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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft allgemein Systeme zur Behandlung von Wasser und
Abwasser und insbesondere Systeme, bei denen zur einfacheren Ausflockung
von Teilchen im Wasser oder Abwasser zum Zwecke der Abgabe des behandelten
Abwassers an die Umwelt sowie zur einfacheren Reinigung von Trinkwasser
eine elektrochemische Zelle zum Einsatz kommt.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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In
Lösungen
auf Wasserbasis auftretende Verunreinigungen sind für die Gesellschaft
zu einem ernsthaften Problem geworden. Insbesondere sind die mit
der Entsorgung industriellen Abwassers einhergehenden Probleme im
Zunehmen begriffen. Die Entsorgung von Abwasser ist nicht nur sehr
kostenintensiv und zeitaufwändig,
sondern auch für
die Umwelt äußerst schädlich. Zu
den im Zusammenhang mit der Entsorgung von Abwasser stehenden Gebieten,
in denen der Einsatz des vorliegenden Systems besonders geeignet
wäre, zählen die
Entfernung emulgierter Öle,
und zwar sowohl von Ölkohlenwasserstoffen
wie auch von Öl
aus der Lebensmittelindustrie; teilweise aufgelöste Verunreinigungen, die zur
Trübung
und Färbung
des Wassers beitragen; negativ geladene Metalle, so beispielsweise
Arsen, Molybdän
und Chrom; positiv geladene Schwermetalle, so beispielsweise Kupfer,
Kadmium, Nickel, Blei und Zink; mit Sauerstoff reagierende Verunreinigungen,
so beispielsweise Ammoniak, Quecksilber, Arsen und Eisen; mit Aluminium
oder Eisen reagierende Verunreinigungen, so beispielsweise chlorierte
organische Stoffe; und sich schlecht absetzende vollsuspendierte
Feststoffe (total suspended solids TSS), so beispielsweise Schlick,
Farbstoffe, Holzextrakte, Lehm und Mikroorganismen.
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Ein
besonderes Beispiel für
eine Verunreinigung von Belang stellen Ölkohlenwasserstoffverunreinigungen
in Werftabwässern
dar, die aus durch die Reinigung von Schiffskielräumen entstehendem ölhaltigem
Abwasser sowie aus Kraftstofftanks stammen. Das Hauptanliegen der
Erfindung besteht mit Blick auf diese Art von Abwasser im Auffinden
eines wirkungsvollen Verfahrens zu dessen Entsorgung. Es wurden
bereits verschiedenartige Verfahren zur Behandlung dieses ölhaltigen
Abfalls entwickelt, wobei diesen Verfahren jedoch aufgrund der äußerst unterschiedlichen
Natur und dem äußerst unterschiedlichen
Anteil der Verunreinigungen im Wasser – mit einem Ölgehalt
im Bereich von 0,5 Vol.-% bis 50 Vol.-% – kein durchschlagender Erfolg
beschieden war. Zu den Verfahren, bei denen eine Handhabung der
Abwasserströme
versucht wurde, zählen
eine Vielzahl chemischer und physikalischer Verfahren.
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Bei
chemischen Verfahren wird versucht, eine vorbestimmte Reaktion zwischen
chemischen Zusatzstoffen und den im Abwasserstrom enthaltenen Verunreinigungen
herbeizuführen.
Die gängigsten
Reaktionen sind hierbei diejenigen, bei denen eine Koagulation (Ausflockung)
der Verunreinigungen und der chemischen Zusatzstoffe bewirkt wird, wobei
die Größe der Teilchen
zunimmt, und die Teilchen anschließend entweder durch Aufschwemmen auf
dem behandelten Wasser oder Absetzen unter dem behandelten Wasser
abgetrennt werden. Die hierfür
am häufigsten
zum Einsatz kommende Chemikalie stellt Alaun dar, das, sobald es
dem Abwasser zugesetzt ist, einen Großteil des Abfalls vom Wasser
trennt. Es treten jedoch im Allgemeinen einige Probleme bei der
chemischen Ausflockung auf, darunter die Erzeugung sehr große Mengen
von Reststoffen, die einer Entsorgung bedürfen, sowie die Ungenauigkeit,
die daher rührt,
dass die Menge der für
ein gegebenes Volumen erforderlichen Chemikalie stets in Abhängigkeit
von der variierenden Natur der Abwasserströme abgeschätzt werden muss.
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Bei
physikalischen Verfahren wird versucht, ähnliche Ergebnisse wie bei
den durch Zugabe von Chemikalien wirkenden Verfahren zu erreichen,
was jedoch in der wässrigen
Endlösung
zu einem niedrigeren Reinheitsgrad führt. Filter, Zentrifugen, Plattenseparatoren
und Klärvorrichtungen
werden bei den gängigsten
physikalischen Verfahren eingesetzt, die der Entfernung von Verunreinigungen
aus wässrigen
Lösungen
dienen. In den meisten Fällen
sind diejenigen Verunreinigungen, die physikalisch entfernt wurden,
suspendierte Feststoffe oder schwach emulgierte Verunreinigungen.
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Während man
früher
davon ausging, dass chemische und physikalische Verfahren zur Behandlung
von Abwasserströmen
ausreichen, waren die Folgen der Entsorgung auf diese Weise behandelter Lösungen katastrophal.
Ozeane, Flüsse,
Seen und Grundwasserquellen wurden Opfer einer Verschmutzung, die
von Verunreinigungen herrührt,
die bei diesen Verfahren nicht entfernt wurden. Aufgrund der Verklappung
verschmutzter Lösungen
werden viele Flüsse
und Gewässer
als Abfalllagerstätten
angesehen, wobei ganze Seen abgeleitet wurden, um die Seebetten
abzugraben und diese als Sondermüll
zu behandeln. Das Hauptproblem besteht darin, dass unabhängig davon,
ob chemische Verfahren, physikalische Verfahren oder eine Kombination
aus beidem zum Einsatz kommen, der Gehalt an Verunreinigungen im
Abwasser unannehmbar hoch bleibt.
