DE4136949A1 - Verfahren und vorrichtung zur photooxidativen reinigung von organisch belastetem wasser - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur photooxidativen reinigung von organisch belastetem wasserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren sowie
hierfür geeignete Vorrichtungen zur photooxidativen
Reinigung von Trink-, Aquarien- und Abwässern.
In den letzten Jahren wird immer häufiger vom Einsatz
photochemischer Reaktoren (UV-Reaktoren) zur Reinigung
und Entkeimung sogenannter Problemwässer berichtet.
Hierbei gelangen in zunehmenden Maße kombinierte Verfahren,
d. h. UV-Strahlung wird in Kombination mit zusätzlichen
Wirkkomponenten z. B. Wasserstoffperoxid, Ozon oder
Katalysatoren eingesetzt, zur Anwendung. Diese Verfahren
befinden sich noch weitgehend im Entwicklungsstadium,
jedoch sind die bereits erzielten Ergebnisse vielversprechend.
Vom theoretischen Standpunkt aus wäre die Kombination
UV-Wasserstoffperoxid zu bevorzugen, da sämtliche Reaktionen
in einem homogenen Medium (flüssige Phase) ablaufen, während
bei den Varianten UV-Ozon und UV/Katalysator reaktionstechnische
Nachteile durch die Reaktionen an den Phasengrenzflächen zu
erwarten sind.
Die UV/Wasserstoffperoxid-Verfahren werden deshalb schon
in größerem Umfang zur Beseitigung von schwer abbaubaren
organischen Verbindungen wie Dioxinen, polychlorierten
organischen Verbindungen, etc. in Trink- oder Deponieabwässern
mit Erfolg eingesetzt.
Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der DE 40 05 488 A1
bekannt.
Trotz der oben genannten Nachteile sind jedoch auch
UV/Ozon-Verfahren im Einsatz, bei denen zuerst Ozon ins
Wasser eingebracht und dieses Ozon/Luft-Wassergemisch anschließend
einer UV-Strahlung ausgesetzt wird (vgl.
z. B. DE 39 08 516 A1).
Bei diesen Verfahren ist jedoch nachteilig, daß die zusätzlich
erforderliche Wirkkomponente (Wasserstoffperoxid,
Ozon) einerseits separat erzeugt und durch geeignete
Dosiervorrichtungen zugeführt werden muß.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb ein
kontinuierliches Verfahren und eine Vorrichtung zur
photooxidativen Wasserbehandlung zur Verfügung zu stellen,
wobei eine getrennte Erzeugung und Zudosierung der zusätzlichen
Wirkkomponente vermieden wird und ein vollständiger
und rascher Abbau von organischen Problemstoffen (Pestizide,
Herbizide, PCB, etc.) möglich ist, zusätzlich soll eine
effiziente Sauerstoffanreicherung ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein photooxidatives Verfahren bzw.
einen Photoreaktor der eingangs genannten Art gelöst, das/der
durch die kennzeichnenden Teile des Patentanspruchs 1, 7
und 14 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Kennzeichen der
Unteransprüche zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Lösung besticht durch seine Einfachheit -
Wegfall zusätzlicher Erzeuger von Wirkkomponenten - und den
überraschend hohen Abbaugeschwindigkeiten, die nicht zu
erwarten waren, zumal bei den bekannten UV/Ozon-Verfahren
(Eintrag von Ozon in das zu behandelnde Wasser und anschließende
UV-Bestrahlung) zwar ein ähnlicher Reaktionsmechanismus
vorzuliegen scheint, jedoch keine derart guten
Ergebnisse erzielt werden können.
Soweit derzeit vermutet werden kann wird die OH-Radikalbildungsgeschwindigkeit
in der sauerstoffhaltigen, wasserdampfgesättigten
Atmosphäre beträchtlich erhöht und da diese Radikale -
im Gegensatz zu O₃-Molekülen - gut in Wasser löslich sind,
stellt sich eine hohe Konzentration derartiger Radikale im
Wasserfilm ein. Diese bewirken dann den schnellen und vollständigen
Abbau organischer Verbindungen.
