DE60308189T2

DE60308189T2 - Abwasserbehandlung mittels fest-flüssigtrennung und gepulste elektrische felder

Info

Publication number: DE60308189T2
Application number: DE2003608189
Authority: DE
Inventors: Luc Schrive; Philip Nouvel; Alain Grasmick
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: CA2491454C; ES2270107T3; JP4791036B2; AU2003260649A8; DK1519900T3; WO2004005197A3; AU2003260649A1; DE60308189D1; EP1519900A2; WO2004005197A2; US7854851B2; JP2006511321A; JP2011177713A; CA2491454A1; FR2841796B1; US20050211638A1; US7381328B2; FR2841796A1; US20080190863A1; PT1519900E

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage (Vorrichtung) zur Behandlung von Abströmen (Abwässern), in denen elektrische Impulsfelder (gepulste elektrische Felder) angewendet werden, deren Effekt darin besteht, eine physikalisch-chemische und biologische Modifizierung eines wässrigen Mediums zu bewirken, die bei der Membran-Filtration ausgenutzt wird.
Der Wasserbedarf in Frankreich (Wasser für den menschlichen Verzehr (Trinkwasser), industrielle Wässer, landwirtschaftliche Wässer) beträgt 700 m³ pro Jahr pro Einwohner. Der Trinkwasserbedarf liegt in der Größenordnung von 300 l/Tag pro Einwohner. Der Wasserbedarf einer Stadt erfordert die Durchführung einer Behandlung (Aufbereitung) vor und nach dem Verbrauch.
Die Beschaffung von Wasser gehört somit zu den großen Herausforderungen unserer Zeit und dies auf drei verschiedenen Ebenen:

– in Bezug auf die vorhandenen Ressourcen;
– in Bezug auf die Behandlung (Aufbereitung) des Wassers vor der Verwendung, wobei ein Großteil davon für den menschlichen Verbrauch bestimmt ist (zur Vereinfachung wird nachstehend der Ausdruck "Trinkwasser" verwendet);
– die Behandlung von Abwässern vor der Entsorgung in die Umwelt. Es handelt sich dabei üblicherweise um Abwässer von Kläranlagen sowie um Rückstandsschlämme. In einem weiteren Sinne umfasst der zuletzt genannte Punkt die Behandlung (Wiederaufbereitung) von Wasser vor der erneuten Verwendung (auch tertiäre Behandlung genannt), häufig für die Verwendung in der Landwirtschaft oder in der Industrie.

Da Wasser das Lösungsmittel des Lebens (ein Lebensmittel) ist, vermehren sich darin natürliche Organismen. Unter ihnen gibt es eine bestimmte Anzahl von pathogenen Organismen (Bakterien, Hefen, Parasiten), oder solche, die pathogene Organismen beherbergen (Amöben), oder auch solche, welche die Entwicklung von Viren in Wirtszellen ermöglichen.
In bestimmten Fällen handelt es sich dabei um Stoffwechsel-Verbindungen von Mikroorganismen, die pathogen sein können (Toxine von Cyanobakterien).
Es kann sich dabei aber auch handeln um chemische Verbindungen, natürliche Verbindungen, die von Stickstoff abgeleitet sind, oder um anthrope Verbindungen (Arsen, Quecksilber, Insektizid-Rückstände, Antibiotika-Rückstände), welche die Ursache für Gesundheitsprobleme darstellen können.
Diese Verbindungen haben unterschiedliche Größen und Zusammensetzungen. Die Größen können liegen bei einigen Millimetern bei bestimmte Parasiten (Ascaris lombricoides, Anguillula intestinalis), in der Größenordnung von einigen 10 μm für ihre Eier oder bei Amöben (50 μm), in einer Größenordnung von einigen μm bei Bakterien und Pilzen (0,3 μm für die kleinste Dimension von Pseudomonas diminuta), in der Größenordnung von einigen nm bei Viren (25 nm für das Poliomyelitis-Virus) und in der Größenordnung von nm für die kleinsten gelösten Verbindungen. Die Mikroorganismen können in Form von Sporen vorliegen, die gegenüber einer aggressiven Umgebung sehr beständig sind. Die Pathogenizität, die auf biologische Organismen zurückzuführen ist (im Gegensatz zu den chemischen Verbindungen) nimmt einen großen Platz ein, insbesondere wegen des Aspekts des Wiederauflebens (Reviviszenz) der meisten der Bakterien. Dieser Aspekt ist besonders wichtig, wenn er unter einer Immundepression leidende Patienten (Individuen) betrifft, mit Species, wie z.B. Protozoen-Zysten wie Cryptosporidium parvum.
Um das Verständnis der vorliegenden Anmeldung zu erleichtern, sei darauf hingewiesen, dass die Gefahr besteht, dass eine biologische Membran eines Mikroorganismus verwechselt wird mit einer Trennmembran in einem Filtrations-Verfahren. Erstere nimmt ausdrücklich Bezug auf die Plasmamembran, die besteht aus einer doppelten Lipidschicht. Letztere wird qualifiziert als "Verfahrens"-Membran o der als Filtrations-Membran oder als Filter-Membran oder auch ohne präzisierenden Zusatz mit dem Ausdruck "Membranen/CEP-Kopplung".
Stand der Technik
Die konventionellen Behandlungen (Aufbereitungen) von Wasser umfassen die Gesamtheit von Trinkwasser- und Abwasser-Strömen oder Schlämmen, die bei konventionellen Behandlungen (Aufbereitungen) entstehen, um die gesetzlichen Normen einzuhalten.