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Es
war darüber
hinaus bekannt, dass die Reinigung von Abwasserströmen und
insbesondere die Ausflockung von Verunreinigungen anstatt durch Zugabe
von Chemikalien auch durch elektrolytische Behandlung in einem Elektrokoagulation
genannten Verfahren vorgenommen werden kann, die verschiedenen Arten
von Verunreinigungen, die variierenden Konzentrationen der Verunreinigungen
und die großen
und variablen Volumina der Abwässer
in industriellen Abwasserströmen
jedoch deren Einsatz im Allgemeinen entgegenstehen. Gleichwohl können Patente,
die auf Vorrichtungen, Verfahren und Systeme zur elektrolytischen
Behandlung gerichtet sind, bis zum Anfang des Jahrhunderts zurückverfolgt
werden. Die Elektrokoagulation stellt ein Verfahren dar, bei dem
suspendierte, emulgierte oder gelöste Verunreinigungen in einem
wässrigen
Medium destabilisiert werden, indem ein elektrischer Strom in das
Medium eingeleitet wird. Die Elektrokoagulation findet üblicherweise
in einer nach außen
hin im Wesentlichen dichten Behandlungskammer statt, in der die Verunreinigungen
aus dem wässrigen
Medium ausflocken.
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Viele
weitere Systeme und Zellen wurden offenbart und patentiert, von
denen alle die Umwandlung verschmutzten Wassers in gereinigtes Wasser dadurch
versuchen, dass die Verunreinigungen vom Wasser getrennt werden.
Bedauerlicherweise war keines dieser Systeme in der Lage, die bei
der Behandlung industrieller Abwässer
auftretenden Probleme hinsichtlich Verschiedenartigkeit, Anzahl
und Konzentration der Verunreinigungen zu lösen. Selbige Systeme aus dem
Stand der Technik erzeugten große
Mengen von Metallschlamm und anderem verunreinigendem Schlamm, was
die Entsorgungskosten zusätzlich
erhöhte.
Bei Systemen, bei denen zumindest diese Probleme nicht gegeben waren,
traten andere Probleme auf, so beispielsweise höhere Arbeitskosten (Sammel-
und Verklappungsverfahren; batch und dump methods); für eine längere Verweilzeit
notwendige große
Lagerflächen
sowie hoher Kapitalaufwand bedingt durch Stromversorgung und Wartung
(elektrische Online-Systeme); sowie ein niedriger Wirkungsgrad (Auflösung mit
nichtleitenden Materialien). Bei anderen Systemen traten Konstruktionsprobleme
auf, die daher rührten,
dass die Erzeugung der entstehenden Gase oder die Ablagerung von
Verunreinigungen an den Arbeitselektroden zu wenig Berücksichtigung
fand, oder die daher rührten, dass
die elektrolytische Zelle zu kompliziert aufgebaut und daher nicht
einfach zu warten war.
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Entsprechend
besteht Bedarf an einem System sowie einem Verfahren zur Behandlung
von Abwässern,
bei dem Verunreinigungen, so beispielsweise Ölkohlenwasserstoffe, entfernt
werden, was zu einem Erzeugnis führt,
in dem Verunreinigungen in einer Menge von erheblich weniger als
15 ppm (parts per million) enthalten sind, und das darüber hinaus kostengünstig, energiesparend,
leicht zu verwenden und leicht zu warten ist.
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Das
US-Patent 3,944,478 (Kuji et al.) beschreibt ein Verfahren zur Entfernung
von Verunreinigungen aus einem Abwasserstrom. Der Abwasserstrom
wird durch eine elektrochemische Zelle geführt, in der Elektrizität durch
die Elektroden und durch das Wasser geleitet wird, um die Freisetzung von
Metallionen in das Wasser zu bewirken, damit ein ausgeflockter Strom
entsteht. Die Flocken steigen an die Oberfläche und werden abgeschöpft. Ein
Polymer wird, nachdem der Abwasserstrom die elektrochemische Zelle
verlassen hat, in den Strom eingespritzt.
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Das
US-Patent 4,031,006 (Ramirez et al.) beschreibt, wie Abwasser über eine
elektrochemische Zelle geleitet wird, und dabei Blasen entstehen. Der
Abwasserstrom wird sodann in eine Flotationszelle geleitet, wo Flocken
abgeschöpft
werden, die von den Blasen getrieben an der Oberfläche aufgeschwemmt
wurden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf die Behandlung von Wasser und Abwasser
und ein Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen durch Einsatz
chemischer, mechanischer und elektrolytischer Vorrichtungen gerichtet.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Systems zur Behandlung von Wasser und Abwasser sowie eines Verfahrens
zur Entfernung von Verunreinigungen aus Wasser und Abwasser.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines Systems zur Behandlung von Abwässern sowie eines Verfahrens zur
Entfernung von Verunreinigungen aus Abwässern, das kostengünstig und
energiesparend ist.
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Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem Abwasserstrom
vorgesehen, das umfasst: (a) ein Einleiten des Abwasserstroms in
eine elektrochemische Zelle, die wenigstens ein Paar leitender Platten
umfasst, die in paralleler beabstandeter Beziehung ausgerichtet sind,
wobei Elektrizität
in die leitenden Platten hinein und durch den Abwasserstrom geleitet
wird, um einen ausgeflockten Strom zu erzeugen, und wobei Metallionen
in den Abwasserstrom hinein freigesetzt werden; (b) ein Einspritzen
eines Flockungsreagens in den ausgeflockten Strom aus der elektrochemischen
Zelle und ein Leiten des ausgeflockten Stroms zu einem Mischer,
wobei der Mischer ausgefällte Feststoffe,
die in dem ausgeflockten Strom vorhanden sind, mit dem Flockungsreagens
in Kontakt bringt, um eine mit Reagens gemischte Flüssigkeit
zu erzeugen; (c) ein Einleiten der mit Reagens gemischten Flüssigkeit
aus dem Mischer an einer Entlüftungsöffnung vorbei,
an der ein Teil des Gases in der mit Reagens gemischten Flüssigkeit
daraus entfernt wird; und (d) ein Einleiten der mit Reagens gemischten
Flüssigkeit
in eine Flotationszelle, in der eine Flotationszellenflüssigkeit
durch das Entfernen eines Großteils
der ausgeflockten Teilchen aus der mit Reagens vermischten Flüssigkeit
erzeugt wird.
