DE4304444A1 - Vorrichtung zur Behandlung von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung des Verweilzeitverhaltens (RTD - Residence Time Distribution) von Flüssigkeiten und/oder Gasen in kontinuierlich betriebenen Reaktoren, speziell zur Behandlung von Flüssigkeiten für den Abbau, die Reduzierung oder die Umwandlung darin enthaltener Schadstoffe mittels ultravioletter Strahlen.

Bei der kontinuierlichen Bestrahlungsbehandlung von Flüssigkeiten, wie beispielsweise von Trinkwasser zum Zwecke der Entkeimung oder auch von Abwässern zum Zwecke der Eliminierung von organischen Schadstoffen mittels UV-Strahlen bedient man sich von Anfang an Entkeimungskammern, aus Herstellgründen vorwiegend zylindrischer Behälter mit einem Zu- und Abflußstutzen, meist seitlich an den Enden angeordnet, in denen sich auch die UV-Strahlenquellen, durch Quarzhüllrohre von der Flüssigkeit geschützt, befinden.

Solche Durchflußkammern weichen zum Teil ganz erheblich vom "idealen Strömungsrohr" ab, das definiert ist als ein Konduktor mit sogenannter "Propfenströmung". Bei der Propfenströmung sind über den gesamten Querschnitt der Durchflußkammer die Durchflußgeschwindigkeiten gleich, was zur Folge hat, daß alle hindurchströmenden Flüssigkeitsteilchen die gleiche Verweilzeit im Reaktor haben (gleiches Verweilzeitverhalten). Gelingt es dort, zu erreichen, daß die Flüssigkeitsteilchen durch Einhaltung eines bestimmten Bereiches von Reynoldscher Zahlen, im Bestrahlungsbereich alle vorkommenden Intensitätsbereiche durch Querbewegung durchmessen, so lassen sich diese Werte zur Durchschnittsintensität mW/cm² integrieren (Calculated Average Intensity, EPA Design Manual) und die Flüssigkeitsteilchen durchaus mit einer einheitliche Bestrahlungsdosis beaufschlagen. Unter solchen Voraussetzungen lassen sich die Dosisverhältnisse vorausberechnen.

Schon die bekannte Geschwindigkeitsverteilung im geraden Rohr vereitelt eine solche Durchflußcharakteristik in den sogenannten Durchflußkammern nach dem Stand der Technik, die auch Propfenzu- und -Abfluß zur Voraussetzung hätte, was eine langgestreckte Zulauf- und Ablaufrohrreduzierung bedingen würde.

Hinzukommt, daß in den bekannten und meist zur Anwendung kommenden Bestrahlungskammern die Ein- und Ablaufzonen als Folge von seitlich angebrachten Zu- und Ablaufstutzen zu Wirbelzonen und damit zu stagnierenden Räumen sowie zu Strömungskurzschlüssen führen können, die sich bei verschiedenen Durchlaufmengen zu dem noch verändern. Auch mittels konstruktiver Maßnahmen wie Leitbleche, Wirbelzäune oder Einschnürungen erzeugte Turbulenzen, welche das zu bestrahlende Medium aus den Randzonen in die UV-Strahlernähe führen soll, verschlechtern ohne jeden Zweifel die hydraulischen Verhältnisse: Sie erzeugen stagnierende Wirbelzonen, welche das nutzbare (effektive) Naßvolumen des Reaktors verkleinern und damit die Verweilzeit des Mediums im Reaktor verkürzen, d. h. die Verweilzeitverteilung verzerren und verschlechtern, was beispielsweise beim Einsatz der relativ kurzen UV-Mitteldruckstrahler zu einer spürbaren Wirkungsgradverschlechterung führt. Derartige Verfahren sind beispielsweise vorgeschlagen in der Patentanmeldung DE 40 25 078 C2. Von dem Wunsch, daß jedes Wasserteilchen eine gleich Zeitlang im Reaktor verweilt, führen die dort empfohlenen Maßnahmen eher weg.