Chronologisch handelt es sich dabei darum, die teilchenförmige Fraktion (Verbindungen, deren Größe oberhalb 1 μm liegt), kolloidale Fraktionen (mit einer Teilchengröße von einigen 10 nm) und dann die lösliche Fraktion zu eliminieren. Diese Stufen entsprechen jeweils:

– Vorbehandlungen (einer Rechen-Reinigung, einer Sandabscheidung, einer Entölung, einer Siebung (Klassierung),
– Behandlungen zur Klärung (Koagulation, Ausflockung, Flotation),
– einer Desinfektion (chemisch oder physikalisch),
– Schlussbehandlungen (Eliminierung von Mikroschadstoffen durch Oxidation, Adsorption an Aktivkohle, Nanofiltration, und dgl.).

Was die Trinkwasser-Herstellung bzw. -Aufbereitung angeht, so besteht die übliche Behandlung darin, physikalische Behandlungen (eine Rechen-Reinigung, eine Filtration über Sand und dgl.), eine physikalisch-chemische Behandlung (Koagulation, Ausflockung), gefolgt von einer Schlussbehandlung, durchzuführen, deren Ziel es ist, das Wiederaufleben (die Reviviszenz) von Mikroorganismen zu vermeiden oder lösliche organische Moleküle zu eliminieren: eine Chlorierung, Ozonisierung, Oxidation mit Wasserstoffperoxid, eine UV-Strahlenbehandlung, Nanofiltration, Adsorption an Aktivkohle durchzuführen.
Eine zunehmende Tendenz begünstigt eine vollständige Trennungsbehandlung (durch Umkehrosmose), um ein vollständig gereinigtes Wasser zu erhalten, dann wieder zum Schluss daraus ein Wasser von Lebensmittelqualität herzustellen durch Zugabe von Salzen und Oligoelementen. Dies ist der Fall bei den "Wasserflaschen"-Verfahren, deren Nachfrage stark zunimmt sowohl in den entwickelten Län dern (aus Gründen des "Komforts" beim Verbrauch) wie in den Entwicklungsländern (aus sanitären Gründen im Bereich der Mikrobiologie).
Auf dem Gebiet der Abwässer besteht das wesentliche Ziel der angewendeten Verfahren darin, eine Konzentration an pathogenen Verbindungen, suspendierten Materialien und löslichen Verbindungen zu erzielen, die mit dem Rezeptormedium kompatibel ist. In der Praxis werden Verfahren angewendet, die eine Verringerung des chemischen Sauerstoffbedarfs (DCO), sodass der verbleibende DCO unterhalb 80 oder 100 mg/L liegt, oder eine Verringerung des biologischen Sauerstoffbedarfs (DBO), sodass der DBO₅ unterhalb 20 mg/L liegt, ermöglichen.
Die klassischen Verfahren sind die aerobe biologische Behandlung (die letzte Oxidation der gelösten Verbindungen, beispielsweise vom Glucid-Typ in Form von CO₂ und H₂O) und die anaerobe biologische Behandlung (eine Fermentation in Abwesenheit von Sauerstoff, deren letzte Stufe eine Freisetzung von Methan ist). In beiden Fällen handelt es sich um Verfahren zum Abbau von organischem Material durch eine bakterielle Biomasse, wobei Redox-Reaktionen angewendet werden, die durch spezifische Enzyme katalysiert werden.
Was die Abwässer angeht, so werden sie einer tertiären Behandlung unterzogen, wobei die bakteriologischen Anforderungen üblicherweise weniger streng sind als bei der Behandlung von Trinkwasser aufgrund des Umstandes, dass Abwässer nicht direkt eingenommen werden. Dennoch werden unter dem Gesichtspunkt einer Wiederverwendundung des Wassers die Vorschriften nach dem Muster des "Gesetzes 22" in Kalifornien zunehmend strenger (im Falle von wiederverwendbaren Wässern für die Landwirtschaft sind noch 22 Colibakterien pro Liter zulässig) und die damit verbundenen Verfahren ähneln mehr und mehr den Trinkwasser-Aufbereitungsverfahren.
Auf dem Gebiet der Schlämme werden 22 kg Trockenmaterial als Einwohner-Äquivalent pro Jahr erzeugt (entsprechend mehr als einer Million Tonnen pro Jahr in Frankreich), die stammen aus der Behandlung von städtischen oder industriellen Abwässern. Am Anfang stellen die Schlämme eine extrem fließfähige Suspension dar, deren Gehalt an Trockenmaterial 0,5 bis 5 % beträgt. Diese Schlämme können hydrophil sein (dies ist die überwiegende Menge der Schlämme) oder sie können hydrophob sein, sie können physikalischen oder biologischen Ursprungs sein entsprechend der Behandlung, aus der sie stammen.
Allgemein enthalten die Schlämme mineralisches Material, organisches Material, das aus dem Zellenkatabolismus stammt, und Parasiten als pathogene Organismen (Bakterien, Helminthen-Eier). Die Schwierigkeit besteht darin, stabilisierte Schlämme (Trockengehalt 15 bis 30 %, nicht fermentierbar) und hygienisch gemachte Schlämme herzustellen (die Konzentration an pathogenen Organismen wird auf ein sehr niedriges Niveau herabgesetzt entsprechend den Vorschriften des Gesundheitsministeriums, insbesondere an Salmonellen, Helmintheneiern und Enteroviren).
Wenn der Abstrom (das Abwasser) am Anfang viele Kolloide und suspendierte Materialien enthält, wird eine physikalische Koagulationsbehandlung durchgeführt. Am Ende ist die Schlamm-Charge angereichert (bezogen auf das Ausgangsmaterial) aufgrund der Zugabe von Koagulationsadditiven an: spezifischen Polymeren, trivalenten Metallen (Al, Fe) in Form von Hydroxiden oder Chloriden.