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Vorzugsweise
umfasst das Verunreinigungsentfernungsverfahren vor dem Leiten des
ausgeflockten Stroms zu dem Mischer des Weiteren einen Schritt des
Einblasens von Druckgas in den ausgeflockten Strom von der elektrochemischen
Zelle.
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Vorzugsweise
ist jede der aufeinanderfolgenden Platten an einem der gegenüberliegenden Enden
eines Gehäuses
der elektrochemischen Zelle und an beiden einander gegenüberliegenden
Seitenwänden
des Gehäuses
dichtend angebracht, sodass ein schlangenförmiger Weg für den Abwasserstrom zur
Bewegung von einem Einlass am Boden der elektrochemischen Zelle
zu einem Auslass an einer Oberseite der elektrochemischen Zelle
geschaffen wird, wobei die elektrochemische Zelle des Weiteren einen
ersten und einen zweiten elektrischen Sammler enthält, und
jede der leitenden Platten in elektrischer Verbindung entweder mit
dem ersten oder mit dem zweiten Sammler steht.
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Vorzugsweise
umfasst das Verunreinigungsentfernungsverfahren vor dem Leiten des
Abwasserstroms zu der elektrochemischen Zelle des Weiteren einen
Schritt des Zusetzens eines Flockungsreagens zu dem Abwasserstrom.
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Vorzugsweise
sind die leitenden Platten horizontal ausgerichtet.
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Vorzugsweise
umfasst das Verunreinigungsentfernungsverfahren einen Schritt des
periodischen Umkehrens der Polarität der leitenden Platten.
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Vorzugsweise
bestehen die leitenden Platten aus Aluminium oder Eisen, wobei das
Produkt aus elektrischem Strom in Ampere und der hydraulischen Verweilzeit
in Minuten pro Quadratmeter der Fläche der elektrischen Platten
mehr als 20 A×min/m2 beträgt.
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Vorzugsweise
ist der Mischer ein statischer Mischer.
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Vorzugsweise
umfasst das Verunreinigungsentfernungsverfahren einen Schritt des
erneuten Leitens eines Teils des ausgeflockten Stroms durch die elektrochemische
Zelle.
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Vorzugsweise
reicht die Strömungsrate
desjenigen Teils des ausgeflockten Stroms, der erneut zu der elektrochemischen
Zelle geleitet wird, aus, um ein turbulentes Mischen des Abwassers
mit den von den Platten freigesetzten Metallionen sowie ein Reinigen
der Platten zu bewirken.
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Ein
tieferes Verständnis
des Systems sowie des Verfahrens zur Behandlung von Abwässern und zur
Entfernung von Verunreinigungen sowie zusätzliche Vorteile und Aufgaben
hiervon erschließen
sich dem Fachmann durch Betrachtung der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die Beschreibung erfolgt
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungsblätter,
die zunächst
kurz beschrieben werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist ein Flussdiagramm
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Behandlung von Abwasser.
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2 ist eine Seitenschnittansicht
einer erfindungsgemäßen elektrochemischen
Zelle.
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3 ist eine Endschnittansicht
der elektrochemischen Zelle von 2.
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Detaillierte
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Die
vorliegende Erfindung befriedigt den Bedarf an einem Verfahren zur
Behandlung von Wasser und Abwasser sowie zur Entfernung von Verunreinigungen
daraus, wobei das Verfahren bei der Reinigung des Wassers oder der
Erzeugung entsorgungsfertigen Wassers aus industriellen Abwässern sehr wirkungsvoll
ist. Dies wird durch Verwendung eines neuartigen Systems sowie eines
neuartigen Verfahrens zur Entfernung von Verunreinigungen bewerkstelligt,
wobei eine elektrochemische Zelle für die Ausflockung organischer
und anorganischer Stoffe zum Einsatz kommt.
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Wie
in der Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchweg ähnliche
oder identische Strukturen bezeichnen, dargestellt ist, zeigt 1 anhand eines einfachen
Flussdiagramms das Verfahren zur Behandlung von Abwasser. Das verschiedene
Mengen von Verunreinigungen enthaltende Abwasser wird in Schritt 10 einem
Sieb 11 zugeführt,
in dem größere Teilchen
entfernt werden. In diesem Ausführungsbeispiel,
das für
das erfindungsgemäße System
und Verfahren beispielhalber beschrieben wird, bestehen die Verunreinigungen
hauptsächlich
aus Ölkohlenwasserstoffen,
wie sie beispielsweise in Werftabwässern und dort insbesondere
im „Kielraumwasser" auftreten. Andere
Verunreinigungen enthalten größere Teilchen,
die ebenfalls zu Beginn durch die Verwendung des Siebes 11 abgetrennt werden
können.
Im Anschluss an die anfängliche Siebung
wird der nunmehr von größeren Teilchen
befreite Abwasserstrom in Schritt 20 einem Klassierer 13 zugeleitet.
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Der
Klassierer 13 ist ein großer Behälter mit einem Einlass, der
an einer Zwischenfläche
des Behälters
angeordnet ist und den Abwasserstrom aus dem Sieb 11 aufnimmt.
Der Abwasserstrom wird mittels einer Pumpe 302 in den Klassierer 13 eingepumpt.
