DE3708947A1 - Verfahren zur desinfektion von rohwaessern fuer postmix-systeme und elektrochemischer reaktor mit selbstreinigender kathode zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Aus der DOS 29 35 124.4 und anderen Anmeldungen ist es bekannt, Wasser mittels anodischer oder elektrochemi­ scher Oxidation zu entkeimen. Dabei werden unterschied­ liche Reaktorkonstruktionen und Behandlungsverfahren verwendet, die im wesentlichen darauf beruhen, daß die­ rekt aus Wasser oder darin dissozierten Ionen mikrobizid wirkende Oxidationmittel erzeugt werden.

All diesen Verfahren ist gemeinsam, daß erdalkalihaltige Wässer ohne zusätzliche Maßnahmen zur Belagsbildung auf den Kathoden und dem nachgeschalteten Leitungssystem führen.

Da zur Entkeimung von Wasser für Postmix-Systeme und ähnliche Anwendungen auf elektrochemischer Basis nur wartungsarme, kostengünstige und äußerst funktionssi­ chere Systeme verwendbar sind, können die bisher bekann­ ten Ausführungsformen nicht eingesetzt werden.

Ferner ist es aus der DOS 24 44 685 bekannt, Wasser für Postmix-Systeme durch Zudosierung von Natriumhypochlorit zu desinfizieren. Neben der begrenzten Lagerfähigkeit von NaOCl sowie der nicht immer gegebenen Verfügbarkeit führt dieses Verfahren zu einer zusätzlichen und unnötig hohen Belastung des Getränkes mit Chlorsubstitutionsver­ bindungen, wie z. B. Haloformen. Aufgrund der verhältnis­ mäßig geringen Volumenströme ist eine exakte Dosierung im optimalen Konzentrationsbereich sehr schwierig. Die Keimabtötungsgeschwindigkeit von NaOCl ist zudem bei vergleichbaren pH-Werten so gering, daß übermäßig große Verweilbehälter vorgesehen werden müssen, um ausreichen­ de Abtötungsraten bis zum Zapfventil zu erreichen.

Durch die DE-OS 33 27 578 ist es bekannt, eine Zelle mit zylindrischen Elektroden für die Wasserentkeimung mit­ tels anodischer Oxidation diskontinuierlich durch Hubbe­ wegungen der Kathode zu reinigen. Dies geschieht mittels lose zwischen den zylindrischen Elektroden angebrachten Schabern, die quer zur Strömungsrichtung orientiert und zwecks der erforderlichen Strömungsdurchlässigkeit un­ terbrochen oder spiralförmig angeordnet sind. Der An­ trieb erfolgt mittels Membrane über die beim Öffnen und Schließen des Zellauslaufs entstehenden Druckunter­ schiede.

Nach vorliegenden Erfahrungen besitzt diese Erfindung Nachteile, die eine Anwendbarkeit in der Praxis weitge­ hend ausschließen. So bedingt unter anderem die durch die Hubbewegung der Stabkathode notwendigerweise quer zur Strömungsrichtung ausgerichtete Schaberanordnung ein allmähliches Zusetzen der Freiräume zwischen den Scha­ bern mit Kalk. Damit wird sowohl die Anodenoberfläche unzulässig verkleinert als auch die Durchströmung bis zum Funktionsausfall behindert. Durch die konstruktions­ bedingte enge Begrenzung des Hubes der Stabelektrode überstreichen die Abstandshalter bzw. Schaber jeweils nur eine kleine Elektrodenfläche. Dies führt zu der Notwendigkeit, sehr viele Schaber bezogen auf die Elek­ trodenfläche einzusetzen.

Die Folge davon ist eine drastische Einschränkung der aktiven Elektrodenoberfläche, die durch kostspieligen Mehraufwand an Anodenoberfläche wieder ausgeglichen werden muß.

