DE2827151C2

DE2827151C2 - Verfahren zur Wasserbehandlung mittels Ozon

Info

Publication number: DE2827151C2
Application number: DE2827151A
Authority: DE
Inventors: Arnold 4150 Krefeld-Bockum Gietmann; Ortwin Dr. 4044 Kaarst Leitzke
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1978-06-21
Filing date: 1978-06-21
Publication date: 1982-05-06
Also published as: DE2827151A1; BE877162A; IT1121576B; FR2429187B1; GB2023565A; NL7904607A; ATA373779A; IT7923573A0; JPS553894A; GB2023565B; JPS6210713B2; FR2429187A1; US4252654A; AT363866B; ES481711A1

Description

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Ozon ist ein vorzügliches Oxidationsmittel zum Abbau von unerwünschten Wasserinhaltsstoffen. Es muß aber mit einem hohen Enei_oieaufwand aus Luft oder aus reinem Sauerstoff erzeugt werden, bevor es, in Lösung gebracht, mit den Schadstoffen im Wasser reagieren kann. Die Lösung des Ozons im Wasser ist ziemlich schwierig und erfordert einen hohen Aufwand an Betriebs- und Kapitalkosten. Die Schwierigkeiten bestehen vor allem darin, daß Ozon, unter anderem aus Sicherheitsgründen, nur als Gemisch mit anderen Gasen verwendet werden kann. Übliche Luft-Ozon-Gemische enthalten beispielsweise nur 1-2 Gew.-% Ozon. Die Auswaschung des Ozons aus solchen Gemischen ist sehr « aufwendig. Günstiger sind dagegen Verfahren, bei denen das Ozon aus reinem Sauerstoff hergestellt wird, da hierbei von vornherein höhere Ozonkonzentrationen erreicht werden. Nachteilig ist hierbei allerdings, daß das Ozon nicht aus der kostenlos zur Verfügung v> stehenden Luft, sondern aus Sauerstoff gewonnen werden muß. Wirtschaftlich arbeiten daher nur solche Verfahren dieser Art, bei denen der im Ozon-Sauerstoff-Gemisch enthaltene Sauerstoff nicht verlorengeht, sondern in irgendeiner Form wieder verwendet werden kann. Die Erfindung geht daher von einer derartigen Verfahrensweise aus. .

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 25 56 328 bekannt Bei diesem Verfahren wird Ozon in hohen Konzentrationen aus Sauerstoff gewonnen. Ein Teilstrom des zu behandelnden Wassers wird in einer Füllkörperkolonne mit dem Ozon-Sauerstoff-Gemisch in Kontakt gebracht In der Füllkörperkolonne wird fast das gesamte Ozon, sowie ein Teil des Sauerstoffs im Wasser gelöst. Der nicht gelöste Sauerstoff wird aus dem Kolonnenkopf abgezogen und dem Ozonerzeuger wieder zugeführt

Der hoch mit Ozon beladene Teilstrom des

Abwassers wird am Fuß der Kolonne abgezogen und mit der aufzubereitenden Wassermenge vermischt Zur Abwasseraufbereitung kann auch die Gesamtwassermenge über die Kolonne, die dann gleichzeitig Absorptions- und Reaktionsraum ist, gepumpt werden. Die Wassermenge, die über die Kolonne geführt wird, rich?« sich nach dem Ozon- und Sauerstoffbedarf der gesamten aufzubreitenden Wassermenge.

Die Lösung des Oions in der Füllkörperkolonne erfolgt unter Druck, wobei der Druck durch Komprimieren des Gases mit einem Wasserringkompressor aufgebaut wird und bei niedriger Temperatur in der Kolonne gearbeitet wird, um sowohl die Löslichkeit des Ozons im Wasser zu steigern, als auch den prozentualen Anteil des Stickstoffs im Kreislaufgas auf ein für die Ozonerzeugung günstiges Maß abzusenken. Falls das zu behandelnde Wasser nicht schon unter einem genügend hohen Druck steht, muß auch dieses, bzw. ein Teilstrom von ihm, mit einer Pumpe auf den Kolonnendruck gebracht werden.

