DE60129594T2

DE60129594T2 - Vorrichtung zur reinigung von wasser, welches gelöste organische substanzen sowie spuren schädlicher stoffe enthält

Info

Publication number: DE60129594T2
Application number: DE60129594T
Authority: DE
Inventors: Takaaki Maekawa
Original assignee: RES INST OF TSUKUBA BIO TECH L; Research Institute of Tsukuba Bio-tech Ltd Tsukuba
Current assignee: RES INST OF TSUKUBA BIO TECH L; Research Institute of Tsukuba Bio-tech Ltd Tsukuba
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: WO2002053504A1; JP2002200490A; US20030029796A1; EP1346954A4; US6811660B2; EP1346954B1; EP1346954A1; DE60129594D1; JP4756739B2

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Methan-Fermentationsaufschlussflüssigkeiten, häuslichen Abwässern, Abwasser, Brauchwasser, Kulturteichwasser, durch ein aktiviertes Klärschlammverfahren produzierten Abwässern, Abwässer aus der Nahrungsmittelindustrie und dergleichen.
Technischer Hintergrund
Die Kontamination der Wasserumwelt wird durch die industrielle und ökonomische Entwicklung sowie durch eine Verbesserung des menschlichen Lebensstandards immer gravierender. Die Eutrophierung von Wassergebieten wird in erheblichem Maße durch Stickstoff, Phosphor und dergleichen hervorgerufen, die in den durch die Landwirtschaft und den Menschen produzierten Abwässern enthalten sind. Weiterhin wird die Gesundheit der Menschheit durch eine Zunahme organischer Stoffe, organischer Chlorverbindungen, aromatischer Verbindungen, Umwelthormonen und dergleichen bedroht, die in industriellen Abwässern enthalten sind. Es wird als schwierig erachtet, derartige Schadstoffe vollständig durch ein traditionelles Wasserbehandlungsverfahren wie z.B. ein biologisches Verfahren zu klären. Aufgrund der derzeitigen Gegebenheiten, wo gesetzliche Umweltbestimmungen verstärkt werden, ist es andererseits erwünscht, ein effizientes Abwasserbehandlungssystem zu konstruieren, welches eine hohe Betriebssicherheit aufweist, um ein stabiles Langzeit-Ökosystem aufrecht zu erhalten und Wasserressourcen zu bewahren. Es wird daher versucht, eine neue Wasserbehandlungsmethode mittels einer elektrochemischen Methode, welche besonders in den vergangenen Jahren entwickelt worden ist, auszubauen, wobei die neue Wasserbehandlungsmethode an die Stelle des biologischen Verfahrens und einer organischen Abwasserbehandlung treten soll.
Ein Merkmal der elektrochemischen Behandlungsmethode liegt in der Integration von Techniken aus verschiedenen Bereichen (z.B. elektronische Entwicklung, katalytische Technik, physikalische Chemie, Mikrobiologie und dergleichen) und Verbundtechniken aus verschiedenen Gebieten, um dadurch organische Abwässer zu behandeln, welche Schadstoffe enthalten, die mittels des biologischen Verfahrens kaum zersetzbar sind.
Die elektrochemische Behandlungsmethode ist nicht nur dafür geeignet, im Abwasser enthaltene feste Substanzen und „green powder" mit hoher Effizienz ohne Verwendung eines Flockungsmittels zu entfernen und die laufenden Kosten auf ein niedriges Niveau herabzusenken, sondern es wird auch weniger Klärschlamm als bei dem biologischen Behandlungsverfahren erzeugt. Die elektrochemische Behandlungsmethode gestattet es zu dem, den Klärschlamm als Düngemittel wieder zu verwenden, da die elektrochemische Methode keine Chemikalien verwendet.
Die elektrochemische Behandlung weist eine Schwebfunktion, eine Agglomerierungs- Präzipitationsfunktion und eine Oxidationsfunktion auf. Die im Bodenwasser enthaltenen festen Substanzen und die aufgelösten organischen Substanzen werden durch diese drei Funktionen entfernt. Von diesen drei Funktionen ist die oxidierende Funktion die Wichtigste. Die oxidierende Funktion kann in eine direkte Oxidation und eine indirekte Oxidation unterteilt werden. Die direkte Oxidation oxidiert eine organische Substanz direkt auf einer Oberfläche eines oxidierten Metalls aufgrund einer katalytischen Funktion des oxidierten Metalls, wie z.B. Titanoxid, Zinnoxid oder dergleichen. Die indirekte Oxidation oxidiert mit einem ^-OH-Radikal, welches aus Wasser durch Anodenentladung erzeugt wird.
Eine Reaktionsgleichung lautet: (1)H₂O + M[] → M[^-OH] + H⁺ + e^- (1)Eine Reaktionsgleichung für die organische Substanz und Hydroxylradikale lautet: (2) R + [^-OH] → M[] + RO + H⁺ + e^- (2)worin ein Referenzsymbol M[] eine aktive Stelle auf der Oberfläche des oxidierten Metalls darstellt und ein Referenzsymbol R die organische Substanz bezeichnet. Das Entsenden von Ozon und die Bestrahlung mit Ultraschallwellen oder elektromagnetischen Ultraschallwellen stehen als Verfahren zur Erzeugung von Sauerstoffradikalen oder Hydroxylradikalen zur Auswahl. Obwohl ein Verfahren entwickelt worden ist, welches eine optische katalytische Reaktion mittels Titanoxid verwendet, erzeugt dieses Verfahren weiterhin Radikale in einer Menge, welche in Bezug auf eine hohe elektrische Eingangsleistung gering ist, zersetzt schädliche Materialien mit einer geringen Effizienz und erfordert einen hohen Vorrichtungsaufwand. Obwohl Ozon bei Meerwasser, welches große Mengen an Brom und Mangan enthält, als wirksam erachtet wird, ist Ozon jedoch nicht bei Süßwasser wirksam.