Eine Pumpe 304 wird zur Entfernung des Abwassers aus dem
Klassierer 13 verwendet und ist derart angeordnet, dass
das Abwasser aus dem oberen Bereich des Klassierers 13 abgepumpt
wird. Dies bewirkt eine Strömung
des Abwassers von dem Einlass des Klassierers nach oben in den oberen
Bereich des Kassierers 13, wo das Abpumpen erfolgt. Schwere
Teilchen des einströmenden
Abwasserstromes setzen sich in dem Klassierer aufgrund der Wirkung
der Schwerkraft nach unten ab und verbleiben am Boden des Klassierers 13.
Eine Förderschnecke erstreckt
sich in den Boden des Klassierers 13 und leitet schwere
Feststoffe in einen Entsorgungsbehälter 15. Bei Betätigung der
Förderschnecke
werden die Feststoffe am Boden des Klassierers 13 nach oben
und aus der Förderschnecke
heraus in den Entsorgungsbehälter 15 (Schritt 24)
bewegt. Die Feststoffe in dem Behälter 15 werden zu
einer geeigneten Entsorgungsstätte
für Feststoffe,
beispielsweise einer Deponie, verbracht.
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Die
darüberliegende
Flüssigkeit
in dem Klassierer 13 wird in Schritt 22 mittels
einer Pumpe 304 in einen Hydrozyklon 17 für Feststoffe
und Flüssigkeiten
gepumpt. Die groben Feststoffe, die nicht auf den Boden abgesunken
und in den Hydrozyklon 17 mit der darüberliegenden Flüssigkeit
eingetreten sind, werden dem Klassierer 13 für eine weitere
Trennung zugeführt,
während
der Abwasserstrom in Schritt 30 in Zuleitungsbehälter 19 verbracht
wird. Die Anzahl und das Fassungsvermögen der in dem System verwendeten
Zuleitungsbehälter 19 ist
von der Menge des Abwasserstromdurchsatzes abhängig. Ist mehr als ein Zuleitungsbehälter 19 notwendig,
so sind die Behälter
parallel angeordnet. Sobald das im Abwasser vorhandene freie Öl bei der
ersten Klärung
in den Zuleitungsbehältern 19 nach
oben steigt, wird es von einem Oberflächenabschöpfer entfernt. Das freie Öl aus dem
Abschöpfer
fließt
sodann durch die Wirkung der Schwerkraft zu einem Lagerbehälter 21 für freies Öl (Schritt 32),
wo es einer zweiten Klärung
unterzogen wird. Das Öl
wird in Schritt 34 aus dem oberen Bereich des Lagerbehälters 21 für freies Öl abgepumpt
und in verschiedenartigen Anwendungen wiederverwendet. Das Abwasser
unterhalb des Öls (Sinkgut)
in dem Speicherbehälter 21 für freies Öl wird in
Schritt 36 zu dem Klassierer 13 rückgeführt.
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Das
nach der ersten Klärung
unterhalb des Öls
verbliebene Abwasser in den Zuleitungsbehältern 19 wird in Schritt 40 mittels
einer Pumpe 306 durch ein in Reihe angeordnetes Korbsieb 61 einer elektrochemischen
Zelle 200 zugeführt.
Das Abwasser wird zum Bodeneinlass 210 (2) der elektrochemischen Zelle gepumpt,
was nachstehend unter Bezugnahme auf 2 und 3 noch beschrieben wird.
Innerhalb der elektrochemischen Zelle 200 wird das Abwasser über elektrisch
geladene Platten geleitet, die derart angeordnet sind, dass sie
einen schlangenförmigen
Weg für
das Abwasser bilden. Während der
Ausflockung bilden die negativ geladenen Verunreinigungen im Abwasser
zusammen mit den von den geladenen Platten freigesetzten positiv
geladenen Ionen Zusammenballungen oder „Flocken". Die Zusammenballungen bilden zusammen
mit anderen Zusammenballungen größere Flocken,
die einfacher zu entfernen sind. Darüber hinaus erfolgt bei dem Vorgang
der Elektrokoagulation eine Hydrolyse des Abwassers, bei der Wasserstoffgas
und Sauerstoffgas in dem Abwasser freigesetzt werden, sodass sich
Hydroxylionen bilden. Der Sauerstoff wirkt auf die Verunreinigungen
oxidierend, während
die Hydroxylionen eine Ausfällung
der Metalle aus dem Abwasser bewirken. Der Vorgang der Elektrokoagulation
wird nachstehend eingehend beschrieben. Das behandelte Abwasser
tritt nebst der Gase aus dem oberen Auslass 220 (2) der elektrochemischen Zelle 200 aus,
und beide werden in Schritt 50 einem in Reihe angeordneten statischen
Mischer 23 zugeführt.
Ein Teil desjenigen Abwassers, das in die Zelle 200 rückgeleitet
wird, wird in Schritt 42 mittels einer Pumpe 308 durch
die elektrochemische Zelle 200 mit einer derartigen Geschwindigkeit
erneut geführt, dass
in der Zelle 200 ein turbulentes Mischen nebst einer Reinigung
der Platten erfolgt. Bei dem bevorzugten beispielhalber angegebenen
Ausführungsbeispiel
ist bei einer Strömungsrate
von 37,85 Litern (10 Gallonen) pro Minute in die Zelle 200 hinein
eine Rücklaufströmungsrate
von ungefähr
189,25 Litern (25 Gallonen) pro Minute bis 378,50 Litern
(100 Gallonen) pro Minute annehmbar.
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Nach
Austreten durch den Auslass 220 wird in Schritt 52 Druckluft
in das Abwasser eingeblasen, sowie in Schritt 54 anionisches
Polymer in das Abwasser eingespritzt. Das Gemisch wird sodann in den
in Reihe angeordneten statischen Mischer 23 eingeleitet,
in dem ein Vermischen des Polymers und der Luft mit dem Abwasserstrom
erfolgt. Da der Mischer ein statischer Mischer ist, und da Druckluft (oder
ein anderes geeignetes Gas) Verwendung findet, ist der Grad der
mechanischen Scherung auf das Polymer und die ausgeflockten Feststoffe
aus der Zelle 200 beschränkt, wodurch das Auseinanderreißen des
Polymers und der Flocken minimiert wird. Gleichzeitig geht die Verwendung
eines statischen Mischers mit Druckluft in dem Abwasserstrom mit
einer beträchtlichen
Verbesserung des Vermischens des Polymers mit dem Abwasserstrom
einher. Dies ermöglicht
allgemein den Einsatz viel geringerer Polymermengen in dem System,
wobei immer noch eine in erheblichem Ausmaß stattfindende Ausflockung
und Trennung der Feststoffe von dem Abwasserstrom möglich ist.