Zwischen dem nicht im Wasser gelösten Sauerstoff und dem Stickstoff, der dem Wasser entgast stellt sich im Kreislaufgas, welches dem Ozonerzeuger wieder zugeführt wird, ein Gleichgewicht ein. Das Gleichgewicht wird entsprechend dem Stickstoffsättigungsgrad des Wassers und dem daraus resultierenden Gaspartialdruck durch den fCoIonnendruck so reguliert daß für den Ozonerzeuger optimale Betriebsbedingungen bestehen.

Die Vorteile des bekannten Verfahrens bestehen in der fast hundertprozentigen Ozonabsorption, in der Stickstoffreduzierung im Kreislaufgas, den geringen Gastrocknungskosten und der Verdoppelung der Ozonmenge und Ozonkonzentration durch Verwendung von Sauerstoff statt Luft bei gleichem Energieverbrauch. Der geringere Energieverbrauch für die Trocknung gegenüber anderen Sauerstoff- und Lötverfahren erklärt sich daraus, daß das nasse Kreislaufgas, bedingt durch den höheren Kolonnendruck, sein Betriebsvolumen und damit auch die mitgeführte und von der Trocknungsanlage zu adsorbierende Wassermenge verkleinert hat

Andere bekannte Verfahren, bei denen das Ozon mit Turbinen, Tauchbelüftem, Filterkerzen oder Injektoren in Lösung gebracht wird, erreichen nicht einen so hohen Ozonabsorptionsgrad wie das aus der DEOS 25 56 328 bekannte Verfahren. Dennoch hat auch dieses Verfahren einige Schwachstellen. Es sind dies die hohen Investitionskosten für die Füllkörperkolonne, die wegen der Aggressivität von Ozon aus V4A-Stahl hergestellt werden muß. Die Dichtung und Wasserstandsregelung für den Wasserringkompressor ist sehr aufwendig. Die abdichtenden und rotierenden Teile des Wasserringkompressors verschleißen stark.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schwachstellen des bekannten Verfahrens zu verbessern und dadurch ein Verfahren zur Wasserbehandlung, sowohl zur Aufbereitung von Trinkwasser als auch zur Abwasserreinigung, mit aus reinem Sauerstoff erzeugtem Ozon zu schaffen, welches durch seinen hohen Nutzungsgrad des Sauerstoffs und des Ozons den bisher bekannten Verfahren zur Wasserbehandlung mit Ozon in der Wirkung und in der Wirtschaftlichkeit überlegen ist

Es wurde nun ein Verfahren zur Wasserbehandlung, insbesondere zur Trinkwasseraufbereitung und zur Abwasserreinigung, bei dem zur Oxidation unerwünschter Wasserinhaltsstoffe und zur Verbesserune der

Ausflockung solcher Stoffe zumindest ein Teilstrom des zu behandelnden Wassers in einer Füllkörperkolonne unter Druck mit einem Ozon-Sauerstoff-Gemisch aus einem Ozonerzeuger in Kontakt gebracht wird, wobei das Ozon und ein Teil des Sauerstoffs im Wasser gelöst '< und der nichtgelöste Sauerstoff zum Ozonerzeuger zurückgeführt und das mit Ozon und Sauerstoff beladene Wasser aus der Kolonne abgeführt wird, gefunden, bei dem gemäß der Erfindung von dem der Füllkörperkolonne zugeführten Wasser ein Teilstrom abgezweigt und durch einen Wasserstrahl-Gasverdichter geleitet wird, in wslchem das Ozon-Sauerstoff-Gemisch aus dem Ozonerzeuger angesaugt, verdichtet und mit dem Teilstrom vermischt wird, wonach das Gemisch aus Wasser, Ozon und Sauerstoff in den Fuß der Füllkörperkolonne geleitet wird.