Ein weiterer Vorteil sind die verhältnismäßig geringen
Ozonkonzentrationen die bei diesem Verfahren auftreten und
damit weitgehend auf eine Vernichtung der Überschußkomponenten
(Restozon, Restwasserstoffperoxid) verzichtet werden kann,
was insbesondere aus Kostengründen bei der Trink- und
Aquarienwasseraufbereitung von Bedeutung ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 den Wirkungsmechanismus der Kombination Ozon/UV
Fig. 2 eine Ausführungsform eines Reaktors (Fallfilmreaktor)
Fig. 3 verschiedene Varianten von Oberflächenvergrößerungselementen
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Reaktors
In Fig. 1 wird das grundsätzliche Wirkungsprinzip des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt.
Nähere Ausführungen hierzu bedarf es nicht.
Der in Fig. 2 gezeigte Reaktor besteht im wesentlichen aus
einem rohrförmigen Gehäuse 1 in dem koaxial eine UV-Strahlungsquelle
2 (z. B. Osram HNS 20/U) mit geeigneter Strahlungsverteilung
angeordnet ist (vgl. Prinzipskizze, Abb. 1).
Die Innenwand des Gehäuses 1 ist mit Elementen 3 zur Oberflächenvergrößerung
vorgesehen und kann ggf. auch mit einer
Reflexionsschicht versehen sein. Mögliche Ausbildungsvarianten
für derartige Elemente sind in Fig. 3 angedeutet.
Weiterhin ist im Reaktor eine Wasserverteilungs-Vorrichtung 4 -
zur Ausbildung eines Wasserfilmes an der Innenwand des Gehäuses
1 - sowie eine Wasserzuführöffnung 5 und eine Wasserablauföffnung
6 vorgesehen. Die im unteren Teil des Gehäuses 1
angebrachte Öffnungen 7 ermöglichen durch thermischen Auftrieb
einen mäßigen Gasaustausch. Eine gezielte Luft- oder Sauerstoffzufuhr
mittels Membranpumpen ist ebenfalls denkbar.
Falls erforderlich, können sowohl der Luftauslaß als auch die
Wasserablauföffnung mit Filtern zur Restozon-Vernichtung
(Aktivkohle, etc.) ausgestattet werden.
In Fig. 3 werden mehrere Varianten von Oberflächenvergrößerungselementen
gezeigt. Diese Elemente dienen nicht nur zur Verweilzeitverlängerung
des Wasserfilmes sondern ermöglichen
darüber hinaus durch eine gezielte Anordnung, vorzugsweise
Anordnungen gemäß Varianten I und II, definierte Gasverwirbelungen.
Der in Fig. 4 beschriebene Reaktor besteht im wesentlichen aus
einem äußeren abgeschlossenen Gehäuse (1), in das Zuführungen
sowohl für den Wasserzulauf (2) als auch für die Gaseinleitung (3)
eingebracht sind. Weiterhin sind entsprechende Auslässe für das
behandelte Wasser (4) sowie ein Gasauslaß (5) vorgesehen, wobei
der Gasauslaß zum Einstellen der Menge des zugeführten Gases
(Größe und Menge der Gasblasen!) geeignet ist. Des weiteren
ist ein Wasserverteiler (6) vorhanden, der es ermöglicht das
eintretende Wasser einerseits über die Füllkörper (9) (Oberflächenvergrößerung
→ bessere Gasaufnahme des Wassers!)
zu verteilen und andererseits zur Ausbildung eines
Wasserfilmes (7) im Photoreaktor. Im Zentrum des Reaktors
ist die UV-Strahlungsquelle angeordnet (8).
