichelten Linie umgeben. Diese Ausführungsform dient dazu, die Ausbildung einer passivierenden Membran auf der Anode zu verhindern. Eine solche passivierende Membran bildet sich insbesondere auf einer Anode aua Aluminium und ist weder durch die rasche Strönvng des Abwassers noch durch mechanische Einwirkungen entfernbar. Diese Membran wird erfindungsgemäß elektrochemisch aufgelöst indem man die Elektrolyse durchführt, während eine saure oder alkalische Lösung an Stelle des Abwassers 1 durch den Spalt fließt. Es soll nun zunächst angenommen werden, daß in Fig. 15 die Ventile 48 und 49 geschlossen sind und die Ventile 50 und 51 geöffnet sind und daß die Pumpe 52 betätigt wird und eine wäßrige Lösung von Natriumhydroxid 54 vom Tank 53 in Strömungsrichtung 55 durch den mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Elektrolysator 15 treibt. Dabei wird die Membran aufgelöst und entfernt. Andererseits kehrt die wäßrige Lösung des Natriumhydroxids zum Tank 53 zurück. Die Menge an wäßriger Lösung von Natriumhydroxid, welche den Elektrolysator durchfließt, kann recht klein sein. Man kann den gleichen Effekt erzielen, wenn man eine saure Lösung, wie z. B. eine Chromsäure-Phosphorsäure-Mischung oder Salzsäure oder in einigen Fällen auch ein organisches Lösungsmittel an Stelle des Natriumhydroxids verwendet.

An Hand der Fig. 16 soll im folgenden eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert werden. Sie umfaßt eine Hauptleitung 57' für das Abwasser 1 mit der Strömungsrichtung Γ, eine Nebenleitung 58 für Abwasser 59, einen Elektrolyttank 60 aus dem ein Elektrolyt wie Natriumchlorid, Natriumhydroxid od. dgl. dem abgezweigten Abwasser 59 zugesetzt wird, um den spezifischen Widerstand zu verringern; eine Pumpe 61 und einen Elektrolysator 15 (geschlossener Typ). Die Anode 10 besteht aus Aluminium oder Eisen und die Kathode 11 aus Edelstahl oder einem anderen leitfähigen Material. Die Elektrolyse wird in dem Hochgeschwindigkeitselektrolysator 15 durchgeführt Die während der Elektrolyse gebildeten und die Elektroden verunreinigenden Materialien werden durch das mit großer Strömungsgeschwindigkeit durch den Spalt fließende abgezweigte Abwasser 59 ausgewaschen, so daß die Elektrodenoberflächen saubergehalten werden. Hierdurch wird die Polarisation kleingehalten. Darüber hinaus ist der spezifische Widerstand des abgezweigten Abwassers 59 wegen der Zugabe des Elektrolyten gering. Demgemäß ist es möglich, unter geringer Spannungsbeaufschlagung und bei hoher Stromdichte und hoher Stromkonzentration zu elektrolysieren, so daß die Elektrolyse bei einer Stromdichte von 10 bis 100 A/dm² und bei einer Stromkonzentration von 10—50 A/l durchgeführt wer

den kann. Da abgezweigtes Abwasser 59 als Elektrolytlösung verwendet wird, kann die Menge des zur Verbesserung des spezifischen Widerstands zugesetzten Elektrolyten klein sein. Das elektrolytisch behandelte Abwasser 5" wird mit dem Hauptabwasser Γ vereinigt, wodurch die kolloidale Suspension im Hauptabwasser Γ auf Grund des elektrochemischen Effektes der Aluminiumionen flockuliert wird. Der elektrochemische Effekt der Aluminiumionen im behandelten Abwasser 5" auf die kolloidale Suspension währt lediglich mehrere Minuten. Dieser Effekt nimmt danach rasch ab. Um dies zu verhindern, wird eine kleine Menge Schwefelsäure oder Salzsäure aus einem Tank 62 dem elektrolytisch behandelten Abwasser 5' zugesetzt, wodurch das Abwasser geklärt wird, ohne daß der elektrochemische Effekt der Aluminiumionen auf die kolloidale Suspension abnimmt. Bei dieser Ausführungsform kann bei kurzem elektrolytischem Betrieb schon eine gewünschte hohe Konzentration an Aluminiumionen erzielt werden.