Ferner sind die Schaber mit vorgegebenem Spiel zwischen den Elektroden eingepaßt und somit weder vorgespannt noch selbstnachstellend. Damit ist eine hochpräzise Maßhaltigkeit der Schaber erforderlich, um eine einwand­ freie Auflage auf der Kathodenoberfläche zu gewähr­ leisten. Bei geringstem Verschleiß oder Fertigungstoler­ anzen ist keine vollständige Säuberung der Kathode zu erzielen. Dies führt unmittelbar zu einer deutlichen Steigerung des Verlustwiderstandes der Zelle durch rela­ tiv hochohmige Karbonatbeläge.

Neben den genannten Nachteilen läßt sich das erfindungs­ spezifische Membranantriebssystem nur bei periodischen Differenzdruckschwankungen und nicht im kontinuierlichen Konstantdruckbetrieb einsetzen.

Durch die konstruktiv bedingte schwimmende Lagerung des spiralförmigen Abstandhalters ist die beschriebene er­ findungsgemäße Funktion der Anoden- und Kathodenoberflä­ chenreinigung nicht sichergestellt. Da der Abstandhalter keine kinematische Zwangsbewegung ausführt, sondern lediglich stochastisch über Reibschluß durch die Innen­ elektrode bewegt wird, kann es vorkommen, daß nur eine Relativbewegung zur nicht belagsanfälligen Anode ent­ steht und die stark belagsgefährdete Kathode nicht ge­ säubert wird.

Die Anode besteht üblicherweise aus einem Titanmaterial, das mit einer wenige um dicken Schicht (Coating) verse­ hen ist. Durch die Relativbewegung der Schaber auf der Anode ist diese Schicht starkem Verschleiß ausgesetzt.

Ferner ist durch die notwendige Steifigkeit und damit Höhe der Schaber der Minimalabstand der Elektroden auf relativ große Abstände von etwa 4 mm begrenzt. Die erforderlichen Abstände von 1 bis 2 mm lassen sich damit nicht realisieren.

Als weitere Problemlösung ist bekannt, die Elektrodenpo­ larität in periodischen Intervallen zu wechseln (Umpol­ verfahren). Bereits entstandene Beläge auf der Kathode lösen sich dabei unter anodischer Polarität wieder ab. Obwohl das Verfahren ohne großen technischen Aufwand realisierbar ist, müssen beide Elektroden in korrosions­ stabiler Qualität gefertigt werden, was zu einer nicht tragbaren Verteuerung des Reaktors führt.

Ferner sind bekanntlich aktivierte Ventilmetallanoden unter wechselnden kathodischen und anodischen Polaritä­ ten nicht korrosionsstabil, so daß untragbare Ver­ schleißraten die Folge sind.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine spe­ ziell auf Postmix-Systeme für die Herstellung von Soft Drinks (z. B. Cola) ausgerichtete Verfahrenstechnik und einen elektrochemischen Reaktor mit kontinuierlich me­ chanisch gereinigter Kathode ein Wasserdesinfektionsgerät zu realisieren, das eine zuverlässige, kostengünstige und äußerst wartungsarme Wasserdesinfektion insbesondere für Postmix-Systeme zuläßt.

Postmix-Systeme sind Geräte, die aus ortsüblichem Was­ ser, Kohlendioxid und Sirup Limonadengetränke, sogenann­ te Soft Drinks, erzeugen. Die Mischung der Komponenten Sirup und CO₂-angereichertes Wasser erfolgt während des Abzapfens des Getränkes. Üblicherweise können vier ver­ schiedene Geschmacksorten gewählt werden. Der Hauptvor­ teil der Geräte liegt darin, daß nicht das fertige Getränk mit dem notwendigen Gebinde transportiert und gelagert werden muß, sondern lediglich geringe Mengen Sirup und Kohlensäure.

Haupteinsatzort der Postmix-Systeme, die weltweit ver­ breitet sind, sind das Hotel- und Gaststättengewerbe, Schnellrestaurants, Kantinen etc.