Wenn das gelöste Material überwiegt, ist eine biologische Behandlung bevorzugt. Die behandelten Schlämme enthalten dann biologische Rückstände, aber ein großer Teil der Ausgangs-Charge wird oxidiert zu Wasser und Gas. Die Schlamm-Menge ist in der Regel niedriger als in der Ausgangs-Charge. Im Durchschnitt (mittlere oder starke Ausgangs-Charge mit einem restlichen DBO von 25 bis 40 mg/L) beträgt die Menge an gebildeten Schlämmen 1/2 oder 1/3 der Masse der Ausgangs-DBO, ausgedrückt in kg DBO₅/m³/Jahr. Die hängt jedoch stark von dem globalen Leistungsvermögen der Behandlung, insbesondere dem Fortschreiten der exozellulären enzymatischen Hydrolyse-Reaktionen ab, welche die möglichst vollständige Assimilation der gelösten Verbindungen durch die endozellulären enzymatischen Reaktionen erlaubt.
Zur Beurteilung der Vorteile und Nachteile der verschiedenen Technologien (Verfahren) sind die Parameter in Bezug auf den Energieverbrauch, auf den Verbrauch an Additiven (für physikalisch-chemische Behandlungen) wichtig. Außerdem ist die Wirksamkeit der verschiedenen Verfahren zu vergleichen (beispielsweise die Mikroben-Bekämpfung) mit den Gefahren, die mit der Anwendung des einen oder des anderen Verfahrens verbunden sind (beispielsweise bei einer Störung eines Chlorometers oder einem Bruch einer Filtrationsmembran) oder auch mit den Gefah ren, die mit eventuellen unerwünschten Nebenprodukten verbunden sind (Chlor-Derivaten bei der Verwendung von Chlor, Brom-Derivaten als Folge einer Ozonisierungsbehandlung in Gegenwart von Brom; diese Produkte gehören üblicherweise zu der Gruppe mit der Bezeichnung "Desinfektions-Nebenprodukte (DBP)").
Die Schlusschlorierung ist die wirtschaftlichste Methode, bestimmte Mikroorganismen sind jedoch gegenüber dieser Behandlung resistent, wie z.B. Cryptosporidium. Darüber hinaus ist diese Behandlung nur ratsam als Schlussbehandlung, um keine "DBP" zu bilden.
Bei der Ozonisierung tritt das Problem der Eliminierung eines Rückstandes dieses Oxidationsmittels auf. Seine Wirkung bleibt begrenzt gegenüber Zysten von Cryptosporidium. Außerdem können auch bestimmte DBP gebildet werden.
Die UV-Behandlungen sind wirksam aufgrund der Wirksamkeit der UV-Strahlung auf die DNA der Mikroorganismen sowie auf die RNA der Viren. Die Schwierigkeit besteht darin, sicherzustellen, dass der gesamte Flüssigkeitsstrom einer minimalen Strahlungsdosis wirksam ausgesetzt wird. Dieses Problem ist gelöst, wenn der UV-Reaktor keinen Kurzschluss aufweist. Die Dosis wird dann berechnet durch Anwendung von komplexen Modellen, welche die Geometrie des Reaktors, den Typ der Lampen, ihre Alterung, den zu behandelnden Flüssigkeitsstrom, die Eigenschaften desselben, insbesondere die Durchlässigkeit für Strahlung, berücksichtigen. Diese Behandlungen sind häufig die letzte Stufe nach der Eliminierung der suspendierten Materialien (MES) und der Trübung.
Was die Filtrationsmembranen angeht, so besteht ihr Vorteil darin, dass sie mehrere Funktionen in sich vereinigen entsprechend dem angewendeten Schwellenwerts-Durchlassgrad: Eliminierung der suspendierten Materialien, der Mikroorganismen, der Trübung, der gelösten Verbindungen. In Bezug auf die Bekämpfung (Niedrighaltung) von pathogenen Mikroorganismen weisen die Membranen die besten Eigenschaften auf, sobald der Durchlass-Schwellenwert diesseits der Mikrofiltration liegt. Dennoch werden die Gefahren des Ausfällens (eines Aussalzens) von Mikroorganismen nicht vollständig beherrscht wegen des Fehlens einer Zustimmung des Gesundheitsministers. Integritäts-Tests für die Filtrations-Membranen sind obligatorisch, um solchen Unannehmlichkeiten vorzubeugen.
Unglücklicherweise ist der Hauptnachteil der Filtrationsmembranen ihre Empfindlichkeit gegen Verstopfung (Bildung von Ablagerungen), was üblicherweise anfängliche Vorbehandlungen erfordert, ja sogar mehrere Filtrationsstufen in Serie mit immer kleineren Poren mit sich bringt.
Systeme, in denen elektrische Impulsfelder (CEP) eingesetzt werden, wurden in großem Maßstab entwickelt durch die Entwicklung von elektronischen Systemen, die beträchtliche kurzfristig auftretende Energien kommutieren und deren Zuverlässigkeit hoch ist. Die neuen elektronischen Systeme, die in Frankreich entwickelt wurden durch das Commissariat à l'Energie Atomique im Rahmen des Programms zur Anreicherung von Uran mittels Laserstrahlung (MOS-Karten) ermöglichen Impulse von kürzer al 1 μs, praktisch ohne Frequenz-Beschränkung.
Das erste Anwendungsgebiet ist die kalte Sterilisierung von Lebensmitteln. Diese Methode vermeidet den thermischen Abbau von Lebensmittelprodukten. Sie ist nur auf pumpbare Produkte anwendbar: Fruchtsaft-Konzentrate, Eiweiße, verschiedene Flüssigkeiten und dgl.