Einen Ausgleich für die Folgen der genannten, der exakten Vorausberechnung schwer zugänglichen und ebenso unvermeidbaren konstruktiven Unzulänglichkeiten in den bekannten Bestrahlungskammern, d. h. in den aus Herstell- und Kostengründen bevorzugten zylindrischen Reaktorgefäße mit seitlichem Zu- und Ablauf, schafft beispielsweise bei der UV-Entkeimung von Trinkwässern die Festlegung einer Mindest-UV-Dosis, die ganz erheblich über der notwendigen UV-Dosis zur Einhaltung eines hygienisch einwandfreien Trinkwassers liegt. (Mindestdosis von 25 mJ/cm² statt der ausreichenden Dosis von ca. 16 mJ/cm²; sie soll künftig sogar auf 50 mJ/cm² angehoben werden). Das ist immerhin ein Sicherheitsfaktor von 1,56.

Es kann daher gesagt werden, daß es mit einer sogenannten "Durchflußkammer", worunter man nach dem branchenüblichen Sprachgebrauch sicherlich einen zylindrischen Behälter mit einem Zu- und Ablaufanschluß und allenfalls noch darin vorgesehenen Hilfsmitteln wie Vorrichtungen zur Erzeugung turbulenter Strömungen an der Behälterwand oder vor dieser, oder einzelne Leitbleche zu verstehen hat, nicht gelingt, Durchflußverhältnisse zu schaffen, die einer Propfenströmung wirklich nahekommen. Die Lehre der Erfindung führt daher von der üblichen "Durchflußkammer" weg, zu einem Bestrahlungssystem für gasförmige und/oder flüssige Medien mit einem ganz anderen und erheblich verbessertem Verweilzeitverhalten. Hierauf kommt es an.

Zur weiteren Abgrenzung des erfinderischen Gedankens von anderen Vorstellungen soll zunächst kurz allgemein auf das Verweilzeitverhalten von kontinuierlich betriebenen Reaktoren eingegangen werden. Fig. 1 zeigt den Verlauf einer Verweilzeitfunktion E über der Zeit t. Sie gibt Auskunft über die statistische Verteilung der Verweilzeiten, die im Gegensatz zum idealen Strömungsrohr verschieden sind. Die Form, speziell die relative Breite der Kurvenbasis geben Auskunft über die Qualität des Reaktorgefäßes. Eine schmale spitze Nadelkurve wird angestrebt. Solche Verweilzeitfunktionen entziehen sich einer exakten mathematisch-geometrischen Vorausberechnung und werden daher im praktischen Versuch (tracer study) ermittelt, indem vor dem Reaktoreinlauf eine sich verdünnende Signalsubstanz (tracer) wie Farbe oder Salzlösung einimpft und dann über die Extinktion von Licht oder über den Leitwert das Antwortssignal am Auslauf des Gefäßes analysiert. Fig. 2 zeigt in anschaulicher Weise beispielhaft mögliche Antwortsignalkurven, die auf die statistische Verteilung der Aufenthaltszeiten des Durchlaufvolumens, also auf die Qualität des Durchlaufgefäßes schließen lassen. Die Propfenströmung (Plug Flow) in der Mitte (b) entspricht dem Pulseingangssignal und stellt sich als schmales Rechteck dar. Die gestrichelt darüber gelegte Nadelkurve wäre in der Praxis ein sehr zufriedenstellendes Ergebnis, während die Kurven rechts (c) und links (a), Rührkessel, durch unerwünschten Verlauf oder Unregelmäßigkeit für den vorliegenden Zweck ungeeignet wären. Beispielhaft sei in Fig. 2 noch die Kurve (d) gezeigt, in die diejenigen Parameter eingetragen sind, welche eine Analyse der Einheitlichkeit der Aufenhaltzeiten im zugehörigen Durchlaufgefäß erlauben. (EPA Design Manual, United States Environmental Protection Agency, EPA/625 1-86/021)

Nimmt man beispielsweise die Werte T, d. i. die theoretische Durchflußzeit (V/Q), die aus der räumlichen Geometrie einer üblichen Durchflußkammer rechnerisch ermittelt sein soll und t_p, die Zeit nach der die Kurve des Antwortsignals das Maximum (peak) erreicht hat, so läßt der Quotient t_p/T auf den durchschnittlichen Grad des Vorhandenseins von Strömungskurzschlüssen und bedeutsamer Toträume, also auf das effektive Volumen schließen. Oder t90/t10, der "Morill Dispersions Index", der unter dem Wert 2 liegen soll und Auskunft über das Durchmischungsverhalten des Reaktors gibt, und so fort.