Die durch Wirkung des statischen Mischers 23 in den Abwasserstrom
eingemischte Druckluft erleichtert den Kontakt des Polymers mit
den ausgeflockten Feststoffen und erzeugt Flocken, die mitgeführte Gase
enthalten. Hierdurch wird in der Flotationszelle 27 eine
einfachere Trennung der Flocken vom Abwasser ermöglicht. Das negativ geladene
Polymer in Kombination mit den positiv geladenen Flocken erzeugt
Flocken größeren Durchmessers
mit niedrigeren Gesamtdichten, da größere Flocken bei der Ansammlung
von Gasblasen an ihren Oberflächen
und in ihren Hohlräumen beziehungsweise
Poren wirkungsvoller sind. Im Ergebnis sind die Gesamtdichten der
Flocken niedriger als die Dichte des Abwassers, wodurch bewirkt
wird, dass ein Teil der Flocken an die Oberfläche steigt und dort aufgeschwemmt
wird. Später,
wenn die Gasblasen aus den Flocken entweichen, steigt die Gesamtdichte über diejenige
des Abwassers, weshalb ein Teil der Flocken absinkt.
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Das
Polymer und die Luft können
dem Abwasserstrom wahlweise vor der elektrochemischen Zelle 200 zugeführt werden.
In diesem Fall erzeugt die Einführung
der Luft Turbulenzen in der Zelle, die den Kontakt der Verunreinigungen
mit den Platten fördern,
sodass die Ausflockung verbessert wird, wobei die Einführung des
anionischen Polymers zur Ausspülung
der positiv geladenen Verunreinigungen, zur Bildung von Kleinstflocken
sowie zur verbesserten Ausflockung in der elektrochemischen Zelle 200 beiträgt. Die
Zugabe des Polymers und der Druckluft vor der elektrochemischen
Zelle 200 ist darüber
hinaus in Fällen
von Nutzen, in denen die Entfernung positiv geladener Ionen aus
dem Abwasser gewünscht
wird. Diese Vorgehensweise wird nachstehend anhand eines alternativen
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das
den in Reihe befindlichen statischen Mischer 23 verlassende
Gemisch aus Polymer, Abwasser und Luft fließt in Schritt 60 durch
ein Vertikalrohr 25. Das Vertikalrohr 25 ermöglicht,
dass ein Großteil
der Gase in Schritt 62 austritt, sodass das Aufsteigen
ausgeflockter Teilchen in der Flotationszelle 27 nicht
durch übermäßige Turbolenzen,
die von den entweichenden Gasen herrühren, gestört wird. Nach Durchlaufen des
Vertikal rohres 25 strömt das
Abwasser in Schritt 70 in eine Flotationszelle 27. In
der Flotationszelle 27 bedingt das mitgeführte Gas, das
von den noch in dem Abwasser befindlichen ausgeflockten Feststoffen
herrührt,
eine Dichte der Flocken, die niedriger als diejenige des Abwassers
ist, wodurch bewirkt wird, dass die Flocken in der Flotationszelle 27 an
die Oberfläche
des Abwassers steigen. Die aufgeschwemmten Flocken fließen über ein Überlaufwehr
in einen Feststoffsammelbehälter 29 (Schritt 72).
Die Feststoffe in dem Feststoffsammelbehälter 29 werden in
Schritt 74 mittels einer Pumpe 310 zu einer Filterpresse 31 gepumpt.
Die Filterpresse 31 entfernt das Wasser aus den Feststoffen
und führt
das Filtrat in Schritt 78 erneut dem Klassierer 13 zu.
Die Feststoffe werden aus der Filterpresse 31 entfernt,
nachdem ein Druckabfall anzeigt, dass diese voll ist. Die Feststoffe
werden in einem Entsorgungsbehälter 38 (Schritt 76)
abgelagert und können zu
einer für
Feststoffe geeigneten Entsorgungsstätte, so beispielsweise einer
Deponie, verbracht werden.
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Das
im Wesentlichen flockenfreie Sinkgut der Flotationszelle 27 strömt unter
Wirkung der Schwerkraft in Schritt 80 in einen Absetzbehälter 33. In
dem Absetzbehälter 33 kann
eine weitere Trennung der ausgeflockten Feststoffe unter Wirkung
der Schwerkraft erfolgen, da die in dem Sinkgut verbliebenen Feststoffe
im Allgemeinen eine Dichte aufweisen, die größer als diejenige des Abwassers
ist, und daher auf den Boden absinken. Die Feststoffe werden in
Schritt 92 zusammen mit den Flocken aus dem Feststoffabsetzbehälter 29 zu
der Filterpresse 31 gepumpt. Das nunmehr im Wesentlichen
feststofffreie Abwasser verlässt
den Absetzbehälter 33 über ein Überlaufwehr,
wo es in Schritt 90 in einen Polymerfilterzuleitbehälter 35 eingeleitet
wird. Das Abwasser wird in Schritt 100 mittels einer Pumpe 312 zu
einer Mehrzahl in Reihe angeordneter Sackfilter 37 und schlussendlich
in Schritt 110 zu dem Polymerfilter 39 gepumpt,
wo der Großteil
der restlichen Verunreinigungen entfernt wird. Die am Ende stehende
Ausleitung des Wassers mit einem wesentlich verringerten Grad an
Verunreinigungen erfolgt in den Boden oder in einen Abwasserkanal
(Schritt 120).