Auf dem Gebiet der "Massenbehandlung" von industriellen Wässern ist die Anwendung dieser Technik beschrieben als eine Verhinderung der biologischen Verstopfung (Inkrustation durch Weichtiere in den Rohrleitungen) in den Austauschern von Kernkraftwerken. Die Kernkraftwerke befassen sich mit der Behandlung von im Kreislauf geführten Kühlströmen als Folge der Entdeckung von Amöben (Naegleria fowleri, Nf), die in dem Kernkraftwerk von Nogent-sur-Seine in Frankreich gefunden wurden.
Diese industriellen Systeme stehen gegenüber den Mikrosystemen von Speziallaboren bei genetischen Manipulationen, die seit mehreren Jahrzehnten existieren und bei denen nur einige Milliliter behandelt werden.
Die genannten klassischen Effekte sind die Porenbildungs-Effekte und der Tod der Zelle durch einen "Kondensator"-Effekt, der zurückzuführen ist auf die Existenz einer isolierenden Lipid-Doppelschicht im Bereich der Plasma-Membran. Wahrscheinliche molekulare Resonanz-Effekte sind ebenfalls genannt zusammen mit dem direkten Effekt auf die DNA des Kerns. Bestimmte biologische Funktionen (die Synthese von Adenosintriphosphat (ATP), einer Natriumpumpe) können ebenfalls gestört sein.
Um den Nachteil der Verstopfung der Filtrationsmembranen zu überwinden, wurde bereits seit langem darüber nachgedacht, eine andere motorische Kraft damit zu kombinieren als diejenige, die aus der mechanischen Energie stammt. Dies ist der Fall bei der elektrischen Energie. Die Beispiele für elektrische Effekte, die mit der Filtration kombiniert sind, sind zahlreich. Im Allgemeinen ist die Spannung eine Gleichspannung und hat einen geringen Wert (von weniger als 100 V), wobei die Verfahren der Elektrolyse oder der Membran-Elektrolyse ähneln. Es kann sich dabei handeln um eine Elektrokoagulation, bei der das Metall der Elektroden (Aluminium, Eisen) solubilisiert (aufgelöst) wird und ionisch kombiniert wird mit Kolloiden, um die Koagulation vor der Filtration zu fördern.
Die Elektrofiltration in Gegenwart eines Tensids ist beschrieben als Überlagerung eines elektrischen Feldes bei einem Transmembran-Druck. Die Konzentrationspolarisation ist vermindert, wobei die Leistungen in Bezug auf den Strom verzehnfacht werden.
Die chemischen Effekte auf der Basis der Bildung von Wasserstoffperoxid aus gelöstem atmosphärischem Sauerstoff sind zu beobachten bei einer Anode aus Titan, die mit RuO₂ bedeckt ist. Dieses System, als Elektroperoxidation bezeichnet, erlaubt die Oxidation von chemischen Verbindungen, kolloidalen Teilchen und selbst von Mikroorganismen. Diese Effekte erlauben die Herabsetzung des Widerstandes gegenüber dem Durchgang an der Filtrations/Lösungs-Membran-Grenzfläche.
In der technischen Literatur ist der Fall einer Kopplung von elektrischen Impulsfeldern mit Membranen in einem Bioreaktor (BRM) in einem Zweistufen-Verfahren beschrieben. In der ersten Stufe (Impulsfelder) besteht das Ziel in der Zerstörung der chlorierten Verbindungen (Mineralisation von Chlor) oder der Phenol-Verbindungen, die in einem Aerosol-Strom enthalten sind, d.h. die hauptsächlich gasförmig und nicht flüssig sind.
Die phenolischen Verbindungen durchlaufen eine Zwischenstufe der Aggregation durch Polymerisation des Phenolkerns. Durch diese Vorbehandlung wird die Geschwindigkeit des biologischen Abbaus beschleunigt und damit die Wirksamkeit von BRM verbessert. Diesbezüglich kann Bezug genommen werden auf den Artikel von V. M. Bystritskii et al., "Pulsed power for advanced waste water remediation", präsentiert auf der 11. International Pulsed Power Conference, 1997, Seiten 79 bis 84.
Eine Kopplung von Impulsfeldern und Filtration ist bereits beschrieben für die Behandlung von Schlämmen einer Kläranlage. In dem US-Patent 6 030 538 ist angegeben, dass es möglich ist, den Wassergehalt von einem Anfangswert von 50 auf einen Endwert von 10 bis 15 % herabzusetzen. In dem System werden miteinander kombiniert eine Erwärmung durch Induktion, eine Filtration in Reihe (unter einem Druck in der Größenordnung von 70 bis 105 bar) und eine Extrusion von getrockneten Schlämmen durch geeichte Düsenöffnungen. Das beschriebene Phänomen ist eine Aussalzung (Ausfällung) der intrazellulären Flüssigkeit, die zu einer Absenkung des Wassergehaltes beiträgt. Einer der Schlüsselparameter ist die Konzentration an Ausflockungsmittel, die Energie der Impulsfelder und die Hydratation der Schlämme. Schließlich erlaubt das Verfahren die Verteilung (das Verstreuen) von trockeneren Schlämmen, die biologisch inert sind.
Die Verfahren, in denen elektrische Impulsfelder gekoppelt sind mit der Membran-Filtration haben sich als besonders vorteilhaft aus den folgenden Gründen erwiesen.
Die Effekte von Impulsfeldern auf einen Abstrom (ein Abwasser) sind: biologischer Natur (Zerstörung der Zelle), physikalischer Natur (Vergrößerung der Dimension der gelösten Verbindungen) und chemischer Natur (Mineralisation des Chlors).