Vorzugsweise steht das den Wasserstrahl-Gasverdichter verlassende Gemisch aus Wasser, Ozon und Sauerstoff mindestens unter einem Druck von 3 bar. In der Füllkörperkolonne herrscht dann ebenfalls ein Druck von mindestens 3 bar und der Stickstoffanteil im Kreislaufgas übersteigt nicht 27 Vol-%. Die '.erteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen zunächst in einer Verringerung der Investitionskosten, da ein Wasserstrahl-Gasverdichter wesentlich billiger ist als ein Wasserringkompressor mit seiner aufwendigen Regelung für das Sperr- und Betriebswasser. Die verschleißanfälligen rotierenden Teile für die Gaskompression entfallen völlig. Überraschenderweise werden jedoch auch die Investitionskosten für die Füllkörperkolonne zur Ozonabsorption verringert Der Wasserstrahl-Gasverdichter wirkt nämlich entsprechend einer theoretischen Absorptionsstufe, so daß in der Kolonne ein theoretischer Boden eingespart werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der gesamte Druck für die Füllkörperkolonne, also sowohl für das Kolonnenwasser, als auch für die Gaskompression, mit nur einem Aggregat, nämlich einer verschleißarmen Wasserpumpe, erzeugt Steht das Rohwasser bereits unter genügend hohem Druck, so kann selbst diese Pumpe eingespart werden. Das Wasser für den Kolonnenkopf und den Wasserstrahl-Verdichter wird dann vom Druckrohwasser abgezapft

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in einem wesentlich verbesserten Teiüastverhaken gegenüber dem Verfahren der DE-OS 25 56 328. Wird nämlich eine Füllkörperabsorptionskolonne für Ozon mit einem Wasserstrom weit unter Flutpunkt berieselt, so läßt ihre Ozonabsorptionswirkung entschieden »ach. Dieses Verhalten im so Teillastbereich führ zu einer Sauerstoffübersättigung des gesamten aufzubereitenden Wassers, wenn dessen Ozonehrung unter 5 g/m³ liegt Diese Gefahr der Sauerstoffübersättigung besteht bei anderen bekannten Verfahren, z. B. bei dem der AT-PS 2 07 774, sogar im VoUastbereich, wenn das Verhältnis von Haupt- zu Teilwasserstrom klein ist

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Teilwasserstrom dagegen variiert werden, ohne daß es zu einer Sauerstoffübersättigung des gesamten aufzube- m> reitenden Wasser kommt Gleichzeitig wird der Ozonabsorptionsgrad des Kombinationssystems Wasserstrahl-Gasverdichter und Füllkörperkolonne konstant hoch auf 94 bis 993% gehalten. Dies wird im folgenden Verglf ichibeispiel näher erläutert.

Ist z. B. die Aufgabe gestellt, 800 mVh Wasser mit 1 kg Ozon zu oxidiert d. h. hat das Wasser eine Ozonzehrungsrate von 1,25 g/m³, so können nach dem Verfahren der DE-OS 25 56 328 in einer Füllkörperkolonne bei einem Druck von /j=5bar absolut, einer Wassertemperatur von r=20°C, einer theoretischen Bodenzahl von ß<=7, einem Absorptionsfaktor Af-1,7 und einem Volumen des Berieselungswassers von 12,4 mVh 98,8% der produzierten Ozonmasse von 1 kg gelöst werden.

Gleichzeitig werden in der Füllkörperkolonne von dem 12,4 m³ Berieselungswasser bei p=5bar absolut 1,603 kg Sauerstoff gelöst Von den gelösten 0388 kg Ozon reagiert bei Zerfall nur der atomare Sauei-stoff, die freiwerdenden zwei Drittel MoI Ozonsauerstoff gehen in Lösung und sind der zuvor gelösten Sauerstoffmenge hinzuzurechnen, so daß sich insgesamt ergeben:

(0,659 + 2,603) kg O₂=3,262 kg O₂.

Diese Sauerstoffmenge verteilt sich nach der Vermischung mit dem Hauptwasserstrom auf insgesamt 812,4 m³ Wasser, so daß sich im aufbereiteten Wasser eine Aufstockung der Sauerstofifconzentration von 4 g/m³ ergibt, wobei die natürliche Sauerstoffzehrung des Wassers unberücksichtigt ist

Sollen im Teilbereich mit der gleichen Anlage z. B. nur 200 mVh Wasser mit der gleichen Ozonzehrungsrate aurbereitet werden, so müssen nur 250 g/h Ozon produziert werden. Diese Ozonmenge kann unter den gleichen Bedingungen, wie im vorherigen Beispiel von 12,4 m³ Wasser zu 99,2% gelöst werden.