Speziell im Zusammenhang mit dem Einsatz der UV-Bestrahlung zum Abbau organischer halogenierter Kohlenwasserstoffe, macht sich der erfinderische Gedanke die vor und im folgenden beschriebenen Erkenntnisse zur Verbesserung des Verweilzeitverhaltens zu Nutze. Erhält man zunächst für eine bestimmte Durchflußkammer ein relativ breites Signal, also beispielsweise eine an der Basis noch breitere Kurve als in Fig. 1 dargestellt, so kann man diese Kurve dadurch "verbessern", das heißt ihre Basis schmaler machen, indem man eine Vielzahl solcher Kammern oder Kessel hintereinander anordnet (Kaskadenanordnung), was nach Fig. 3 zu einer relativen Erhöhung des Kurvenmaximums und zu einer gleichzeitigen räumlichen Zusammenziehung der Basis führen wird. Die in Fig. 3 eingetragene Kurvenschar folgt den in Fachkreisen bekannten Versuchsergebnissen, die zeigen, daß die Kurve besser wird je mehr Kammern durchflossen werden.

Fig. 4 führt schrittweise zum erfinderischen Gedanken. Fig. 4a zeigt eine Anzahl konventioneller zylindrischer Entkeimungskammern 1 mit darin axial angeordneten UV-Strahlern 2. Es ist aus der UV-Entkeimungspraxis bekannt, daß beispielsweise zwei hintereinander durchflossene UV-Bestrahlungskammern mehr als die doppelte Einzelleistung von einer solchen Kammern bewältigen. Das hat zum einen damit zu tun, daß in die zweite durchflossene Kammer schon vorentkeimtes Wasser eintritt, zum andern jedoch auch damit, daß schon bereits zwei hintereinander durchflossenen UV-Entkeimungskammern das Verweilzeitverhalten gegenüber nur einer Kammer günstiger ist.

In Fig. 4b sollen überleitend die "Entkeimungskammern" 4 in Verbindung mit extrem kurzen UV-Mitteldruckstrahlern 5, die in Quarzschutzrohren 12 von relativ großem Durchmesser eingesetzt sein sollen, nicht als langgestreckte axial durchströmte Zylinder, sondern flach, rund und dosenförmig ausgebildet sein, axial ausgerichtet übereinander stehen und durch diametral gegenüberliegenden Röhren 3 verbunden sein, was dann zur Anordnung nach Fig. 4c führt wo die kaskadenförmige Anordnung von Einzelbestrahlungszonen 6 zu einem erheblich verbesserten Verweilzeitverhalten entsprechend Fig. 3 führt, bei der alle Einzelbestrahlunszonen 6 (Fig. 4c) ein gemeinsames zylindrisches Gehäuse 7 und einen gemeinsamen zentralen UV-Strahler 8 haben und die Verbindungsröhren 3 der Fig. 4b durch kleine diametral gegenüberliegende Fenster (Durchbrüche) 9 ersetzt sind, was schließlich zu einer technischen Ausführung führt, die nachfolgend in Fig. 5 beispielhaft beschrieben wird. Drosselspalte bei 10 zwischen dem Quarzschutzrohr 12 und den Zwischenschotten 13 und bei 11 zwischen dem gemeinsamen Gehäuse 7 und den inneren denselben genügen als Abdichtung zwischen den Einzelbestrahlungszonen 6 vollauf, da die Druckdifferenz zwischen den Einzelbestrahlungszonen sehr gering ist und die damit sehr geringen Leckagen wieder von der Hauptströmung aufgenommen werden.