Ein elektrisches Impulsfeld ist somit vorteilhaft für eine Schlussfiltration wegen seines Effekts auf:

– die kleinen Moleküle durch Initiierung von radikalischen Reaktionen, die den Abbau von Mikroschadstoffen und damit die Absenkung von löslichem DCO erlauben,
– die kolloidale Fraktion einer Lösung, die charakterisiert ist durch Oberflächenladungen und gebildet wird durch mehr oder minder organisierte Aggregate von Molekülen, Makromolekülen, Zellbruchstücken,
– auf das Zerbrechen von Makromolekülen, wodurch extrazelluläre enzymatische Hydrolyse-Reaktionen begünstigt werden, um die Bildung von Schlämmen biologischen Ursprungs zu vermindern,
– auf die Freisetzung von Endoplasma-Molekülen, die eine koagulierende Wirkung haben (Polysaccharide),
– auf die Zerstörung oder Inaktivierung von Mikroorganismen durch zum Zerplatzenbringen des Zytoplasmas oder durch direkte Einwirkung auf den Zellkern.

In dem Patent US-A-4 169 029 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Reinigung und Dekontamination von Flüssigkeiten beschrieben, die gelöste Materialien und suspendierte Materialien enthalten, mit Hilfe eines pulsierenden elektrischen Stromes (elektrischen Impuls-Stromes).
In dem Dokument DE-A-41 00 799 ist die Verwendung eines elektrischen Impulsfeldes zur Agglomeration von Teilchen (mineralischen Teilchen, metallischen Teilchen oder Mikroorganismen) beschrieben.
In dem Patent US-A-3 933 606 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von Wasser beschrieben. Das zu reinigende kontaminierte Wasser wird in eine Kolonne eingeführt, in der es einem elektrischen Impulsfeld ausgesetzt wird. Dieses elektrische Impulsfeld zerstört die vorhandenen Bakterien und das vorhandene Cyanid. Es verursacht die Bildung von Niederschlägen (Flockulaten). Das behandelte Wasser durchquert ein Ausflockungsbecken und wird anschließend filtriert.
Das Dokumenten DE-A-100 50 489 betrifft die Dekontamination und Sterilisation von Wasser unter Verwendung eines elektrischen Impulsfeldes. Das Anlegen des elektrischen Impulsfeldes erfolgt in einem Behälter. Vor oder nach dem Einführen des Wassers in den Behälter werden ein oder mehrere Filter verwendet.
Das Patent US-A-3 192 142 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Trinkwasser aus einem gesundheitsschädlichen Rohwasser. Das zu reinigende Wasser zirkuliert im Kontakt mit Elektroden, an die eine Gleichspannung mit einem niedrigen Wert angelegt wird, die dann pulsiert, um die Koagulation der Verunreinigungen auszulösen. Es ist auch vorgesehen, das Wasser zu filtrieren, nachdem es im Kontakt mit Elektroden im Kreislauf geführt worden ist.
In dem Dokument DE-A-197 52 371 ist ein Verfahren zur Dehydratation von Schlämmen beschrieben. Zur Perforation der Membran der biologischen Zellen wird eine hohe pulsierende Spannung (Impulsspannung) angelegt.
Beschreibung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Verfahren und eine neue Anlage (Vorrichtung) zur Behandlung von Abströmen (Abwässern) anzugeben, bei denen eine Fest/Flüssig-Trennung mit elektrischen Impulsfeldern (pulsierenden elektrischen Feldern) kombiniert ist, wobei das neue Verfahren und die neue Anlage (Vorrichtung) einfacher und mit einem größeren Wirkungsgrad durchzuführen sind als die Verfahren des Standes der Technik.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Kopplung einer Fest/Flüssig-Trennung mit elektrischen Impulsfeldern (pulsierenden elektrischen Feldern).
Die Kombination mit den biologischen, physikalischen und chemischen Effekten, die durch die elektrischen Impulsfelder erzielt werden, erlaubt die Verminderung der Zellenpopulation, die Aussalzung (Ausfällung) der in dem Zytoplasma vorhandenen Substanzen und die Hydrolyse der Makromoleküle. Unter diesen Bedingungen nimmt auf unerwartete Weise die biologische Aktivität der nicht zerstörten Mikroorganismen zu. Die Reaktionen zur biologischen Assimilation werden dadurch beschleunigt, was sich in einer Zunahme des Verbrauchs an gelösten Schadstoff-Substanzen äußert. Darüber hinaus ist diese Zunahme der biologischen Aktivität begleitet von einem Kanibalismus zwischen den Mikroorganismen, was eine Gesamtverminderung der Biomasse mit sich bringt. Schließlich trägt die Freisetzung von bestimmten endozellulären Verbindungen zur Aggregation der suspendierten Materialien bei und erleichtert eine schließlich durchgeführte Flüssig/Fest-Trennung.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein Verfahren zur Behandlung von Abströmen (Abwässern), in denen ein Strom der genannten Abwässer einem pulsierenden elektrischen Feld (elektrischen Impulsfeld) ausgesetzt wird, dessen Wirkung darin besteht, physikalisch-chemische und biologische Eigenschaften zu modifizieren, was ausgenutzt wird bei einer Fest/Flüssig-Trennung, wobei die Fest/Flüssig-Trennung und das Einwirkenlassen eines elektrischen Impulsfeldes Arbeitsgänge darstellen, die an unterschiedlichen Stellen (Orten) des Abwasserstromes durchgeführt werden, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das pulsierende elektrische Feld (elektrische Impulsfeld) unter Anwendung eines Entladungsmodus, d.h. mit einem einfachen Effekt, eingesetzt wird, wobei der Entladungsmodus erhalten wird durch Impuls-Entladung eines Kondensators, an den eine Gleichspannung angelegt wird, und der Eigenschaften aufweist, die regulierbar sind durch den Wert der Spannung, den Wert des Stromes, die Wiederholungs-Frequenz der Impulse und die Form der Spannungsfront.