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Der
Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht gegenüber chemischen Systemen darin,
dass eine erheblich geringere Menge an Reststoffen zur Entsorgung
anfällt,
was mit geringeren Kosten und darüber hinaus mit einer einfacheren
Funktion einhergeht. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht
gegenüber
physikalischen Systemen darin, dass eine erheblich bessere Entfernung
von Verunreinigungen aus dem Abwasser erfolgen kann. Die einzigen
Verunreinigungen, die einer Entsorgung bedürfen, sind in den konzentrierten
Feststoffen in den Entsorgungsbehältern gesammelt.
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2 und 3 zeigen die elektrochemische Zelle 200. 2 zeigt eine Querschnittsansicht
der elektrochemischen Zelle 200 von vorne. Die Zelle 200 ist
mit leitenden Platten 250 und 255 versehen, die
abwechselnd mit entgegengesetzt geladenen Elektroden verbunden sind,
was nachstehend unter Bezugnahme auf 3 noch
eingehend beschrieben wird. Die Anzahl der Platten 250 und 255 ist
gerade, sodass sich eine gleiche Anzahl als Anode und als Kathode
wirkender leitender Platten ergibt. Um einen einfachen Austausch
der Platten 250 und 255 zu ermöglichen, sind diese in der
Zelle 200 innerhalb einer Kartusche 257 angeordnet.
Das Zellengehäuse 205 weist
eine abnehmbare Abdeckung 204 auf, um einen Austausch der
Kartuschen 257 zu ermöglichen. Darüber hinaus
sind die Platten 250 und 255 groß von der
Fläche
her und klein von der Anzahl her, damit niedrige Druck- und Spannungsabfälle möglich werden.
Die Platten 250 und 255 bestehen in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
aus Aluminium, können
jedoch in Abhängigkeit
von der Art der zu entfernenden Verunreinigungen aus einem beliebigen Material
einer ganzen Reihe von Materialien bestehen. So können beispielsweise
Eisen-, Platin-, Kohlenstoff- oder Titanplatten Verwendung finden.
Die Platten 250 und 255 sind durch Abstandshalter 230 getrennt,
die aus einem nichtleitenden Material, so beispielsweise Nylon,
bestehen, um einen gegenseitigen Abstand der Platten aufrechtzuerhalten,
der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
annähernd 0,5
Zoll beträgt.
Zur Verwirklichung einer Abdichtung am Ende der Kartusche 257 und
zur Schaffung eines schlangenförmigen
Weges für
die Strömung
werden elektrisch isolierte Endplatten 207 und 208 verwendet.
Die Endplatten 207 und 208 sind mittels mechanischer
Mittel an der Kartusche 257 druckgehalten. Die Platten 250 und 255 sind
derart angeordnet, dass ein schlangenförmiger Strömungsweg für das Abwasser geschaffen wird.
Dies erfolgt durch Freilassung eines Spaltes zwischen den Platten 250 und
der Endplatte 207 an dem einen Ende der Kartusche 257 und
zwischen den Platten 255 und der Endplatte 208 an
dem entgegengesetzten Ende der Kartusche 257. Das Abwasser
tritt am Bodeneinlass 210 ein und wird durch die Zelle 200 zu
dem oberen Auslass 220 gepumpt. Während das Abwasser seinen Weg
durch die Zelle 200 nimmt, bewirkt das elektrische Feld,
das bei Anlegen einer Spannung an den Platten 250 und 255 erzeugt
wird, dass die gelösten
und suspendierten Feststoffe innerhalb des Abwassers ausflocken und
größere Flocken
bilden. Gleichzeitig werden durch die Elektrolyse des Abwassers
Gasblasen erzeugt, was ein Aufschwemmen größerer Flocken bewirkt. Der
gesamte Vorgang wird als Elektrokoagulation bezeichnet.
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Die
am häufigsten
für die
Elektrodenplatten verwendeten Materialien sind Eisen oder Aluminium, da
diese dreiwertige (trivalente) Ionen bilden. Die Mehrzahl der anderen
kostengünstigen
und einfach beschaffbaren Metalle bildet lediglich zweiwertige (bivalente)
Ionen. Dreiwertige Ionen weisen im Vergleich zu den zweiwertigen
Ionen vermehrte Neigung zur Teilchenabsorption im Abwasser auf,
da sie höhere
Ladungsdichte aufweisen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung werden Elektrodenplatten aus Aluminium verwendet.
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Die
Wirksamkeit bei der Freisetzung der Metallionen in dem Abwasser
ist mit Blick auf die Ausflockung der Feststoffe und damit mit Blick
auf das Leistungsvermögen
des Verfahrens bei der Entfernung der Verunreinigungen entscheidend.
Die Freisetzung von Metallionen hängt von einigen Faktoren ab,
darunter die Menge des durch die leitenden Platten fließenden Stromes,
die Verweilzeit, während
der das Abwasser in Kontakt mit den Platten ist, sowie der Grad
der Turbulenzen, der durch die Strömung des Abwassers durch das
System erzeugt wird. Darüber hinaus
muss die Freisetzung der Metallionen in Abstimmung mit dem Einspritzen
des Polymers erfolgen, was mit der Zielsetzung vorgenommen wird,
den geringst möglichen
Strom fließen
zu lassen, bei dem gerade noch eine ausreichende Menge von Metallionen
freigesetzt wird, um die Ausflockung von Verunreinigungen in dem
Abwasser in Gang zu setzen. Wird der Strom zu hoch gewählt, so
werden übermäßig viele
Metallionen freigesetzt, was zu einem vermehrten Abbrand der Platten
führt.
Steigt der Abbrand der Platten, so ist zusätzliches Polymer erforderlich,
um die überschüssigen Metallionen
auszuflocken, wodurch wiederum die Dichte der Flocken steigt. Es
ist daher wichtig, den Strom derart zu wählen, dass er ausreichend hoch
ist, um die Metallionen aus den Platten freizusetzen, jedoch ausreichend niedrig,
um eine annehmbare Flockendichte zu erhalten.