Fig. 5 zeigt beispielhaft einen möglichen Weg zum Ausführen der beanspruchten Erfindung. Es ist 1 das gemeinsame zylindrische Gehäuse mit einem Zulauf 2 am unteren Ende und einem Ablauf 3 am oberen Ende. Es sind ferner 4 ein UV-Strahler mit dem Strahlerkabel 5 und einer Verschlußhaube 6; 8 ein Quarzhüllrohr zum Schutze des UV-Strahler mit einer Stopfbuchsabdichtung 9, bestehend aus einem O-Ring 10 und einem Druckflansch 11, letztere angeordnet in einem Deckel 7. Die Einzelbestrahlungszonen, die nach dem erfinderischen Gedanken zwecks Verbesserung des Verweilzeitverhaltens hintereinander durchflossen werden müssen, werden nun durch Anordnung von den Zwischenschotten 13 gebildet mit einem Durchtrittsfenster 14, durch das das zu behandelnde Medium jeweils schrittweise in die nächste Einzelbestrahlungszone 12 gelangen kann. 18 ist das Überströmen von einer Einzelbestrahlungszone in die nächste darüberliegende, 19 ist das vorherige Umströmen des Quarzhüllrohres 8.

Die gewünschte Konfiguration der Zwischenschotten 13 im Abstand 20 erhält man beispielsweise leicht, indem man dieselben entlang von Haltestangen 15, die im Deckel 7 nach unten hängend befestigt sind, unter Verwendung von Distanzhülsen 16 auffädelt und am unteren Ende mittels Muttern 17 an den Gewindeenden der Haltestangen 15 festspannt. Bei einer geeigneten Wahl der inneren Durchmesserpassung des Gehäuses 1 und der äußeren der Zwischenschotten 13 lassen sich Abmessung finden, die sowohl ein Herausziehen des gesamten Abschottungsregisters erlauben, beispielsweise zwecks Reinigung aller vom Medium benetzter Oberflächen, als auch noch einen ausreichend engen Spalt an den Passungslinien bilden, so daß die Abdichtung zwischen den Einzelbestrahlungszonen 12 in ausreichender Weise gewährleistet ist und man tatsächlich von gegeneinander abgeschotteten Einzelbestrahlungszonen sprechen kann, siehe Fig. 4c, 10 und 11.

Bei praktischen Versuchen zeigte eine Vorrichtung entsprechend Fig. 5 das zu erwartende Verhalten, wobei die axiale Ausdehnung einer Einzelbestrahlungszone im Gehäuse ca. 15 mm und der Gehäusedurchmesser innen 100 mm betrugen, und dabei 14 Einzelbestrahlungszonen durchlaufen wurden. Die einzelnen Bestrahlungszonen werden dabei in Halbmengen um das Quarzschutzrohr herum horizontal durchlaufen, während sich das Medium schrittweise, praktisch von Etage zu Etage, nach oben arbeitet, so daß man auch von einem Etagen-UV-Reaktor sprechen kann. Das Gesamtverhalten der Strömung kommt einer Propfenströmung sehr nahe. Dies ist auch daran zu erkennen, daß die Temperatur des Mediums von Einzelbestrahlungszone zu Einzelbestrahlungszone, also von Stufe zu Stufe, konstant zunimmt, und damit jede Etage bei konstanter Zulaufmenge deutlich ihre eigene Temperatur hat und hält und man bei kleinen Behandlungsmengen aufpassen muß, daß die Temperatur in den letzten Kammern im oberen Teil, d. h. in der Nähe des Ablaufes 3 nicht zu hoch wird. Bei der Erprobung hat sich gezeigt, daß bei Stillstand des Zuflusses die Gefahr der Überhitzung besteht und das Gerät vor dieser geschützt werden muß, entweder durch einen Kühlmantel mit Wasserkühlung oder durch aromatische Abschaltung des UV-Strahlers über die Temperatur oder die Durchflußmenge oder über beides in kombinierter Weise, was noch mehr Sicherheit bietet.