Insbesondere in Ländern mit schlecht entwickelter Infra­ struktur oder mit Wassermangel besteht immer häufiger die Gefahr, daß nur mit pathogene Bakterien und Viren verseuchtes Trinkwasser zur Verfügung steht. Mit solchem Wasser angemischte Getränke würden deshalb ein hohes Infektionspotential besitzen, was aus hygienischen Grün­ den nicht annehmbar wäre.

Wirksamen Schutz kann hier nur eine geeignete Entkei­ mungseinrichtung für das angebotene Rohwasser bieten.

Erfindungsgemäß wird dies anhand der Fig. 1 (Verfah­ rensschema) dadurch erreicht, daß nach Anspruch 1 ein weiter unten beschriebener Reaktor 2 mit einem adsorbtiv und mechanisch wirkenden Vorfilter 1 und einem nachge­ schalteten Verweil- und Abscheidebehälter 3 vor die Kohlensäuredosierung (Carbonator) 5 des Postmix-Systems geschaltet wird. Die Energieversorgung erfolgt über ein mittels Strömungsschalter 6 gesteuertes Netzteil 4. Durch diese Verfahrenstechnik wird sichergestellt, daß das gesamte freie Volumen des Postmix-Systems als Ver­ weilvolumen zur Verfügung steht und der Verweil- und Abscheidebehälter damit klein gehalten werden kann.

Die pH-Wert-Absenkung nach der anodischen Oxidation (AO) im Carbonator durch gelöstes CO₂ führt nach Anspruch 2 zu einer deutlichen Beschleunigung der Keiminaktivie­ rungsgeschwindigkeit. Bei einem pH-Wert von 3,6 nach CO₂-Dosierung beträgt die notwendige Verweilzeit nur noch etwa 3 Minuten im Gegensatz zu etwa 10 Minuten bei pH7. Verweilvolumina können damit kleiner ausfallen und die Konzentration an freien wirksamen Oxidantien kann niedrig gehalten werden.

Zum Zeitpunkt der Mischung des desinfizierten Wassers mit dem Getränkesirup dürfen im Wasser nur noch sehr geringe Konzentrationen an freien, chlor- oder sauer­ stoffhaltigen Oxidantien nachweisbar sein. Negative sensorische Beeinflussungen der Inhaltsstoffe des Ge­ tränkes (z. B. Aromen) werden dadurch vermieden.

Nach Anspruch 3 wird dies dadurch erreicht, daß das oxidierte Wasser im Carbonator mit CO₂ gesättigt wird und dadurch die gelösten Oxidantien nach einer genügend langen Reaktionszeit weitgehend neutralisiert oder ver­ drängt werden. Eine sensorische Beeinträchtigung des Getränkes ist damit ausgeschlossen.

Die elektrochemische Oxidation von erdalkalihaltigem Wasser führt durch kathodisch gebildete OH-Ionen sowie durch Gasentwicklung zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Störung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewich­ tes.

Beeinflussende Größen sind die Karbonathärte, der Gehalt an freier Kohlensäure sowie die Oxidationsstärke.

Die Reinigung der besonders starker Belagsbildung ausge­ setzten Kathode wird nach Ansprüchen 7 und folgenden weiter unten beschrieben.

Die ebenfalls einer Bildung von Karbonatbelägen ausge­ setzten Leitungsoberflächen nach dem Reaktor werden nach Anspruch 4 dadurch geschützt, daß dem behandelten Wasser im Carbonator CO₂ im Überschuß zugesetzt wird. Dadurch wird die ausgefällte Härte wieder gebunden und das Was­ ser kalklösend eingestellt.

Bestimmte organische Wasserinhaltsstoffe, wie z. B. Phe­ nole die unter bestimmten ungünstigen Bedingungen im Rohwasser auftreten können, führen nach einer unvoll­ ständigen Oxidation zur Geschmacks- und Geruchsbeein­ trächtigung des Wassers. Der Geruchsschwellenwert liegt dabei meist weit unter der Konzentration der Ausgangs­ substanz. Zur Vermeidung dieser unerwünschten Nebenreak­ tionen wird dem Reaktor nach Anspruch 5 ein Adsorptions­ filter, beispielsweise mit Aktivkohlefüllung, vorge­ schaltet. Neben den störenden Kohlenwasserstoffen werden damit auch mechanische und färbende Verunreinigungen adsorbiert.