Weiterhin ist auf die Verwendung eines Übergangsmetalls, wie z.B. Kobalt, Mangan oder dergleichen in Kombination mit Wasserstoffperoxid zu achten. Da bekannt ist, dass die Kombination aus transientem Metall und Sauerstoffperoxid Radikale mit einer Wirksamkeit erzeugt, die höher als die von Ozon ist, erfordert dieses Verfahren eine empfindliche Methode und eine abschließende Behandlung des Wasserstoffperoxids in einer Auslassöffnung, da Wasserstoffperoxid in einem Maße auf Organismen verändernd wirkt, dass dessen Zusatz zu Nahrungsmitteln verhindert werden muss. Es ist bekannt, dass das elektrochemische Behandlungsverfahren die Bildung von Sauerstoffradikalen und Hydroxylradikalen mit einer Halbwertszeit von 10 μs bis 100 ms aus vorhandenen Wassermolekülen gestattet, wenn Elektronen in die Poren einer vorhandenen Oberfläche eines Materials eintreten, welches aus feinen Teilchen aus Titanoxid, Zinnoxid, Rutheniumoxid, Platin oder dergleichen (siehe Beschreibung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 11-68862) zusammengesetzt ist. Es ist bekannt, dass dieses Radikal in Wasser enthaltene organische Substanzen, einschließlich Kohlenstoff- und Stickstoffquellen sowie kaum zersetzbare aromatische Substanzen oxidativ zerstört.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein spezifischer Zustand eines zwischen Elektroden angelegten elektrischen Feldes existiert und es für die Erzeugung der Sauerstoffradikale und Hydroxylradikale an der Oberfläche des Metalloxids mit einer hohen Effizienz notwendig ist, die Dauer eines Kontaktes zwischen dem Brauchwasser und einer Oberfläche eines Metalloxids zu verlängern. Daher ist es notwendig, die Elektrodenoberflächen durch Aussenden von Ultraschallwellen zu reinigen, wenn eine große Menge an schwebenden suspendierten Substanzen im Abwasser enthalten ist und dass durch die Elektronenbewegungen auf der Oberfläche des oxidierten Metalls oder der Oberfläche des Metalls eine Spannung, ein Strom und eine Frequenz eines elektrischen Feldes bestimmt werden.
Da eine in der Beschreibung der oben erwähnten Anmeldung beschriebene Erfindung das Problem aufwirft, dass die Erzeugung von Superoxidradikalen in einer Hochfrequenz-Region unzureichend ist und in einer Niedrigfrequenz-Region übermäßig ist, d.h. dass ein Strom während der Behandlung des Abwassers, welches eine große Menge an Ionen und dergleichen enthält, instabil ist, ist es notwendig, ein Behandlungsverfahren durch Kombinieren eines Niedrigfrequenz-Schwachstroms mit einem Hochfrequenz-Schwachstrom zu etablieren und zu erfinden, um den Einsatz eines Spannungsimpulses zu stabilisieren, wenn sich der elektrische Widerstand des Rohwassers während einer Behandlung ändert.
Um die Probleme zu lösen, die aus der Erfindung hervorgehen, welche in der Beschreibung der oben erwähnten Anmeldung beschriebenen ist, meldete der Anmelder ein „Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Substanzen und einer Spurenmenge an schädlichen Materialien" (Anmeldung 2000-2957, hierin als „Beschreibung der vorherigen Anmeldung" bezeichnet) am 02. Februar, Heisei 12, an. Eine in der Beschreibung der vorherigen Anmeldung beschriebene Erfindung offenbarte ein wasseraufreinigendes Verfahren, das gekennzeichnet ist durch das Beschichten einer Oberfläche einer Keramik, die einen Hauptkörper aus Feldspat oder Silizium aufweist, mit feinen Teilchen aus Titanoxid, Kobaltoxid, Zinnoxid, Rutheniumoxid, Iridiumoxid, Nickeloxid, Eisenoxid und Vanadiumoxid, feinen Metallteilchen aus Titan, Kobalt, Nickel, Silber und Gold oder einer Flüssigkeit, bestehend aus einer Mischung dieser Metalle und einer Lösung der gleichen Metallarten in Form ihrer Salze, das Verwenden als eine Elektrode, welche eine positive Polarität aufweist, wobei die oben beschriebenen Metalloxide oder Metalle oder die Mischung davon in einem Temperaturbereich von 800°C bis 1500°C nach einer Trocknungsbehandlung gesintert werden und das Anlegen einer Elektrode, welche eine Kathode aufweist, die aus Platin oder Titan oder rostfreiem Stahl hergestellt ist, so dass sie einer Anode gegenüber steht, wobei diese Elektroden als eine radikal erzeugende Zone verwendet werden, das kontinuierliche Hindurchfließen von Abwasser zwischen den beiden Elektroden dieser jeweils entgegengesetzt angeordneten Elektroden, das Auslösen einer Impulsentladung zwischen den Elektroden unter den Bedingungen einer Spannung von 0,2 kV/cm bis 20 kV/cm, einer mittleren Stromstärke von 1 μA/cm² bis 10 mA/cm² und einer Frequenz von 5 Hz bis 50 MHz, wodurch Radikale durch teilweises Zerlegen von Wasser erzeugt werden und in Wasser gelöste organische Substanzen und Zwischenprodukte davon oxidativ-reduktiv zersetzt werden.
Weiterhin offenbarte die in der Beschreibung der vorherigen Anmeldung beschriebene Erfindung eine wasserreinigende Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Wasseraufreinigungsverfahrens.