Das elektrische Impulsfeld kann auch unter Anwendung eines Aufladungsmodus und eines Entladungsmodus, d.h. mit einem doppelten Effekt, angewendet werden, wobei der Aufladungsmodus erhalten wird durch Impuls-Auflladung eines Kondensators, an den eine Gleichspannung angelegt wird.
Die Fest/Flüssig-Trennung kann eine Membran-Filtrations-Operation sein (tangentielle, frontale oder semifrontale Filtration) oder sie kann eine Dekantations-Operation sein.
Die genannte Modifikation der physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften erlaubt in vorteilhafter Weise die Hydrolyse von gelösten Substanzen, die Aggregation von Kolloiden, die vollständige oder partielle Zerstörung von Mikroorganismen und die gleichzeitige Aktivierung der verbliebenen Mikroorganismen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist anwendbar auf die Behandlung von Abströmen (Abwässern) und Schlämmen aus einer Kläranlage entweder in einem Belebtschlamm-Reaktor oder in einem Membran-Bioreaktor.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem eine Anlage (Vorrichtung) zur Behandlung von Abströmen (Abwässern), die umfasst Einrichtungen, um einen Strom der genannten Abwässer einer Fest/Flüssig-Trennung zu unterwerfen, und Einrichtungen, um den Strom der genannten Abwässer einem elektrischen Impulsfeld auszusetzen, dessen Effekt die Modifizierung der physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften ist, die ausgenutzt wird bei der Fest/Flüssig-Trennung, Einrichtungen zur Durchführung von Fest/Flüssig-Trennungen und Einrichtungen zum Einwirkenlassen eines elektrischen Impulsfeldes, die an unterschiedlichen Orten des Abwasserstromes angeordnet sind, wobei die Anlage (Vorrichtung) dadurch gekennzeichnet ist, dass die Einrichtungen zum Einwirkenlassen eines elektrischen Impulsfeldes Einrichtungen darstellen, die nach einem Entladungsmodus, d.h. unter Erzielung eines einfachen Effekts, arbeiten, wobei der Entladungsmodus erhalten wird durch eine Impulsentladung eines Kondensators, an den ein Gleichstrom angelegt wird, und diese Einrichtungen Eigenschaften aufweisen, die durch den Wert der Spannung, den Wert des Stromes, die Wiederholungs-Frequenz der Impulse und die Form der Spannungsfront regulierbar sind.
Die Einrichtungen zum Einwirkenlassen eines elektrischen Impulsfeld es können auch Einrichtungen sein, die nach einem Entladungsmodus und einem Aufladungsmodus arbeiten, d.h. mit einem doppelten Effekt arbeiten, wobei der Aufladungsmodus erhalten wird durch Impulsaufladung eines Kondensators, an den ein Gleichstrom angelegt wird. Die Einrichtungen zur Durchführung einer Fest/Flüssig-Trennung bei dem Abwasserstrom können Einrichtungen zur Membran-Filtration (tangentiellen, frontalen oder semifrontalen Filtration) oder Einrichtungen zur Dekantation sein.
Die Modifikation der physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften erlaubt in vorteilhafter Weise die Hydrolyse von gelösten Substanzen, die Aggregation von Kolloiden, die vollständige oder teilweise Zerstörung von Mikroorganismen und die gleichzeitige Aktivierung der verbliebenen Mikroorganismen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird besser verständlich und weitere Vorteile und Besonderheiten ergeben sich aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Beispiels, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung, die einem Behandlungskopf mit einfachem Effekt zugeordnet und für die vorliegende Erfindung anwendbar ist;
2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung, die einem Behandlungskopf mit doppeltem Effekt zugeordnet und für die vorliegende Erfindung anwendbar ist;
3 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Behandlung von Abströmen (Abwässern) gemäß einer ersten Variante der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Behandlung von Abströmen (Abwässern) gemäß einer zweiten Variante der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Behandlung von Abströmen (Abwässern) gemäß einer dritten Variante der vorliegenden Erfindung;
6 ein Diagramm, das die Entwicklung der Atmung einer Biomasse in der endogenen Phase mit dem Ablauf der Zeit als Funktion der Zunahme der Anzahl der einwirkenden Impulse zeigt.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen dienen als Beispiel für eine Fest/Flüssig-Trennung, die mit einer Membran erzielt wurde.
Im Gegensatz zu den verschiedenen Elektrofiltrations-Verfahren (oder Elektromembran-Verfahren) des Standes der Technik befindet sich die Elektrode "mit hohem Potential" bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung nicht im Innern der Filtrations-Membran oder besteht nicht aus der Trenn-Membran selbst. Dieser Aspekt vereinfacht die Durchführung des Verfahrens. Die handelsüblichen Standard-Membranen können als Modul montiert sein, ohne dass eine gegenüberliegende elektrisch leitende Folie (eine ebene oder spiralförmige Membran) hinzugefügt wird und ohne dass ein innerer elektrisch leitender Kern (zylindrische Membran) vorgesehen wird.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die elektrischen Felder auf dem Gebiet, auf dem sie angewendet werden, physikalisch-chemische und biologische Effekte erzeugen, deren Dauer ausreichend lang ist, um während einiger Sekunden oder einiger Minuten vorteilhaft zu sein.
Die Amplituden des elektrischen Feldes sind ebenfalls viel höher. In der Praxis sind die in den Elektrofiltrations-Verfahren des Standes der Technik beschriebenen Effekte ziemlich ähnlich den Elektrolyse-Phänomenen, bei denen der wichtige Parameter die Bildung eines starken elektrischen Stromes bei einer geringen Spannung ist. Es ist die Anzahl der an der Kathode ausgetauschten Elektronen, die eher überwiegt und nicht die Spannung, die auf Werte von einigen zehn oder von einigen hundert Volt beschränkt bleibt. In dem vorgeschlagenen neuen Membran/CEP-Verfahren ist es wichtig, über eine hohe Spannung (5 bis 30 kV) zu verfügen, um ein starkes elektrisches Feld (5 bis 100 kV/cm, vorzugsweise 10 bis 50 kV/cm) zu erzeugen mit dem Ziel, die Plasma-Membran der Mikroorganismen zum Zerplatzen zu bringen.