Zur Erzielung der notwendigen Verweilzeit wird dem Reak­ tor nach Anspruch 6 ein Behälter nachgeschaltet, der gleichzeitig als Abscheidevorrichtung für losgelöste Kalkpartikel dient. Der untere Teil des Behälters ist als Sammelvolumen ausgebildet, das durch ein feinmaschi­ ges Netz abgedeckt ist. Die Entleerung der Kalkfalle erfolgt durch einen tiefliegenden Ablauf nach vorge­ schriebenen Intervallen.

Ein wesentliches Element der Erfindung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist der elektrochemische Reaktor.

Kennzeichnendes Merkmal nach Anspruch 7 ist die aus ein oder mehreren Schabern bestehende Reinigungsvorrichtung, die durch die rotierende Anode oder Kathode kontinuier­ lich relativ bewegt wird und beispielsweise mit Elasto­ merfedern nach Anspruch 8 so vorgespannt wird, daß Fer­ tigungstoleranzen und Verschleiß ausgeglichen werden. Die zylindrische Anode ist konzentrisch mit engem Spalt­ abstand in der Rohrkathode gelagert. Die Schaber sind in der Anode schwimmend gelagert, so daß sie nach Anspruch 9 radial verschiebbar sind. Dadurch ist sichergestellt, daß Exzentrizität und Verschleiß ausgeglichen werden. Durch paarweise gegenüber angeordnete Schaber, die nach Anspruch 10 durch gemeinsame, schwimmend in Bohrungen gelagerte Federelemente vorgespannt sind, wird erreicht, daß auf die Anode keine Radialkräfte wirken und beide Schaber dieselbe Vorspannkraft besitzen. Eine gleich­ mäßige Anpressung und Wirkung der Schaber ist damit si­ chergestellt. Eine ausreichende Vorspannkraft der Scha­ ber ist unter anderem ebenso die Voraussetzung für eine möglichst frühzeitige und vollständige Entfernung der Kalkkristalle im Stadium des Entstehens. Obwohl grund­ sätzlich auch spiralförmig angeordnete Schaber möglich sind, erleichtern axial ausgerichtete Schaber das Aus­ schwemmen von Kalkpartikeln und die Fertigung.

Wie bereits bei der Betrachtung bekannter Systeme ange­ deutet, soll die Reinigungsvorrichtung möglichst wenig der aktiven Elektrodenfläche abdecken. Nach Anspruch 11 besitzen deshalb die Schaber eine schneidenartige, schmale Stirnfläche bei ausreichender radialer Höhe.

Da metallische Federn zur Vorspannung der Schaber aus Korrosionsgründen im Anodenbereich nicht geeignet sind, werden nach Anspruch 12 Elastomenfedern aus nichtleiten­ dem Kunststoff eingesetzt.

Je nach Baugröße des Reaktors und des erforderlichen Betriebsstromes kann es hinsichtlich der Stromzufuhr und Abdichtung nach Anspruch 13 vorteilhaft sein, entweder die Anode oder Kathode beispielsweise mittels stark untersetztem Elektromotor anzutreiben.

Ein Antrieb der inneren Elektrode wird im allgemeinen leichter beherrscht.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungs­ beispiel des rotationssymmetrischen Reaktors.

Die zentrale Stabanode 1 ist an zwei um 180° versetzten Stellen mit einer schmalen Nut versehen, die zur Aufnah­ me der streifenförmigen Wischer 3 aus Kunststoff dienen. Die drei zylindrischen Druckelemente 4 aus Elastomer sind in den Bohrungen 6 schwimmend gelagert und drücken die Wischer beidseitig an die konzentrische Rohrkathode 2.