9 zeigt ein Elektrodenprofil, in dem eine Anode und eine Kathode zueinander gegenüberliegend angeordnet sind. Bezugsziffer 51 in 9 stellt eine Anode dar, die eine Vertiefung aufweist, welche sich in Richtung des durch Bezugsziffer 52 bezeichneten fließenden Wassers erstreckt. Der Anodenanteil 51 wird durch Beschichten einer Oberfläche einer Keramik (nichtmetallisches anorganisches Material, einschließlich Glas), die einen Hauptkörper aus Feldspat oder Sillizium oder aus einem Metall, wie z. B. Titan aufweist, mit feinen Teilchen aus Titanoxid, Kobaltoxid, Zinnoxid, Iridiumoxid, Nickeloxid, Eisenoxid und Vanadiumoxid, feinen Metallteilchen aus Titan, Kobalt, Nickel, Silber, Gold und Platin oder einer Flüssigkeit, bestehend aus einer Mischung der Metalle und einer Lösung der gleichen Metallarten in Form ihrer Salze und Sintern oder Schweißen der Metalle in einem Temperaturbereich von 500°C bis 1500°C gebildet. Kathode 53 ist aus Platin oder Titan oder rostfreiem Stahl hergestellt.
Die Anode 51 und eine Kathode 53 sind zueinander gegenüberliegend angeordnet und weisen eine Konfiguration auf, bei der die Elektroden von einer Außenzelle 54 umgeben sind. Für eine Wasserbehandlung wird das zu behandelnde Wasser von einem unteren Teil (durch einen Pfeil angegeben) zu einem oberen Teil der Außenzelle 54 befördert, wobei die Außenzelle 54 aus einem hochpolymeren Harz, wie z.B. Acrylharz, Polyäthylenharz oder dergleichen hergestellt ist, und ein Winkel θ zwischen den Oberflächen der unteren Enden der zueinander entgegengesetzt angeordneten Elektroden und dem Sockel der Zelle auf 30° bis 90° eingestellt wird, wodurch der größte Teil der Schadstoffe in dem zu behandelnden Wasser verlässlich mit der Anode in Kontakt gebracht wird. Die Schadstoffe in dem zu behandelnden Wasser werden mit einer hohen Effizienz durch Radikale, welche von der Anode 51 erzeugt werden, zersetzt.
10 zeigt Profilanordnungen wasserbehandelnder Vorrichtungen: die (a) einen zylindrischen, zirkulären verkürzten konusförmigen Elektrodentyp zeigen und die (b) einen verkürzten pyramidenförmigen Elektrodentyp zeigen.
In den 10(a) und 10(b), die den zylindrischen, zirkulären verkürzten konusförmigen Elektrodentyp und den verkürzten pyramidenförmigen Typ wasserbehandelnder Vorrichtungen zeigen, repräsentiert eine Bezugsziffer 73 eine Rohwassereinlassöffnung, bezeichnet eine Bezugsziffer 74 eine Anodenelektrode, kennzeichnet eine Bezugsziffer 75 eine Kathodenelektrode, repräsentiert eine Bezugsziffer 76 einen Mantel (welcher ebenfalls als eine Kathode dient), bezeichnet eine Bezugsziffer 77 eine Auslassöffnung für behandeltes Wasser, kennzeichnet eine Bezugsziffer 78 eine Ablassöffnung für erzeugtes Gas, repräsentiert eine Bezugsziffer 79 ein elektrisch isolierendes Material und bezeichnet eine Bezugsziffer 79a eine Durchgangsbohrung, die in dem isolierenden Material 79 für das Hindurchleiten von Rohwasser ausgebildet ist.
Der in 10(b) gezeigte verkürzte pyramidenförmige Elektrodentyp einer wasserbehandelnden Vorrichtung verwendet Elektroden, die durch Einfügen der aus Metallen und Metalloxiden hergestellten Anode 74 in den Mantel 76 der metallischen Kathode 75, Plazieren einer Titanplatte, einer Platinplatte und eines Platinbalkens im mittleren Teil und durch Verbinden dieser Platten und des Balkens mit dem Mantelteil gebildet werden.
Der in 10(a) gezeigte zylindrische, zirkuläre verkürzte konusförmige Elektrodentyp einer wasserbehandelnden Vorrichtung weist eine Konfiguration auf, bei der die wasserbehandelnde Vorrichtung eine zylindrische oder zirkulär verkürzte konische Struktur aufweist, welche zwischen den Oberflächen der unteren Enden der zwei zueinander entgegengesetzt angeordneten Anoden und dem Sockel einer Zelle einen Winkel θ von 30° bis 90° aufweist, wobei eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche dieses Zylinders aus Metalloberflächen zusammengesetzt sind, die beschichtet sind mit Pulver aus den oben beschriebenen oxidierten Metallen, Pulver der gleichen Metalle oder einer Mischflüssigkeit, bestehend aus einer Mischung davon und Salzen der gleichen Metalle und gesintert sind, wobei eine Kathode, die eine Form eines runden Balkens oder eines rechteckigen Balkens, der aus Platin, Titan oder rostfreiem Stahl hergestellt ist, aufweist, an einer Mittellage des zylindrischen, verkürzten Konus angeordnet ist, wobei eine Außenseite des zylindrischen, verkürzten Konus mit einem Mantelbehälter abgedichtet ist, der aus einem aus Titan, rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellten Metallbehälter besteht, wobei eine Kathode durch Anordnen des oben beschriebenen Mantelbehälters in einer Abwassereinlassöffnung zusammengesetzt wird, eine Abwasserauslassöffnung und eine Auslassöffnung für erzeugtes Gas und eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche des zylindrischen, verkürzten Konus als eine Radikalerzeugende Zone verwendet werden, so dass organisches Abwasser aus einem Teil, der einen großen Durchmesser innerhalb des zylindrischen verkürzten Konus aufweist, zu einem Teil gelangt, der einen kleinen Durchmesser aufweist, wieder außerhalb des zylindrischen verkürzten Konus in eine Richtung fließt, die zu der im Inneren entgegengesetzt ist und oxidativ und reduktiv durch erzeugte Radikale behandelt wird.