Im folgenden wird an Hand der Fig. 17 eine weitere Ausführungsform erläutert. Bei dieser Ausführungsform wird das Abwasser in einem Elektrolysator 15 mit hoher Geschwindigkeit behandelt, wobei Wasserstoffgas 61Ϊ an der Kathode 11 entwickelt wird und für die Flotation der gebildeten Flocken verwendet wird. Hierdurch wird die Größe der im Elektrolysator gebildeten Flocken verbessert. Das während der Elektrolyse gebildete Wasserstoffgas 68 wird zusammen mit dem behandelten Abwasser 5' einem Flockulator 67 zugeführt. Mittels einer Pumpe 66 wird eine polymere Flockulierhilfe 65 zugesetzt. Das behandelte Abwasser wird dem Gefäß 37 zur Abtrennung der gebildeten Flocken durch Flotation zugeführt, indem die an die Oberfläche gestiegene Flockenmasse 8 mittels einer Abstreifvorrichtung 7 abgestreift wird. Das bei der Elektrolyse gebildete Gas 68 dient in wirksamer Weise zur Flotation. Die Funktion der Flockuliereinrichtung 67 besteht darin, die unlösliche Suspension des Abwassers durch bei der Elektrolyse gebildete Aluminiumionen zu großen Flocken zu aggregieren und für ein Wachstum dieser Flocken zu sorgen. Darüber hinaus lagert sich das Gas 68 an die Flocken an, so daß ein guter Flotationseffekt in der nachfolgenden Stufe erzielt wird. Der Flockulaicr 67 sollte gasdicht gehalten werden. Das behandelte Abwasser wird vom Boden her nach oben geführt, so daß eine Abtrennung des Gases, welches bei der Elektrolyse entwickelt wurde, von dem behandelten Abwasser verhindert wird. Diese Ausführungsform hat die folgenden Vorteile. Das bei der Aluminiumelektrolyse des Abwassers als elektrolytische Lösung entwickelte Gas (in der Hauptsache an der Kathode entwickeltes Wasserstoffgas) dient vollständig der Flotation der gebildeten Flocken. Die Elektrolyse zur Bildung von Aluminiumionen und die Flotationstrennung werden in verschiedenen Apparaturen durchgeführt, welche durch den Flockulator 67 getrennt sind. Daher wachsen die feinen Flocken zu großen Flockenaggregaten und werden leicht flotiert und abgetrennt. Um das Wachstum der feinen Flocken zu unterstützen und ihnen mechanische Stabilität zu verleihen, wird eine polymere Flockulierhilfe zugegeben.

Im folgenden wird an Hand der F i g. 18 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Die Polymerflockuiierhilfe 65 sollte entsprechend der Henry-Regel durch die Pumpe 66 unter hohem Druck eingeführt werden. Wenn eine relativ große Menge unlöslicher Suspensionsteilchen im

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Abwasser enthalten sind, so wird eine große Flockenmenge gebildet. In diesem Fall ist es erforderlich, die Menge an Gas für die Flotation der Flocken zu erhöhen. Es reicht nicht aus, nur das im Hochgeschwindigkeitselektrolysator 15 entwickelte Gas zu verwenden. Im vorliegenden Fall ist eine Apparatur für die Zugabe zusätzlichen Gases zur Elektrolytlösung vorgesehen, um die Flotation zu vervollständigen. Das durch die Rohrleitung 73 mittels der Pumpe 69 geförderte Abwasser wird durch eine Nebenleitung 74 abgezweigt und einem Luftflüssigkeitsmischer 71 (Ejektor) zugeführt Die gebildete Mischung wird durch eine Rückführleitung 75 zur Pumpe 69 zurückgeführt, so daß man ein Abwasser Γ mit hohem Luftgehalt erhält Diese im Abwasser enthaltene Luft unterstützt die Flotation der gebildeten Flocken, wenn die Wirkung des im Hochgeschwindigkeitselektrolysator 15 entwickelten Gases nicht ausreicht. Wenn als Pumpe 69 eine Turbinenpumpe verwendet wird, so wird ein Druck von etwa 5 kg/cm² ausgeübt, und das Volumen der Luft 72, welche angesaugt wird, liegt vorzugsweise im Bereich des Wasservolumens (Lj )/Luf'.volumen G> 35. Wenn L\/G<35 ist, so muß zuviel Luft angesaugt werden. Die Ventile werden zur Steuerung des Verhältnisses L\IC verwendet Falls in dem dem Elektrolysator 15 untei Druck zugeführten Abwasser Luft enthalten ist, se strömt das Abwasser in turbulenter Strömung als Elektrolytlösung durch den dünnen Spalt zwischen der Elektroden. Demgemäß wird eine Kavitation verhindert Der Flockulator sollte geschlossen und für kontinuierlichen Betrieb geeignet sein. Das behandelte Abwasser steht unter hohem Druck, so daß das bei der Elektrolyse entwickelte Gas und die im Gasflüssigkeitsmischer zugemischte Luft aufgelöst werden. Das aufgelöste Gas bildet feine Bläschen im Gefäß zur Flotationsabtrennung, so daß Flocken aller Größen der Flotation unterworfen werden. Das geklärte Abwasser ist frei von feinen Flocken und wird abgelassen. Darüber hinaus steht genügend Zeit für ein Wachsen der feinen Flocken zur Verfügung. Zur Verhinderung einer Kavitation an der Oberfläche der Elektroden kann man die Luft dem Abwasser im Gas-Flüssigkeits-Mischer unter hohem Druck zumischen und demzufolge eine gleichförmige Auflösung des Aluminiums an der Anode und eine stabile Elektrolyse erzielen.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur elektrolytischen Abwasserbehandlung mit einer Anode aus einem sich während der Elektrolyse unter lonenbildung auflösenden Material, vorzugsweise aus Aluminium oder Eisen, durch welches die Schmutzstoffe im Abwasser flockulierbar sind, gekennzeichnet durch einen dünnen Spalt (12) mit 0,1 bis 10 mm Spaltweite zwischen Anode (10) und Kathode (11), durch welchen das Abwasser als Elektrolytlösung zwangümäßig mit einer hohen, mehrere 10 m/s aufweisenden Strömungsgeschwindigkeit hindurchführbar i«t und eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Weite des dünnen Spaltes (12) zwischen den Elektroden während der Elektrolyse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweite weniger als I mm beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) einen Durchgang (25) zur Zufuhr des Abwassers zum Spalt