Dabei geht aber die gleiche Sauerstoffmenge, nämlich 2,603 g, in Lösung. Berücksichtigt man wieder den Ozonzerfall, so sind insgesamt in dem Teilstrom 2,768 kg Sauerstoff in Lösung, die sich nach der Vermischung auf 212,4 m³ Wasser verteilen. Es ergibt sich eine Aufstockung der Sauerstoffkonzentration um 13 g/m³. Dieser Wert liegt über dem Sättigungswert und führt zur Sauerstoff entgasung.

Diese Nachteile treten bei dem erfindungsg-emäßen Verfahren nicht auf. Soll die gleiche Wassermenge von 800 mVh mit der gleichen Ozonzehrungsrate, wie in dem vorhergesehenen Beispiel aufbereitet werden, so wird 1 kg Ozon benötigt, wobei bei einem Austrittsdruck des Wasserstrahl-Gasverdichters von /*=5bar absolut, einer Temperatur von 20° C einem Ozonabsorptionsfaktor von Ar— 1 und einem Treibwasservolumen von 7,4 m³/h 50% des produzierten Ozons in Lösung gehen. Gleichzeitig gehen bei diesen Bedingungen 0,761 kg Sauerstoff in Lösung. Die restliche Ozonmenge wird in der Füllkörperkolonne mit einem Rieselwasservolumen von 1,2,4 m³/h bei einem Druck von 5 bar absolut einer Temperatur von 20⁰C und einem Ozonabsorptionsfaktor von Ai= 1,8 zu 993% ausgewaschen. Gleichzeitig gehen auch wieder 2,603 kg Sauerstoff in Lösung. Werden die gelösten Ozonmengen addiert so ergibt sich ein Gesamtozonabsorptionsgrad von 99,6%. Addiert man die gelösten Sauerstoffmengen und berücksichtigt wiederum den Ozonzerfall, so ergibt sich eine gelöste Gesamtsauerstoffmenge von 4,028 kg. Diese verteilen s'.h auf ein Gesamtwasservolumen von 8193 m³, so daß sich eine Aufstockung der Sauerstoffkonzentration von 5 g/m³ im Wasser ergibt

Sollen wiederum nur 200 mVh Waster aufbereitet werden, so bleibt das Volumen des Treibwassers für den Wasserstrahl-Gasverdichter konstant auf 7,4 mVh, das Volumen des Benc3elungswassers wird auf 2,? mVh verringert Unter sonst gleichen Bedingungen für Druck und Temperatur und einer Änderung des Absoqrtionsfaktors auf Af 4 am Wasserstrahl-Gasverdichter

erhöht sich der Absorptionsgrad für Ozon und Sauerstoff auf 80%.

Der Absorptionsgrad für Sauerstoff in der Kolonne ändert sich nicht, durch das geringere Wasservolumen wird aber weniger Sauerstoff gelöst. Der Absorptionsgrad für Ozon geht allerdings auf 90% zurück. Betrachtet man jetzt die gesamten Mengen an gelöstem Ozon, so erhält man 244 g gelöstes Ozon, d. h., der gesamte Absorptionsgrad bleibt auf einem hohen Niveau von 97,6%. Betrachtet man die gesamte

Heispiel von Ozon- und SauerstofTabsorption

Sauerstofflösung, nämlich 1,218 kg im Wasserstrahl-Gasverdichter, 0,466 kg aus der Kolonne und 0,163 kg aus dem Ozonzerfall, so ergeben sich insgesamt 1,847 kg gelöster Sauerstoff, die sich auf eine Gesamtwassermenge von 209,6 m³ nach der Vermischung verteilen und zu einer Aufstockung der Sauerstoffkonzentration um 8,8 g/m¹ führen. Dieser Wert liegt unterhalb der Sättigungsgrenze. Die Ergebnisse der Beispiele sind in der nachstehenden Tabelle einander gegenübergestellt.