Der in 10(b) gezeigte verkürzte pyramidenförmige Elektrodentyp einer wasserbehandelnden Vorrichtung weist eine Konfiguration auf, in der eine Anode als eine flache Platte konfiguriert ist, welche zwischen den beiden Oberflächen der unteren Enden und den Füßen beider zueinander entgegengesetzt angeordneten Elektroden einen Winkel θ von 30° bis 90° aufweist, wobei zwei flache Platten, die perpendikulär zu einer Stärkeausrichtung der flachen Platte positioniert sind, aus Metalloberflächen zusammengesetzt sind, die beschichtet sind mit den Pulvern der oben beschriebenen oxidierten Metalle, den Pulvern der Metalle oder der Mischflüssigkeit, die aus der Mischung davon und Salzen der gleichen Metalle besteht und gesintert sind, wobei die zwei flachen Platten derart angeordnet sind, dass sie bezüglich einer Ebene symmetrisch sind, wobei die zwei seitlichen Oberflächen der zwei flachen Platten, bei denen es sich nicht um die oxidierten Metalloberflächen handelt, unter Verwendung einer flachen Platte aneinander gefügt sind, wobei die flache Platte eine Oberfläche aus Titan, rostfreiem Stahl oder dem gleichen Metall wie auf einer Seite aufweist und derart als eine verkürzte Pyramide gebildet ist, um eine Anodenspannung zu vereinheitlichen, wobei ein Mantelbehälter an einer Position symmetrisch mit einer Metalloberfläche an einer Mitte der verkürzten Pyramide ausgebildet ist in Bezug auf eine Ebene durch Skalieren der Außenseiten einer Kathodenelektrode, die aus einer Titanplatte, einer rostfreien Stahlplatte, einem Platinnetz oder einem runden Platinbalken und der verkürzten Pyramide mit einem Titan-oder rostfreiem Stahlbehälter zusammengesetzt ist und wobei eine Kathode durch Anordnen des oben beschriebenen Mantelbehälters in einer Abwassereinlassöffnung, einer Abwasserauslassöffnung und einer Auslassöffnung für erzeugtes Gas ausgebildet ist, wobei die inneren Oberflächen und die äußeren Oberflächen der zwei mit den Metalloxiden beschichteten flachen Platten als eine Radikal-erzeugende Zone dienen, so dass organisches Abwasser aus einem Teil, der einen großen Durchmesser oder eine große Länge innerhalb der verkürzten Pyramide aufweist, herausgefördert wird und organische Substanzen und schädliche Materialien, die in dem Abwasser enthalten sind, zu einem Teil, der einen kleinen Durchmesser oder eine kleine Länge aufweist, gelangen, oxidativ und reduktiv durch erzeugte Radikale zersetzt und behandelt werden, während das Abwasser wieder außerhalb der verkürzten Pyramide in einer zur Innenseite entgegengesetzten Richtung fließt.
Obwohl es sich bei der in der Beschreibung der vorherigen Anmeldung beschriebenen wasserbehandelnden Vorrichtung und dem wasserbehandelnden Verfahren um eine epochemachende wasserbehandelnde Vorrichtung und um ein epochemachendes wasserbehandelndes Verfahren handelt, wurde herausgefunden, dass diese Vorrichtung und dieses Verfahren einen kontinuierlichen Betrieb fast nicht gestatten, da der kontinuierliche Betrieb zu Ereignissen, wie z.B. der Ansammlung von Blasen in einem oberen Abschnitt der Vorrichtung führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine wasserbehandelnde Vorrichtung bereitzustellen, welche kontinuierlich betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Reinigung aufgelöster organischer Substanzen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien bereit, wobei die Vorrichtung aus einer Anode besteht, welche gebildet wird durch Mischen von Ton und/oder Glas mit 2 bis 15 Gewichtsprozent an Übergangsmetallen und 1 bis 10 Prozent an oxidierten Übergangsmetallen, Sintern der Mischung innerhalb eines Bereiches von 800 bis 1500°C oder Beschichten einer Oberfläche eines Metalls, wie z.B. Titan, mit einer Mischung aus feinen Teilchen von Anatas-artigem Titanoxid, Zinnoxid, Rutheniumoxid und Platin als eine Glasur und wiederholtes Sintern der Mischung bei einer Temperatur von 580 bis 980°C.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die oben beschriebene Anode in einer zylindrischen Form konfiguriert ist und ein elektrisch leitendes Metall an einem Ende der Anode aufgebracht ist.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisch leitendes Metall parallel zu einer Achse der oben beschriebenen zylindrischen Anode eingebracht ist.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass an das oben beschriebene elektrisch leitende Metall ein Spannungsimpuls und ein Strom angelegt ist.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode in einer Mitte der oben beschriebenen zylindrischen Anode angeordnet ist.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die oben beschriebene Anode und die oben beschriebene Kathode in einen Zustand versetzt werden, bei dem die Anode und die Kathode in einem Unterwasserzustand gehalten werden und mit einem Oszillator verbunden sind, welcher bei einer mittleren Stromdichte von 0,1 μA/cm² bis 10 mA/cm² bei einer Frequenz von 5 Hz bis 50 MHz und einer Spannung von 0,2 kV/cm bis 20 kV schwingt.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass Rohwasser abwärts aus einem oberen Anteil zu einem unteren Anteil der Seitenwand der oben beschriebenen Anode geleitet wird und durch verschiedene Arten aktiver Spezies (Radikale), die zwischen der oben beschriebenen Kathode und Anode erzeugt werden, oxidiert und gereinigt wird.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Anode zusammgesetzt ist, die in einer Form konfiguriert ist, welche einen rechteckförmigen oder einen verkürzten pyramidenförmigen konkaven Anteil aufweist.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxid eines Übergangsmetalls in dem konkaven Anteil der oben beschriebenen Anode bei 580°C bis 980°C gesintert ist und mittels eines isolierenden Materials elektrisch leitende Metallplatten an beiden Seiten der Elektrode als eine Kathode ausgebildet sind.
Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die oben beschriebene Anode Abmessungen von 5 bis 10 mm in der Dicke, 5 bis 100 cm in der Breite und 10 bis 70 cm in der Höhe aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Fließschema, das eine Gesamtkonfiguration der erfindungsgemäßen wasserbehandelnden Vorrichtung und einen Behandlungsfluss zeigt.
2 ist eine Perspektivansicht, die eine erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt: (a) ist eine Perspektivansicht eines hohlen verkürzten zirkulären Konus und (b) ist eine Schnittansicht, die einen Fall zeigt, bei der die Anoden mehrstufig angehäuft sind.
4 ist eine teilweise übertragene Perspektivansicht, die eine 4. Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration zeigt.
5 ist eine Schnittansicht, die eine 5. Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration zeigt.
6 ist eine Schnittansicht, die eine 6. Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration zeigt.
7 ist eine Schnittansicht, die eine 7. Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration zeigt.
8 ist eine Perspektivansicht, die eine 7. Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenkonfiguration zeigt.
9 ist eine Schnittansicht, die eine Anode und eine Kathode zeigt, welche in einer konventionellen Wasserbehandlungsvorrichtung zueinander entgegengesetzt angeordnet sind.
10 ist eine Schnittansicht, die Konfigurationen einer Elektrode zeigt, welche eine Form eines verkürzten zirkulären Konus aufweist und eine Elektrode, welche eine Form einer verkürzten Pyramide aufweist.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung werden in bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben. 1 ist ein Fließschema, das die Gesamtkonfiguration einer wasserbehandelnden Vorrichtung und eines Behandlungsflusses zeigt, wobei in 1 eine Bezugsziffer 101 einen Zulauf regulierenden Tank repräsentiert, eine Bezugsziffer 102 ein Müll entfernendes Sieb bezeichnet, eine Bezugsziffer 103 einen Sammeltank kennzeichnet, eine Bezugsziffer 104 einen Klärschlammeindickungstank repräsentiert, eine Bezugsziffer 105 einen Klärschlammeindickungstank bezeichnet, eine Bezugsziffer 106 einen ersten Elektrodentank kennzeichnet, eine Bezugsziffer 107 einen ersten Einstelltank repräsentiert, eine Bezugsziffer 108 einen zweiten Elektrodentank bezeichnet, eine Bezugsziffer 109 einen zweiten Einstelltank kennzeichnet, eine Bezugsziffer 110 ein temporales Sammelbecken repräsentiert, ein Bezugssymbol P1 eine Flüssigkeitseinspeisungspumpe bezeichnet und ein Bezugssymbol P2 eine Hochdruckspülpumpe kennzeichnet.
Zu behandelndes häusliches Abwasser (hierin nachstehend als „zu behandelndes Rohwasser" bezeichnet) wird in den Zulauf regulierenden Tank 101 eingeleitet, mittels der Flüssigkeitseinspeisungspumpe P1 zu dem Sieb 102 befördert und in den Sammeltank 103 eingeleitet, nachdem suspendierte Substanzen aus dem Abwasser entfernt worden sind. Der Sammeltank 103, der zur stabilen Wasserversorgung des nächsten Schrittes angeordnet ist, fungiert auch als ein Präzipitationsbeschleuniger. Der Überstand in dem Sammeltank 103 fließt in den ersten Elektrodentank 106 (oxidierender Tank). Da Sauerstoffradikale (^-O) hauptsächlich in dem ersten Elektrodentank 106, an dem eine niedrige Spannung angelegt ist, erzeugt werden, werden in dem zu behandelnden Rohwasser enthaltene Substanzen oxidiert und feste Substanzen werden agglomeriert und präzipitiert.
Eine Spannung, die an dem ersten Elektrodentank 106 (oxidierender Tank) angelegt ist, beträgt 240 bis 500 V und die Stromdichte beträgt 40 bis 50 mA/cm².
Überstandswasser des oxidativ mittels des ersten Elektrodentanks 106 behandelten Brauchwassers fließt zur präzipitierenden Behandlung für eine bestimmte Zeit in den ersten Einstelltank 107, wobei der Überstand aus dem ersten Einstelltank in den zweiten Einstelltank 108 (reduzierender Tank) fließt. Da Hydroxylradikale (^-OH) hauptsächlich in dem zweiten Elektrodentank 108 erzeugt werden, an dem Hochspannungsimpulse angelegt werden, werden in dem Überstand enthaltene kaum zersetzbare Substanzen wie z.B. Stickstoff in Form von Ammoniak in dem oxidierenden Tank 106 zersetzt und feste Substanzen werden agglomeriert und präzipitiert.
Eine an den zweiten Elektrodentank 108 (reduzierender Tank) angelegte Spannung beträgt 2000 bis 5000 V und die Stromdichte beträgt 50 bis 70 μA/cm².
Überstandswasser des in dem zweiten Elektrodentank 108 behandelten Brauchwassers fließt in den zweiten Einstelltank 109, wobei das Überstandswasser in dem zweiten Einstelltank 109 in das temporale Sammelbecken 110 fließt und dann abgeleitet wird nachdem eine präzipitierende Behandlung für einebestimmte Zeit durchgeführt wurde.