Die Lagerung der Anode erfolgt am unteren Ende im Zu­ strömkopf 8 und am oberen Ende mit einem radial und axial belastbaren Rillenkugellager im Abströmkopf 13. Der Antriebszapfen der Anode ist druckfest mit zwei Wellendichtringen 9 und einem dazwischen liegenden Drai­ nageraum 10 abgedichtet. Mögliche Leckwässer sammeln sich in dieser Ringnut und werden nach außen abgeleitet. Die Stromübertragung auf die rotierende Anode erfolgt über zwei federbelastete Schleifkontakte 12 und einem Schleifring 11.

Der am Gehäusedeckel angeflanschte Getriebemotor 5 treibt über eine formschlüssige Wellenkupplung die Anode mit etwa 30 Umdrehungen pro Minute an.

Aus hydrodynamischen Gründen ist der Abströmkopf 13 als Diffusor ausgebildet, so daß zusätzliche Ausfällungen von Härtebildnern an inerten Oberflächen durch Druck­ sprünge vermieden werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Entkeimung von Rohwasser für Trinkwas­ sererzeugung insbesondere für Postmix-Systeme nach dem Prinzip der elektrochemischen Oxidation bestehend aus Vorfilter, Reaktor, Verweil- und Abscheidebehäl­ ter sowie einer elektrischen Versorgungs- und Regel­ einheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung vor der Kohlensäuredosierung erfolgt und der prinzip­ bedingte Wartungsaufwand durch besondere Hilfsmittel auf ein Minimum reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsgeschwindigkeit der gebildeten Oxi­ dationsmittel mit den Mikroorganismen durch den sau­ ren pH-Wert nach der CO₂-Dosierung gesteigert wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß während des Prozesses Oxidantien nur in solchen Konzentrationen gebildet werden, daß nach der CO₂-Dosierung zwar eine ausreichende Bakte­ rizide im Wasser gegeben ist, bei Postmix-Systemen jedoch keine geschmackliche oder gesundheitsschädli­ che Beeinträchtigung des Mixgetränkes gegeben ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das durch die gebildeten Gase ge­ störte Kalk-, Kohlensäure-Gleichgewicht und die damit verbundene Tendenz zur Ausfällung von Härtebildnern durch die CO₂-Dosierung ausgeglichen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein vor den Reaktor geschalteter mechanisch und adsorbtiv wirkender Vorfilter störende Verunreinigungen entfernt, die zu farblicher, ge­ schmacklicher oder schädlicher Veränderung des aufbe­ reiteten Wassers führen könnten.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abscheide- und Verweilbehälter mit einer Kalkfalle zum Sammeln von abgeschiedenen Kalkpartikeln ausgerüstet ist.

7. Elektrochemischer Reaktor zur Durchführung des Ver­ fahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 mit rotationssy­ metrischen, konzentrisch angeordneten Elektroden und einer kontinuierlichen, mechanischen Reinigungsvor­ richtung, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kathode Schaber angeordnet sind, die mit Mitteln zum automa­ tischen Ausgleich von Fertigungstoleranzen und Ver­ schleiß ausgestattet sind.

8. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaber mit elastischen Druckelementen vorge­ spannt werden.

9. Reaktor nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaber in der Anode radial verschiebbar gelagert sind.

10. Reaktor nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaber axial ausgerichtet sind und jeweils zwei gegenüber angeordnete Schaber durch gemeinsame schwimmend gelagerte Federelemente vorgespannt sind, die sich beidseitig auf je einen Schaber abstützen.

11. Reaktor nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaber im Verhältnis zur radialen Höhe eine sehr schmale Stirnfläche besit­ zen.

12. Reaktor nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Federelemente aus einer elek­ trisch nichtleitenden Elastomerverbindung bestehen.

13. Reaktor nach den Ansprüchen 7 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Relativbewegung zwischen Scha­ ber und Kathode durch einen Drehantrieb der Anode oder der Kathode erzeugt wird.