Fig. 6 zeigt ein Gerät nach den Vorschlägen der Fig. 5, das einen Kühlmantel 21 besitzt mit einem Kühlwasserzulauf 22 und einen Kühlwasserablauf 23. Auf diese Weise lassen sich bestimmte Behandlungstemperaturen einhalten, was beim Abbau organischer Schadstoffe in Wässern unter Umständen wichtig sein kann.

Sinnvoll erscheint die Kombination eines Kühlmantels mit einem Strömungswächter. So kann man die Kühlmittelmenge entsprechend dem Durchlauf regulieren oder erst dann den Kühlmittelstrom in Bewegung setzen, wenn bestimmte Stoffströme im Reaktor unterschritten und damit bestimmte Temperaturen überschritten werden. Beides kann durch Hinzunahme eines Temperaturwächters noch sicherer gemacht werden, weil ja die Temperatur spürbar ansteigen wird, sobald nur noch geringe Stoffströme vorliegen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen, vorzugsweise zum Abbau, und/oder zur Reduzierung und/oder zur Umwandlung von Schadstoffen, wie beispielsweise von chlorierten Kohlenwasserstoffen in Abwasser, bestehend aus zwei oder mehr voneinander abgeschotteten räumlichen Einzelbestrahlungszonen, die zur Verbesserung des Verweilzeitverhaltens nacheinander durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander abgeschotteten räumlichen Einzelbestrahlungszonen ein gemeinsames, das heißt ein alle Einzelbestrahlungszonen oder Gruppen derselben umschließendes Gehäuse und mindestens eine, für alle oder eine Gruppe von Einzelbestrahlungszonen gemeinsame UV-Strahlenquelle haben.

2. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Gehäuse, das alle oder Gruppen der Einzelbestrahlungszonen umfaßt, ganz oder teilweise mit einem Kühlmantel versehen ist.

3. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Gehäuse nicht mit einem Kühlmantel nach Anspruch 2, sondern mit einer anderen Kühlvorrichtung, die beispielsweise Kühlrippen sein können, versehen ist.

4. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Verlängerung der Klarheit, d. h. der UV-Strahlendurchlässigkeit des Quarzschutzrohres der Vorrichtung, in welchem die UV-Strahlenquelle eingesetzt ist, dem zu behandelnden Medium vor Eintritt in die Vorrichtung ein Threshold Inhibitor zugesetzt wird.

5. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß, wie in Fig. 5 dargestellt, das gemeinsame Gehäuse der Einzelbestrahlungszonen ein Rohr mit einem Abschlußdeckel ist, die Abgrenzung der Einzelbestrahlungszonen voneinander mittels scheibenförmigen Zwischenschotten mit mindestens einem runden Durchgangsloch für ein Quarzschutzrohr einer UV-Strahlenquelle und jeweils einer Durchtrittsöffnung (Fenster) zur nachfolgenden Einzelbestrahlungszone geschieht, und die einzelnen Zwischenschotten unter Verwendung von Distanzbüchsen an einer oder mehreren Haltestangen, die an dem Abschlußdeckel befestigt sind und an ihrem Ende ein Gewinde mit einer Spanmutter haben, aufgefädelt sind, so daß man das ganze Register der scheibenförmigen Zwischenschotten am Abschlußdeckel hängend aus dem gemeinsamen Gehäuse herausziehen und wieder einschieben kann und umgekehrt.

6. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Meßvorrichtung für die ultraviolette Strahlungsenergie hat, welche die Extinktion im Medium berücksichtigt.

7. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Temperaturwächter hat.

8. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Druckwächter hat.

9. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Durchflußwächter hat.

10. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine oder mehrere Impfstellen, d. h. Anschlüsse zum Eindosieren von Chemikalien wie beispielsweise Oxydationsmittel hat.

11. Vorrichtung zum Behandeln von Flüssigkeiten und/oder Gasen mit ultravioletten Strahlen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Strahlenquelle ein oder mehrere Niederdruck- UV-Strahler und/oder Mitteldruck-UV-Strahler und/oder Hochdruck- UV-Strahler sind.