Da feste Substanzen und dergleichen in jedem der Elektrodentanks 106 und 108 präzipitiert werden, wird das Präzipitat abgeleitet und in den Klärschlammeindickungstank 105 durch Sprühen abgeleiteten Wassers bei einem hohen Druck in jeden der Tanks 106 und 108 mit einer Hochdruckspülpumpe P2 unter Bedingungen eingebracht, bei denen die Behandlung unterbrochen wird, wie es ab und an erforderlich ist. Weiterhin wird das Präzipitat in jedem der Einstelltanks 107 und 109 entsprechend auch in den Klärschlammeindickungstank 105 abgeleitet.
Das Überstandswasser in dem Klärschlammeindickungstank 105 fließt in den Klärschlammeindickungstank 104, gelangt dann zurück in den Zulauf regulierenden Tank 101 und wird dann nochmals behandelt. In dem Klärschlammeindickungstank 105 präzipitierte feste Substanzen und dergleichen werden abgeleitet und dann als feste Substanzen behandelt.
2 ist eine Perspektivansicht, die die erfindungsgemäße Elektrodenkonfiguration zeigt: (a) zeigt eine erste Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration, bei der eine Kathode 2, die aus einer einzelnen oder einer Vielzahl von hohlen, zylindrischen, balkenförmigen oder linearen elektrisch leitenden Metallen zusammengesetzt ist, parallel zu einer Achse einer hohlen zylindrischen Anode 1 angeordnet ist.
Die Anode 1 ist in Gestalt eines hohlen Zylinders konfiguriert und wird durch Mischen von Ton oder Glas oder einer Mischung davon mit 2 bis 15 Gewichtsprozent eines Übergangsmetalls und 1 bis 10% eines oxidierten Übergangsmetalls, Sintern der Mischung in einem Bereich von 800 bis 1500°C, nachfolgendes Beschichten der Mischung mit Anatas-artigem Titanoxid, Zinnoxid, Rutheniumoxid und feinen Platinteilchen als eine Glasur und wiederholtes Sintern der Mischung bei einer Temperatur von 580 bis 980°C gebildet.
2(b) zeigt eine zweite Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration, in der ein Anodenabschnitt durch Bedecken einer Anode 2 mit einer Kappe 3, welche aus einem elektrisch leitenden Metall hergestellt ist, ausgebildet ist.
(c) zeigt schematisch einen Schaltkreis in einem Elektrodentank, in dem ein Stromimpuls zwischen 2 Elektroden angelegt wird. Ein Strom I₀ wird ausgehend von einem Oszillator 4 in Form von Impulsen in einer Richtung bereitgestellt, die durch einen Pfeil angegeben ist und zwischen der Anode 1 und der Kathode 2 fließt. Die Bezugssymbole R₀ und R₁ repräsentieren Widerstände.
Die Anode 1 und die Kathode 2 werden in einem Unterwasserzustand gehalten und mit dem Oszillator 4 verbunden, welcher bei einem Strom mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz und einer Stromdichte von 0,1 μA/cm² bis 10 mA/cm² schwingt.
3(a) zeigt eine dritte Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration, bei der eine Anode 1 als eine hohle verkürzte Pyramide ausgestaltet ist und einen Fußkegelwinkel von 30° bis 90° aufweist.
3(b) zeigt eine Ausführungsform, bei der die Anode 1 gemäß der ersten Ausführungsform mehrstufig angehäuft ist und ein äußerer Umfang einer jeden Anode 1 mit einem elektrisch leitenden wasserdichten Material umhüllt ist.
Im Hinblick auf eine leichte Herstellung des Mantels wird für den Elektrodentank eine mehrstufige Bauweise angewendet. Ein fixierter Anteil an einem unteren Teil des Elektrodentanks wird mit einem Bolzen oder dergleichen befestigt und ist insgesamt aus einem isolierenden, wasserdichten Material gebildet.
Ein Anschlussteil 6, welches aus dem isolierenden, wasserdichten Material hergestellt ist, ist an einem verbundenen Teil einer jeden Anode 1 ausgebildet, wobei eine Rinne 6a für das Rohwasser in dem Anschlussteil 6 ausgebildet ist. Es ist möglich, für das Rohwasser entweder eine Variante auszuwählen, bei der das Rohwasser aus einem oberen Abschnitt zu einem unteren Abschnitt der Vorrichtung fließt oder eine Variante auszuwählen, bei der das Rohwasser aus dem unteren Abschnitt zu dem oberen Abschnitt der Vorrichtung fließt, wobei in einem in den 9 und 10 gezeigten konventionellen Beispiel Rohwasser aus einem unteren Abschnitt zu einem oberen Abschnitt einer Vorrichtung fließt.
Eine vierte Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration ist in 4 gezeigt, bei der eine Bezugsziffer 21 eine Anode repräsentiert, eine Bezugsziffer 22 eine Kathode bezeichnet, eine Bezugsziffer 23 eine Sprühöffnung für Reinigungswasser zur Reinigung eines Innenbereiches des Elektrodentanks mit Reinigungwasser aus einer Reinigungsleitung, welche mit einer Hochdruckpumpe verbunden ist, kennzeichnet, eine Bezugsziffer 25 einen Mantel kennzeichnet, der einen äußeren Umfang aufweist, der mit einem wasserdichten Material behandelt ist, eine Bezugsziffer 27 einen Flansch bezeichnet, eine Bezugsziffer 28 eine Kappe kennzeichnet, eine Bezugsziffer 29a eine Einlassöffnung für Rohwasser repräsentiert, eine Bezugsziffer 29b eine Auslassöffnung für behandeltes Wasser bezeichnet, eine Bezugsziffer 29c eine Ablassöffnung für flüssige Blasen kennzeichnet, eine Bezugsziffer 6 ein Anschlussteil, das aus wasserdichtem Material hergestellt ist, repräsentiert und eine Bezugsziffer 6b ein isolierendes Trägerteil zur Verbindung eines unteren Anteils einer Elektrode 1 mit dem Anschlussteil bezeichnet. Obwohl nicht gezeigt, ist in dem Anschlussteil 6 eine Rinne 6a für das Präzipitat ausgebildet.