II) I)I.OS 25 56.128

Anmeldung	2(K)
800	1.25
1.25	0.25
1	4
I	7,4
7.4	S
5	80
50	80
50	0.2
0.5	1.218
0.761	1.8
1.8	2.2
12.4	5
5	90
99.3	100
100	0.044
0.496	0.466
2,M)3	0.244
0.996	97.6
99.6	1.684
3.364	1,684
3,364	0.163
0,664	1,847
4,028	209.6
819.8	8.8
5

Wasserstrahl-Gasvcrdichter

Aufzubereitendes Wasservolumen in mVh

O/on/.ehrung in g/m'

/u produzierende Ozonmasse in kg/h

Ozonabsorptionslaktor A, I Treibwasservolumen in mVh Austrittdruck in bar absolut

Absorptionsgrad in % für O₁
für O_:

absorbierte Masse in kg

Tür O,
¹ für ()_:

ι O/onahsorptionsfaktor A₁ K ■ H'jneselungswasser in m'/h i Koliintiendrutk in bar absolut

Xhsorptionsgr.ul in ^K"'"ⁿⁿ- ' hiri)

tür O

iiihscrbicrte Masse in ky fur O
lurO,

Summ·: absorbierte Masse

für O in kg
für O₅ in \
für O- in kg

Tür O_r

Tür Oj-Zerfall

Tin kg

Gesamt Wasservolumen in mVh

Konzentrationsaufstockung von Sauerstoff/Wasser in g/m' 800

1.25

200
1.25
0.25

1.7	1.8
12.4	12.4
%	5
^l)8, 8	99.2
K)O	100
(1.988	0.248
2.603	2.603
0.988	0.248
98.8	99.2
2.603	2.603
2,603	2,603
0.659	0,165
3.262	2,768
812.4	212.4
4	13

Hieraus geht hervor, daß mit dem erfindungsjemäßen Verfahren, im Gegensatz zum Stand der Technik, auch im Teillastbereich mit hohem Wirkungsgrad gearbeitet werden kann. Hierbei kann der Absorptionsfaktor für den Wassersirahi-Gasverdichter einen Wert zwischen Ar= 1 und Ar= 5 und für die Ozonabsorptionskolonne einen Wert von Ar= 1 bis Ar=Z haben. Hierbei bleibt durch die Kombination der Absorptionsfaktorwerte für Wasserstrahl-Gasverdichter und Kolonne der gesamte hohe Ozonabsorptionsgrad zwischen 94 und 993% erhalten, auch wenn der Gesamtwasserteilstrom in weiten Yohiincngrenzsn variiert wird Jegliche Sauerstoffübersättigung über 10 mg/1 im gesamten aufzubereitenden Wasser, das eine Ozonzehrung bis

5 mg/1 haben kann, wird zudem vermieden.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird durch die Zeichnung in schematischer Form veranschaulicht.

Die Strömungsrichtungen sind in der Zeichnung durch im einzelnen nicht bezeichnete Pfeile dargestellt worden. Das in die Anlage eintretende Rohwasser ist mit I, das die Anlage verlassende Reinwasser mit 2 bezeichnet worden. Von dem Reinwasser 2 wird ein Teilstrom abgezweigt, in welchem in der Füllkörperkolonne 4 Ozon und Sauerstoff gelöst werden sollen.