Claims (17)
1. Verfahren zur photooxidativen Reinigung von Trink- und Abwasser
mit Hilfe von UV-Strahlung, dadurch gekennzeichnet,
daß ein hinreichend dünner Wasserfilm ohne weitere sonstigen
Reaktionszusätze in geeignetem Abstand an einem UV-Strahler
vorbeigeleitet wird, dessen Spektrum Wellenlängenbereiche
enthält, die einerseits ozonbildend wirken und andererseits
die gebildeten Ozonmoleküle in OH-Radikale zu spalten vermögen
und der Spalt zwischen Wasserfilm und UV-Lampe aus
einer Atmosphäre mit einstellbarem Sauerstoffgehalt besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
UV-Spektrum mind. 20% UV-Licht mit einer Wellenlänge von
kleiner gleich 185 nm, vorzugsweise 185 nm, und mind. 60%
UV-Licht mit einer Wellenlänge von größer gleich 254 nm,
vorzugsweise 254 nm, aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Wasserfilm eine Dicke von 0,1-1 cm aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Abstand zwischen UV-Strahler und Wasserfilm 0,05-1,0 cm
beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Atmosphäre 100% rel. Feuchte aufweist und der Sauerstoffgehalt
10-100% beträgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wasserfilm an der Innenseite eines Reaktorrohres
in Form eines Fallfilmes realisiert wird und dessen
Dicke durch eine Druck-/Mengenregelung variabel einstellbar
ist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1 bis 6 (Fallfilmreaktor) bestehend aus einem rohrförmigen
oder polygonförmigen Gehäuse (1), das zur Ausbildung eines
Wasserfilmes eine Wasserzufuhr- (5) und Wasserablauföffnung
(6), einen Wasserverteiler (4), Gaszuführ- (7) und Ablaßöffnungen
(8) aufweist sowie eine UV-Strahlungsquelle (2)
mit einem Strahlungsspektrum des einerseits ozonbildend
wirkt und andererseits die gebildeten Ozonmoleküle in OH-
Radikale zu spalten vermag, koaxial oder mittig im Gehäuse
(1) angeordnet ist, wobei die Gaszuführungsöffnungen (7)
unterhalb des UV-Strahlers und die Gasablässe (8) oberhalb
desselben angeordnet sind, so daß ein Gasaustausch (thermmischer
Auftrieb) ermöglicht wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenwand des Gehäuses (1) Oberflächenvergrößerungselemente
(I-III) aufweist, die aus UV-durchlässigem Material hergestellt
sind und die Innenwand des Gehäuses vespiegelt ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberflächenvergrößerungselemente als Füllkörper in Form von
Glas-, Quarzkugeln oder Raschigringen realisiert werden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenvergrößerungselemente in Form von an die
Innenwand des Gehäuses (1) gelegte anorganische Vlies- oder
Gewebelagen ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwand des Gehäuses (1) wellig, gerippt, zackenförmig
oder netzförmig ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die wellig oder zackenförmig angeordneten Oberflächenvergrößerungselemente
in radialer und axialer Richtung variierende
Abstände vom UV-Strahler aufweisen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die wellig und zackenförmig angeordneten Oberflächenvergrößerungselemente
in axialer Richtung alternierende Abstände
vom UV-Strahler von 0,05-0,3 cm und 0,5-1 cm aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberflächenvergrößerungselemente mit
an sich bekannten photoaktiven Feststoffkatalysatoren beschichtet
sind oder aus derartigen Materialien bestehen
(TiO₂, ZnO, SiO₂, etc.).
15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gaszuführ- (7) und Gasablaßöffnungen (8) miteinander
verbunden sind, um somit einen geschlossenen Gaskreislauf
zu bilden, wobei die Gaszirkulation durch den thermischen
Auftrieb (UV-Lampe) aufrechterhalten wird.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahens nach Anspruch
1 bis 6 bestehend aus
- a) einem äußeren geschlossenen Gehäuse (1) das
- - Öffnungen für den Wasserzulauf (2) und Wasserablauf (4) sowie
- - eine Gaseinleitung (3) und einen Gasauslaß (5), der auch als Anzeigevorrichtung für die zugeführte Gasmenge dient (Blasenzähler), aufweist und
- b) einen Fallfilmreaktor gemäß einem der Ansprüche 7 bis 15, der zentrisch in das Gehäuse (1) eingesetzt ist, wobei der Raum zwischen dem Fallfilmreaktor und dem Gehäuse mit Füllkörpern (9) ausgelegt ist und ein Teil des zugeleiteten Wassers über diese geführt wird.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem äußeren Gehäuse (1) und den Füllkörpern (9)
ein Abstand vorgesehen ist, so daß eine Gaszirkulation (Abkühlung
des Gases an der kühlen Außenwand-thermischer Auftrieb
am UV-Strahler) im geschlossenen Kreislauf ermöglicht
wird.
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