Die Elektrode 1 ist in den Mantel 25 in geeigneter Zahl eingebracht, wobei die unteren Anteile der Elektroden 1 an dem Anschlussteil 6 mittels der isolierenden Trägerteile 6b befestigt sind und wobei obere Anteile der Elektroden 1 an eine wasserdichte Platte (nicht gezeigt), die aus dem wasserdichten Material hergestellt ist und welche an dem Flansch angeordnet ist, befestigt sind. Die Anoden 1 und eine Kathode 2 sind mittels Elektroden haltenden Metallanschlussstücken 1a, 2a und einem isolierten Draht mit einer Stromquelle verbunden. Die Ableitungsöffnung 29c für flüssige Blasen dient zur Ableitung von an der Wasseroberfläche H produzierten Blasen, wobei die Wasseroberfläche H über der Rohwassereinlassöffnung 29a liegt.
Eine fünfte Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration ist in 5 gezeigt, bei der eine Bezugsziffer 21 eine zylindrische Anode repräsentiert, eine Bezugsziffer 22 eine zylindrische Kathode bezeichnet, eine Bezugsziffer 23 eine Düse (Sprühöffnung für Reinigungswasser) kennzeichnet, eine Bezugsziffer 24 eine Düse (Sprühöffnung für Reinigungswasser) kennzeichnet, die an einem mittleren Anteil angeordnet ist, eine Bezugsziffer 25 eine Außenleitung (Mantel) repräsentiert, eine Bezugsziffer 26 eine nichtmetallische, netzartige Hülle bezeichnet, die derart ausgebildet ist, dass sie einen äußeren Umfang des Mantels bedeckt.
Die zylindrische Kathode 22 ist derart konfiguriert, dass sie eine Form eines hohlen Zylinders aufweist, wobei eine Durchgangsbohrung in dem äußeren Umfang des Zylinders ausgebildet ist und ein oberer Anteil mit einer Reinigungsleitung verbunden ist, so dass Reinigungswasser aus der Kathode schießt.
Eine sechste Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration, bei der es sich um eine zylindrische Elektrodenkonfiguration handelt, ist in 6 gezeigt, bei der eine Bezugsziffer 31 eine Kathode repräsentiert, eine Bezugsziffer 32 Anoden bezeichnet, eine Bezugsziffer 34 eine Außenleitung (Mantel) kennzeichnet und eine Bezugsziffer 35 eine Hülle repräsentiert. In dieser Ausführungsform ist die Kathode derart konfiguriert, dass sie eine Form eines Hohlzylinders aufweist, wobei die Anoden 32 als bogenförmige Elektroden an einem Umfang rund um die Kathode 31, welche die Radien R1 und R2 (R2 = R½) aufweist, angeordnet sind, wodurch die gesamte Oberfläche der Außenleitung 35 von der Kathode 31 aus gesehen mit den Anoden 32 und 33 bedeckt ist.
7 zeigt eine siebente Ausführungsform der Elektrodenkonfiguration, bei der die Elektrodenkonfiguration eine rechteckige Form aufweist, wobei es sich bei (a) um eine Schnittansicht und bei (b) um eine Perspektivansicht handelt. In 7 repräsentiert eine Bezugsziffer 41 eine Kathode, bezeichnet eine Bezugsziffer 42 eine Anode, welche einen elektrisch leitenden Körper hält, der aus einem Metalloxid hergestellt ist, kennzeichnet eine Bezugsziffer 43 eine geschweißte Schicht (Anode) oder gesinterte Schicht, die aus einem Metalloxid zusammengesetzt ist, repräsentiert eine Bezugsziffer 44 einen Isolator, kennzeichnet eine Bezugsziffer 45 eine Durchgangsbohrung für Rohwasser und kennzeichnet eine Bezugsziffer 46 einen Isolator, der die rechteckigen, zu beschichtenden Elektroden in einer Vielzahl von Schichten voneinander isoliert. Die Isolatoren 44 und 46 sind aus einer Keramik hergestellt.
Die Anode 42, die einen trapezförmigen Abschnitt aufweist, ist derart angeordnet, so dass ein Winkel θ, der zwischen einer Oberfläche der Kathode 41 und einem schrägen Anteil der Anode ausgebildet ist, 30° bis 90° beträgt. Die trapezförmige Anode 42 ist zwischen den Kathoden 41, die parallel zueinander verlaufen, angeordnet. Metalloxidschichten 43 sind in konkaven Anteilen der Anoden 42 durch Schweißen eines oxidierten Übergangsmetalls oder Sintern des oxidierten Übergangsmetalls bei 580 bis 980°C ausgebildet, und die Isolatoren 44 sind an beiden Seiten eines konvexen Anteils der Anode 42 angeordnet. Die Anode 42 ist derart konfiguriert, dass sie in Kontakt mit einer elektrisch leitenden Metallplatte steht, bei der es sich um die Kathode 41 handelt.
Die Anode 42 ist als ein Segment konfiguriert, welche Abmessungen von 5 bis 10 mm in der Höhe, 50 bis 100 cm in der Breite und 10 bis 70 cm in der Höhe aufweist.
Wie in 8 zu sehen, steigt in einer siebenten Ausführungsform Rohwasser in einer durch einen Pfeil A angegebenen Richtung, gelangt durch eine Durchgangsbohrung 45 und fließt in eine durch einen Pfeil B angegebene Richtung.