(12) aufweist, welcher sich vorzugsweise in vertikaler Richtung erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Weite des dünnen Spaltes (12) mindestens ein an der Kathode (11) befestigtes Abstandselement (13, 13', 13") aus einem elektrischen Isolator umfaßt

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstündseleruente (13, 13', 13") über die Anodenoberfläcl.e bewegbar sind, so daß Schmutzablagerungen von der \nodenoberfläche abstreifbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (13) sich in radialer Richtung erstrecken.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente

(13) als langgestreckte Körper mit einer Abstreilikante ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (13', 13") als in Nuten der Kathode (11) sitzende zylindrische Körper oder als in Vertiefungen der Kathode (11) sitzende kugelförmige Körper ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer im wesentlichen konstanten Weite des dünnen Spaltes (12) als Servoeinrichtung ausgebildet ist, welche ein Gerät zur Feststellung des elektrischen Zustandes des Spaltes (12) umfaOit sowie eine Einrichtung zur Bewegung der Kathode und/oder der Anode unter Aufrechterhaltung des elektrischen Zustandes des Spaltes (12).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Messung des Spannungsabfalls über den Spalt (12) und durch eine Einrichtung zum Vergleich des gemessenen Spannungsabfalls mit einer Referenzspannung und durch eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Bewegung der Kathode (11) und/oder der Anode (10) unter Aufrechterhaltung eines konstanten Spannungsabfalls.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung zur intermittierenden

Verschiebung der Kathode (11) zur Aufrechterhaltung eines vorbestimmten Bereichs der Spaltweite.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein Relais (46) zur Feststellung von Spannungsschwankungen, welches umschaltbar ist, wenn die gemessene Spannung einen vorbestimmten Grenzwert erreicht und durch einen entsprechend der Schaltstellung des Relais (46) betriebenen Motorantrieb,

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Stromquelle (6) konstanter Stromstärke in Reihe zur Anode (10) und Kathode (11).

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch ein Relais (56), welches bei vorbestimmten Spannungswerten ein- und ausschaltbar ist

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Messung von Stromschwankungen im Spalt (12).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle (6) konstanter Spannung, weiche einerseits mit der Kathode (11) und andererseits über einen parallel zu einem Relais (46) liegenden Widerstand (48) mit der Anode (10) verbunden ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Durchleiten einer sauren Lösung oder einer alkalischen Lösung oder eines Lösungsmittels durch den dünnen Spalt (12) unter Elektrolyse zur Entfernung einer passivierenden Membran von der Anodenoberfläche.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Ventile zum wahlweisen Schließen und öffnen des Abwassereinlasses und des Abwasserauslasses und durch einen Hilfskreislauf mit einem Tank (53) für die saure oder alkalische Lösung (54), einer Pumpe (52) und Ventilen (50,51).

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolysengerät (15) in einer Nebenstromrohrleitung (58, 61) zur Abzweigung eines Teils des Abwassers von der Hauptabwasserleitung (57) liegt und daß eine Einrichtung zum Einleiten eines Elektrolyten in das abgezweigte Abwasser vor dessen Eintritt in das Elektrolysengerät (15) vorgesehen ist sowie eine Einrichtung zur Einleitung einer sauren Lösung in das Abwasser nach der Vereinigung des Abwassers der Hauptabwasserleitung (57) mit dem elektrolytisch behandelten abgezweigten Abwasser (5").

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Flockungskammer (67) stromab von dem Elektrolysengerät (15), durch welche das elektrolytisch behandelte Abwasser vom Boden zum Kopf aufsteigend fließt, gegebenenfalls nach Zugabe eines polymeren Flockungsmittels.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Zumischung eines Gases zum Abwasser.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch einen Ejektor (71) für die Gaszumisehung in einer Nebenstromleitung (74,75) zur Hauptstromleitung (73) des Abwassers stromauf vom Elektrolysengerät (15).