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Die
Schlüsselparameter
bei der Konstruktion und beim Betrieb der Zelle stellen die Fläche der Plattenoberfläche, die
Strömungsgeschwindigkeit des
Abwassers und der Strom dar. Bei einer Zelle mit einer Gesamtfläche der
Plattenoberfläche
von ungefähr
20 Quadratmetern und mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 50
Litern pro Minute wurde nachgewiesen, dass ein geeigneter Strom
im Bereich von 300 bis 450 Ampere gegeben ist. Bei einem Betrieb der
Zelle 200 mit einem Strom kleiner als 300 Ampere beziehungsweise
einem Strom größer als
450 Ampere wurden die bevorzugten Wirkungen nicht erzielt. Bei Systemen
aus dem Stand der Technik traten Schwierigkeiten dahingehend auf,
wie die Bedingungen hinsichtlich Verweilzeit und Turbulenz zu optimieren
sind, das heißt
Schwierigkeiten, die Turbulenzen zu vergrößern, während eine angemessene Verweilzeit
des Abwassers in der elektrochemischen Zelle erhalten bleibt. Die
vorliegende Erfindung hat dieses Problem dadurch gelöst, dass
in Schritt 42 ein Rücklaufstrom
dem Boden der elektrochemischen Zelle 200 erneut zugeführt wird,
der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ungefähr
das Zwei- bis Zehnfache der Durchsatzrate von 37,85 Litern (10 Gallonen)
pro Minute ausmacht. Der Rücklaufstrom schafft
hochgradige Turbulenzen in der Zelle 200, wodurch die leitenden
Platten 250 und 255 derart gereinigt werden, dass
der Kontakt des Abwassers mit der Plattenoberfläche vermehrt erfolgt. Dies
kann gegebenenfalls weiter dadurch gesteigert werden, dass Druckluft
in den Abwasserstrom eingeleitet wird, bevor dieser in die Zelle 200 eintritt.
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Die
elektrochemische Zelle 200 ist unter Verwendung rostfreien
Stahls konstruiert, der innen vulkanisiert ist, sodass er nichtleitend
wird. Wahlweise können
auch gummierter Kohlenstoffstahl oder andere Materialien oder Zusammensetzungen
verwendet werden, die strukturelle Festigkeit aufweisen, ohne dass
sie elektrischen Strom leiten. Keile 242 werden an beiden
Enden in der Zelle 200 in dem Bereich 240 angeordnet,
wodurch eine Abdichtung an den Enden der Platten gegeben ist, sodass
der Abwasserstrom keine Abkürzung
nehmen kann. Die Zelle 200 verfügt darüber hinaus über eine abnehmbare Abdeckung 204, über die
ein Zugang in das Innere der Zelle und damit zum Austausch der Kartuschen,
wie vorstehend erläutert,
ermöglicht
wird. Die Abdeckung 204 ist von der Kartusche (250, 255 und 230) über eine nichtleitende
Dichtung 206 sowie von den elektrischen Sammlern 260 und 270 über ein
nichtleitendes Passstück 209,
das zudem eine wasserdichte Abdichtung bildet, elektrisch isoliert.
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Einzigartig
ist bei der Zelle 200 darüber hinaus deren Fähigkeit,
auf den bei dem Verfahren auftretenden Aufbau von Gasen zu reagieren.
Wird der Abwasserstrom vom Boden 210 der Zelle 200 zu
deren Oberseite 220 geleitet, so erfolgt im Gegensatz zum
Stand der Technik, wo der Strom von der einen Seite zur anderen
Seite geleitet wird, kein Aufbau von Gasen, sodass keine Gastaschen
entstehen, die den Vorgang stören
könnten.
Der nach oben führende schlangenförmige Strom
in Verbindung mit einem Auslass an der Oberseite der Zelle ermöglicht,
dass Gas aus der Zelle austritt, ohne dass entsprechende Probleme
auftreten würden.
Weitere Vorteile, darunter ein gemäßigter Plattenabbrand, ein
turbulentes Mischen, ein beständiger
Gasstrom, niedrige Anforderungen an die Spannung und ein Verhindern
der Überhitzung
der Platten werden durch die Entfernung der angesammelten Gase zudem
ermöglicht.
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3 zeigt eine Teilseitenansicht
von jedem der elektrischen Sammler. In 3A ist ein erster elektrischer Sammler 260 gezeigt.
Der Boden der ersten Platte 250 ist über eine Schweißung 280 an den
ersten Sammler 260 angeschweißt, was für jede Platte mit ungeradzahliger
Nummer (vom Boden her gezählt,
das heißt
3, 5, 7 und so weiter) gilt. Die zweite Platte 255 ist
elektrisch von dem Sammler über eine
Isolation 290 isoliert, was für jede Platte mit geradzahliger
Nummer (2, 4, 6 und so weiter) gilt. In 3B ist ein zweiter elektrischer Sammler 270 gezeigt,
der im Vergleich zum ersten elektrischen Sammler 260 die
umgekehrte Plattenanbringung aufweist. Dies bedeutet, dass die erste
(untere) Platte 250 durch eine Isolation 290 von
dem Sammler 270 elektrisch isoliert ist, wohingegen die
zweite Platte 255 über
die Schweißung 280 an
dem Sammler 270 angeschweißt ist. Diese Ausgestaltung
ermöglicht nebeneinanderliegende
entgegengesetzt geladene Platten in paralleler Anordnung, was der
Ausflockung in der Zelle 220 äußerst förderlich ist. Der durch jeden
Sammler 260 und 270 fließende Strom wird in zeitlich
abgestimmten Intervallen umgepolt, um die Entstehung von Verunreinigungen
an der Kathode oder Anode zu vermeiden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die Polarität
typischerweise alle ein bis zehn Minuten umgekehrt.