Schließlich ist die Wiederholungsfrequenz der Impulse ebenfalls ein wichtiger Parameter: je nach Art der an der Verstopfung beteiligten Moleküle ist es möglich, die Impulsfrequenz auf Werte einzustellen, bei denen ein Resonanz-Phänomen die Verbindung (oder Familie von Verbindungen) inaktiviert, um ihren Durchgang durch die "Verfahrens"-Membran zu erleichtern und die inneren Verstopfungsphänomene zu vermindern, die insbesondere auf die Adsorption durch elektrostatische Ladungs-Effekte zurückzuführen sind.
Noch ein weiterer wichtiger Parameter ist die Form der Spannungsfront: es ist bevorzugt, über Systeme zu verfügen, bei denen der Anstieg der Spannung praktisch sofort erfolgt, im Gegensatz zu sinusförmigen Systemen oder wenn die Induktanz-Effekte zu stark ausgeprägt sind.
Der Effekt der Wellenfronten kann angepasst werden an eine Schockwelle, die definitiv den Kern eines Bakteriums inaktivieren kann, ohne es zum Zerplatzen zu bringen und ohne endozelluläre Verbindungen auszusalzen (auszufällen).
Die sorgfältige Kopplung der modulierbaren Effekte der CEP (Spannung, Stromstärke, Frequenz, Wellenfront) mit der Membran-Trennung erlaubt die Erzielung der gewünschten Behandlung der Abströme (Abwässer).
Man kann wahlweise den Wert der elektrischen Spannung, des elektrischen Stromes, die Form der Wellenfront oder die Wiederholungsfrequenz der Impulse favorisieren.
Eine hohe Spannung erlaubt das Platzenlassen der Zellen und die Abtrennung oder schließlich die Validierung der ausgesalzenen (ausgefällten) internen Verbindungen. Sie erlaubt es auch, die vollständige Zerstörung der Mikroorganismen und die Vermeidung ihrer Fortpflanzung in Form eines Biofilms auf der Membran-Oberfläche zu gewährleisten.
Das Anlegen eines hohen Stroms (d.h. der Durchgang einer großen Anzahl von Elektronen) erlaubt die Übertragung der Ladungen auf Kolloide oder geladene Verbindungen, um sie zu neutralisieren und sie dann zu aggregieren und schließlich leicht trennen zu können durch eine sterische Segregation mit Hilfe von tangentiellen Filtrations-Membranen.
Die Wellenfront ist wichtig, wenn man die Bakterien oder andere pathogene biologische Organismen definitiv inaktivieren will durch diskrete Einwirkung auf ihren Kern und sie auf den Filtrationsmembranen zurückhalten möchte ohne eine mögliche Vermehrung und ohne Aussalzung (Ausfällung) von Stoffwechsel-Verbindungen.
Die Wiederholungsfrequenz der Impulse steht im Zusammenhang mit den elektrokinetischen Effekten, die mit dem Dipolmoment der Plasma-Membran verbunden sind. Wenn die elektrokinetischen Kräfte größer sind als die Kohäsionskräfte der Lipid-Doppelschicht, reißt letztere und kann zu einem Zerplatzen und schließlich zum Tod der Mikroorganismen führen.
In allen Verfahren, die unter Anwendung von elektrischen Impulsfeldern durchgeführt werden, wie sie in dem Stand der Technik beschrieben sind, scheint es, dass die Anwender sich nur um einen "einfachen Entladungsdefekt" durch den Behandlungskopf, insbesondere durch den Strom (Schicht) der zu behandelnden Flüssigkeit, kümmern. Dies rührt daher, dass die bekanntesten Effekte darin bestehen, dass man versucht hat, Zellen zum Zerplatzen zu bringen. Die dafür erforderlichen Anfangsenergien sind sehr hoch: sie liegen in der Größenordnung von mehreren 100 MW während 1 μs.
Üblicherweise wird das Fließen des Beschickungsstromes in dem Behandlungskopf begrenzt durch Einsetzen eines elektrischen Elements dessen Impedanz in einem Gleichstrom Null ist und in einem Wechselstrom hoch ist, parallel zum Behandlungskopf, sodass eine reine Induktanz erhalten wird. Die 1 zeigt das Schema einer elektrische Schaltung, die angewendet (zugeordnet) wird auf einen Behandlungskopf mit einfachem Effekt. Die Schaltung umfasst eine Gleichspannung 1 von 1 bis 20 kV, die einen Strom von 2 bis 50 A ergeben kann, einen Impuls-Kommutator 2, der zwischen einer Position a und einer Position b wechseln kann, einen Kondensator 3 und eine Reihen-Induktanz 4. Der Behandlungskopf für die Abströme (Abwässer) trägt die Bezugsziffer 5. Er umfasst eine parallel verzweigte Induktanz 6. Um eine Aufladung zu erzielen, befindet sich der Kommutator 2 in der Position a und der Widerstand 5, der den Behandlungskopf darstellt, ist parallel geschaltet (im Nebenschluss geschaltet) durch die Anwesenheit der reinen Induktanz 6. Um eine Entladung zu erzielen, befindet sich der Kommutator 2 in der Position b und das Hochleistungs-Kommutationssystem, bestehend aus dem Kondensator 3 und der Induktanz 4, ergibt eine Entladung, deren Charakteristika sind eine Spannung von 5 bis 50 kV und ein Strom von 500 bis 2000 A während 1 μs.