Der Teilstrom 3 kann auch vom ftohwasser 1 abgezweigt werden. Mittels der Druckerhöhungspumpe 5 wird der Druck des Teilstroms 3 erhöht. Hinter der Druckerhöhungspumpe 5 wird der Teilstrom 3 in zwei weitere Teilströme 6, 7 aufgeteilt. Der Teilstrom 6 wird direkt auf den Kopf der Füllkörperkolonne 4 gegeben. Der Teilstrom 7 durchströmt den Wasserstrahl-Gasverdichier 8 und saugt in diesem ein Ozon-Sauerstoff-GemUrn au«

O7r>npr7?iicrpr Q an

stoff-Wassergemisch 10, welches auf diese Weise gebildet wird, wird in den Fuß der Füllkörperkolonne 4 eingeleitet. Die Druckerhöhung mittels der Druckerhöhungspumpe S muß so groß sein, daß genügend Ozon-Sauerstoff-Gemisch aus dem Ozonerzeuger 9 angesaugt werden kann und hinter dem Wasserstrahl-Gasverdichter 8 das Ozon-Sauerstoff-Wasser-Gemisch mindestens einen Druck von 3 bar hat. In der Füllkörperkolonne 4 herrscht dann ebenfalls ein Druck von mindestens 3 bar und der Stickstoffanteil im Kreislaufgas kann 27 Vol-% nicht übersteigen.

Kin Teil des im Wasserstrahl-Gasverdicliter angesaugten Ozons wird im Wasser des Teilstroms 7 gelöst. Der Rest steigt in der Füllkörperkolonne 4 als Gas auf und wird von dem Wasser des Teilstroms 6 gelöst.

Der nichtgelöste Sauerstoff verläßt den Kopf der Füllkörperkolonne 4 durch die Leitung 11. Nach Durchströmen eines Trockners 12 und eines Druckminderers 13 gelangt er wieder in den Ozonerzeuger 9. Der verbrauchte Sauerstoff wird aus dem Vorratsbehälter 14 für Sauerstoff ersetzt.

Das mit Oton beladene Wasser verläßt den Sumpf der Füllkörperkolonne 4 durch die Leitung 15 und wird in der Reaktionsstufe 16 mit dem Rohwasser 1 vermischt. Nach Durchströmen der Nachbehandlungsanlage 17, in welcher eine Chemikalienzugabe, eine Nachflockung und eine Filterung erfolgt, wird das Reinwasser 2 erhalten.

Die Kolonnenhöhe richtet sich nach dem gewünschten O-yrvn. AKcrkrnlinncprf^Lf "£Ch VCfHÜS'^vS'*Hⁿ'""i^A'' Festlegung de3 Verhältnisses von Gas und Wasser. Die Funktion einer theoretischen Ozon-Absorptionsstufe übernimmt der Wasserstrahl-Gasverdichter 8 noch zusätzlich neben seiner Aufgabe der Gasverdichtung, so daß die Füllkörperkolonne 4 einen theoretischen Boden weniger als gewöhnlich haben darf. Dennoch wird eine nahezu hundertprozentige Ozonabsorption erreicht.

Für die reine Abwasserreinigung ist es auch möglich, das gesamte Rohwasser über die Füllkörperkolonne 4 zu schicken, so daß die Reaktionsstufe 16 entfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Wasserbehandlung, insbesondere zur Trinkwasseraufbereitung und zur Abwasserreinigung, bei dem zur Oxidation unerwünschter Wasserinhaltsstoffe und zur Verbesserung der Ausflockung solcher Stoff zumindest ein Teilstrom des zu behandelnden Wassers in einer Füllkörperkolonne unter Druck mit einem Ozon-Sauerstoff-Ge- misch aus einem Ozonerzeuger in Kontakt gebracht wird, wobei das Ozon und ein Teil des Sauerstoffs im Wasser gelöst und der nicht gelöste Sauerstoff zum Ozonerzeuger zurückgeführt und das mit Ozon und Sauerstoff beladene Wasser aus der Kolonne is abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von dem der Füllkörperkolonne zugeführten Wasser ein Teilstrom abgezweigt und durch einen Wasserstrahl-Gasverdichter geleitet wird, in welchem das Gzon-Sauerstoff-Gemisch aus dem Ozon- erzeuger abgesaugt, verdichtet und mit dem Teilstrom vermischt wird, wonach das Gemisch aus Wasser, Ozon und Sauerstoff in den FuB der Füllkörperkolonne geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Wasserstrahl-Gasverdichter verlassende Gemisch aus Wasser, Ozon und Sauerstoff mindestens einen Druck von 3 bar hat