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Das
Verfahren unter Einsatz der elektrochemischen Zelle 200 ist
ideal zur Entfernung negativ geladener suspendierter Feststoffe
geeignet, darunter Öle,
Lehm, Schlick, chlorierte organische Stoffe, Bakterien, Mikroorganismen
sowie Metalle, beispielsweise Arsen, Molybdän oder Chrom, die mitausfallen.
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Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dient der Reinigung von Trinkwasser.
Bei der Reinigung von Abwasser zur Aufbereitung von Trinkwasser
sind die Schritte vor der Behandlung in der elektrochemischen Zelle 200 nicht erforderlich.
Das restliche Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung sind bei diesem
Ausführungsbeispiel
identisch zu dem im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel
Beschriebenen.
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Das
beschriebene Verfahren ist darüber
hinaus hervorragend zur Entfernung positiv geladener suspendierter
Feststoffe geeignet, so beispielsweise von Schwermetallen, darunter
Kupfer, Kadmium, Nickel und Zink. Dies ist in besonderem Maße beispielsweise
bei der Entfernung dieser Verunreinigungen aus Abwasserausflüssen aus
Bergwerken von Nutzen. In diesem Fall wird, was beispielhaft für ein weiteres
alternatives Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist, vor dem Eintritt des Abwassers in
die elektrochemische Zelle 200 ein Polymer in das Abwasser
eingespritzt, das als flankierende Maßnahme zur Zugabe des Polymers
in das Abwasser nach dem Austritt aus der Zelle 200 gedacht
ist. Dieses Ausführungsbeispiel
ist in 1 gestrichelt
gezeigt. Das das Sieb 61 verlassende Abwasser wird in Schritt 63 mit
einem anionischen Polymer und in Schritt 65 mit Druckluft
auf dieselbe Weise versetzt, wie dies bei den vorstehend beschriebenen
Schritten 52 und 54 der Fall war. Die Reihenfolge,
in der Druckluft und Polymer zugeführt werden, hat kaum Auswirkungen
auf die Funktionsweise des Verfahrens. Das das eingespritzte Polymer
und die eingeblasene Luft enthaltende Abwasser wird sodann über einen
in Reihe angeordneten statischen Mischer 67 geleitet, der identisch
zu dem in Reihe angeordneten statischen Mischer 23 sein
kann. Das negativ geladene Polymer wird sodann von den positiv geladenen
Metallen angezogen, sodass sich negativ geladene Flocken mit den
Metallionen bilden. Das den Mischer 67 verlassende Gemisch
wird sodann mittels der Pumpe 306, wie vorstehend beschrieben,
zu dem Einlass 210 (2)
gepumpt. Sobald die die Metallionen enthaltenden negativ geladenen
Flocken in der elektrochemischen Zelle 200 angekommen sind,
werden sie von den positiv geladenen Metallionen angezogen, die
von den Platten 250 und 255 freigesetzt wurden, sodass
sich noch größere Flocken
bilden. Die negativ geladenen Teilchen flokken in der elektrochemischen Zelle 200,
wie vorstehend im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben, aus, wobei ein weiteres
Ausflocken der Flocken beim Einblasen der Druckluft in Schritt 52 und
beim Einspritzen des Polymers in Schritt 54 erfolgt. Der
Rest des Verfahrens bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht dem
im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel Beschriebenen.
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Auf
der Grundlage der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele eines Systems
zur Behandlung von Abwasser sowie eines Verfahrens zur Entfernung
von Verunreinigungen erschließt
sich einem Fachmann unmittelbar, wie bei der vorliegenden Erfindung bestimmte
Vorteile erreicht werden. Es ist ebenso unmittelbar einsichtig,
dass verschiedene Abwandlungen, Anpassungen und alternative Ausgestaltungen
der Erfindung innerhalb des Schutzumfanges und Geistes der vorliegenden
Erfindung vorgenommen werden können.
So wurde als Beispiel die Behandlung industrieller Abwässer erläutert, wobei
jedoch einsichtig sein sollte, dass die vorstehend beschriebenen
erfinderischen Konzepte gleichermaßen auf eine Unzahl weiterer
Fälle anwendbar
sind, darunter die Grundwasserreinigung, die Behandlung von Sturmwasser,
die Abwasserbehandlung, die Aufbereitung von Trinkwasser, die Erzaufbereitung
und die Behandlung von Wasser im Bergbau. Darüber hinaus sollen die Worte,
die in der vorstehenden Erläuterung
zur Beschreibung der Erfindung und ihrer verschiedenen Ausführungsbeispiele
verwendet werden, nicht nur im Sinne ihrer landläufig festgelegten Bedeutungen
verstanden werden, sondern durch spezielle Definitionen in der vorliegenden
Beschreibung auch Strukturen, Materialien oder Handlungsweisen jenseits
der landläufig
festgelegten Bedeutungen umfassen. Soll beispielsweise ein Element
im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung derart verstanden
werden, dass es mehr als eine Bedeutung beinhaltet, so soll dessen
Verwendung in einem Anspruch als generisch für alle diejenigen möglichen
Bedeutungen verstanden werden, die durch die Beschreibung sowie
von dem Wort selbst getragen werden. Die Definitionen der Worte
und Elemente der nachfolgenden Ansprüche sind daher in der vorstehenden
Beschreibung derart festgelegt, dass sie nicht nur die Kombinationen
von Elementen, wie sie wörtlich
ausgeführt
sind, umfassen, sondern dass alle gleichwertigen beziehungsweise äquivalenten Strukturen,
Materialien oder Handlungsweisen zur Durchführung der im Wesentlichen selben
Funktion auf die im Wesentlichen selbe Art zur Erreichung des im
Wesentlichen selben Ergebnisses eingeschlossen sind. Die beschriebenen
Ausführungsbeispiele
sind illustrativ und nicht begrenzend zu verstehen. Die Erfindung
ist darüber
hinaus in den nachfolgenden Ansprüchen niedergelegt.