Industrielle Anwendbarkeit
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet selbst bei einer Kombination eines Niedrigfrequenz-Schwachstroms mit einem Hochfrequenz-Schwachstrom die Durchführung einer stabilen Behandlung, da Hydroxylradikale und Sauerstoffradikale in einer Hochfrequenzregion und einer Niedrigfrequenzregion erzeugt werden, wobei ein konstanter Strom bereitgestellt wird und der Energieverbrauch selbst bei einer Behandlung von Brauchwassser, welches große Mengen an Ionen enthält, reduziert wird.
Weiterhin ist die Vorrichtung in einer Wasserbehandlungsanlage im Großmaßstab einsetzbar, da die Vorrichtung kontinuierlich betrieben werden kann. Weiterhin gestattet die Vorrichtung die Durchführung einer stabilen Behandlung mittels einer Anpassung eines anzulegenden Spannungsimpulses, selbst wenn sich der elektrische Widerstand des Rohwasser während einer Behandlung ändert.
Trotz des Verzichts auf den Einsatz von Chemikalien und den damit verbundenen Auswirkungen zeigt die Vorrichtung eine bemerkenswerte Wirksamkeit im Hinblick auf die Reinigung von häuslichen Abwässern und das Entfernen von „blue powder". Ferner benötigt die Vorrichtung nur einen kleinen Bereich der Anlage und erleichtert den Betrieb.

1: Anode
2: Kathode
3: Aus elektrisch leitendem Metall hergestellte Kappe
4: Oszillator
5: Kathoden fixierender Teil
21: Zylindrische Anode
22: Zylindrische Kathode
23: Düse
24: Düse
25: Außenleitung
26: Netzartige Hülle
31: Kathode
32: Anode
33: Anode
34: Außenleitung
35: Hülle
41: Kathode
42: Elektrisch leitender Körper zum Trägern von Metalloxid (Anode)
43: Geschweißte Metalloxidschicht
44: Isolierendes Material
45: Flüssigkeitdurchgangsbohrung
46: Isolierendes Material zur Isolation einer beschichteten Elektrode
51: Elektrisch leitender Körper zum Trägern von Metalloxid (Anode)
52: Geschweißte Metalloxidschicht
53: Kathode
54: Isolierendes Material zur Isolation einer Elektrode
θ: 30° bis 90°
73: Abwassereinlassöffnung
74: Metalloxid
75: Metallische Kathode
76: Mantel
77: Ablassöffnung für behandeltes Wasser
78: Einlassöffnung für erzeugtes Gas
79: Isolierendes Material
80: Öffnung für das Ablassen erzeugter Blasen

Claims

Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien, wobei die Vorrichtung aus einer Anode (1) besteht, welche durch Mischen von Ton und/oder Glas mit 2 bis 15 Gewichts-% eines Übergangsmetalls und 1 bis 10% eines oxidierten Übergangsmetalls, Sintern der Mischung innerhalb eines Bereiches von 800 bis 1500°C und Beschichten einer Oberfläche der gesinterten Mischung mit einer Mischung aus Anatas-artigem Titanoxid, Zinnoxid, Rutheniumoxid und feinen Platinteilchen als eine Glasur oder Beschichten einer Oberfläche eines Metalls mit einer Mischung aus Anatas-artigem Titanoxid, Zinnoxid, Rutheniumoxid und feinen Platinteilchen als eine Glasur und wiederholtes Sintern der glasierten Mischung des Übergangsmetalls oder des glasierten Metalls bei einer Temperatur von 580 bis 980°C gebildet oder geschweißt wird.
Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) in einer zylindrischen Form konfiguriert ist und ein elektrisch leitendes Metall an einem Ende der Anode aufgebracht ist.
Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisch leitendes Metall parallel zu einer Achse der zylindrischen Anode (1) eingefügt ist.
Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kathode (2) in einer Mitte der zylindrischen Anode (1) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien gemäß den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Anode (42) zusammengesetzt ist, die in einer Form konfiguriert ist, welche einen rechteckförmigen oder einen verkürzten pyramidenförmigen konkaven Anteil aufweist.
Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxid eines Übergangsmetalls (43) in dem konkaven Anteil der Anode (42) bei 580 bis 980°C gesintert ist und mittels eines Isolators (44) elektrisch leitende Metallplatten an beiden Seiten der Elektrode als eine Kathode (41) ausgebildet sind.
Vorrichtung zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (42) Abmessungen von 5 bis 10 mm in der Dicke, 5 bis 100 cm in der Breite und 10 bis 70 cm in der Höhe aufweist.
Verwendung einer Vorrichtung wie in Anspruch 2 oder 3 beansprucht, zur Reinigung aufgelöster organischer Verbindungen und einer Spurenmenge schädlicher Materialien, dadurch gekennzeichnet, dass an das elektrisch leitende Metall ein Spannungsimpuls und ein Strom angelegt werden.
Verwendung wie in Anspruch 8 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (1) und die Kathode (2) in einem Unter-Wasser-Zustand gehalten werden und mit einem Oszillator (4) verbunden sind, welcher bei einer mittleren Stromdichte von 0,1 μA/cm² bis 10 mA/cm² bei einer Frequenz von 5 Hz bis 50 MHz und einer Spannung von 0,2 kV/cm bis 20 kV schwingt.
Verwendung wie in Anspruch 8 oder 9 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass Rohwasser abwärts zu einem oberen Anteil einer Seitenwand der Anode (1) geleitet wird und durch verschiedene Arten aktiver Spezies (Radikale), die zwischen der Kathode (2) und einer Anode erzeugt werden, oxidiert und gereinigt wird.