Bei der Perspektive einer mit CEP gekoppelten Membran-Trennung kann man auch profitieren von dem während der Aufladung auftretenden elektrischen Effekt. Dies kann beispielsweise erzielt werden, indem man den Aufladungsstrom in den Behandlungskopf fließen lässt. In diesem Fall ist der Behandlungskopf nur so montiert, wie es in der 2 zu sehen ist, bei der es sich um das Schema einer elektrischen Schaltung handelt, die einem Behandlungskopf mit doppeltem Effekt zugeordnet ist. Die Aufladungszeit liegt im Allgemeinen in der Größenordnung von mehreren 10 μs, wodurch es möglich ist, die für die Übertragung von Ladungen erforderliche Zeit und die daraus sich ergebende Zeit für die Übertragung von Material (kolloidale Aggregation) einzuhalten. Diese Zeit ist nämlich länger als die Zeit für die Übertragung von Elektronen, weil die Species (Moleküle, Kolloide) an der Grenzfläche zwischen den Elektroden erneuert werden müssen. Die Charakteristika der Aufladung für den Behandlungskopf sind eine Spannung von 1 bis 20 kV und ein Strom von 2 bis 50 A. Während der Entladung sind die Charakteristika dafür eine Spannung von 5 bis 50 kV und ein Strom von 500 bis 2000 A.
Die Vorteile des Fließens eines Stromes in den Behandlungskopf während der Aufladung bestehen darin, dass die Polarisation der Elektroden vermieden wird und somit ihre Lebensdauer verlängert wird und es möglich ist, Elektronen zu übertragen, die Kolloide aggregieren können, wodurch dann der Transmembran-Strom in der Filtrationsstufe gefördert wird.
Dagegen werden durch das Parallelschalten des Behandlungskopfes während der Aufladung die Bedingungen des Betriebs bei hoher Frequenz begünstigt (die Zeit zwischen zwei Impulsen ist verkürzt), sodass es möglich ist, sehr stabile Spannungsfronten einzusetzen.
Zusammenfassend erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Verdoppelung der klassischen Effekte, wie sie bei der Anwendung von CEP zu erwarten sind, wobei diese Effekte in der Stufe der Membran-Trennung ausgenutzt werden.
Das Fließen eines hohen Stromes durch ein elektrisch leitendes Medium ist begleitet von einem mehr oder minder starken und mehr oder minder lokalisierten Magnetfeld, das elektrische Signale stören kann. Dieses Phänomen wird auf überraschende Weise ausgenutzt auf dem biologischen oder molekularen Gebiet. Man gelangt so zu einer Inaktivierung von spezifischen biologischen Verbindungen, die für die Haftung von biologischen Molekülen aneinander oder für die interzelluläre Haftung und somit für den Biofilm auf der Filtrationsmembran verantwortlich sind. Außerdem begünstigen andere Frequenzwerte den Durchgang bestimmter Moleküle oder Ionen durch die Filtrationsmembran, indem sie ihre chemische Aktivität und ihre Eignung zur Bildung von komplexen Molekülen, die im Innern von der Wand der Poren adsorbiert werden können, begrenzen.
Die potentiellen Anwendungen von elektrischen Impulsfeldern, gekoppelt mit der Membran-Trennung, die begünstigt wird durch die Modifikation der physikalischchemischen und biologischen Eigenschaften eines wässrigen Mediums, liegen auf allen Gebieten der Fest/Flüssig-Trennung und der Verwendung von Filtrations-Membranen:

• bei der Behandlung von Wasser: Reduktion des Biofilms, Verminderung der inneren Verstopfung, biologische Dekontamination;
• bei der Behandlung von Abströmen (Abwässern): Reduktion der äußeren Verstopfung, Oxidation von Mikro-Schadstoffen;
• in Belebtschlamm-Reaktoren: stromaufwärts von der Dekantation dank der Aktivierung der Mikroorganismen und der Verminderung der Menge der Biomasse;
• bei Membran-Bioreaktoren: Stufe der Vorhydrolyse durch Zerbrechen der Makromoleküle vor der Filtration;
• beim Hygienischmachen von biologischen Schlämmen: Zerstörung/zum Zerplatzenbringen von Mikroorganismen und Einengen (Konzentration) durch Filtrationsmembranen;
• bei der Herstellung von Fruchtsäften: zum Zerplatzenbringen von Cellulosemembranen (Äquivalenten zu den Pflanzen mit einer Plasma-Membran) und Abtrennung durch Filtration von Fasern und Bruchstücken von Pflanzenzellen;
• bei der Destabilisierung von Suspensionen oder Emulsionen von Wasser/Öl durch Vergrößerung der Tröpfchen der dispergierten Phase und erleichterte Trennung der beiden Phasen voneinander;
• bei der Behandlung von organischen Phasen mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (verglichen mit wässrigen Phasen; wie z.B. Pflanzenölen, Mineralölen, Syntheseölen oder apolaren organischen Lösungsmitteln).

Die Unterschiede in Bezug auf die elektrischen Eigenschaften der suspendierten oder gelösten Verbindungen werden ausgenutzt, um die am besten leitenden Verbindungen zu aggregieren und eine gekoppelte Filtration zu fördern.
Erfindungsgemäß kann die Filtration verschiedene Bereiche abdecken: die Mikrofiltration (Teilchen mit einer Größe zwischen 0,1 und 10 μm), die Ultrafiltration (Moleküle mit einer Größe zwischen 0,005 und 0,1 μqm), die Nanofiltration (Moleküle mit einer Größe zwischen 0,001 und 0,005 μm), die Umkehrosmose (Moleküle mit einer Größe von 0,001 μm). Für diese Filtrations-Typen ist die motorische Kraft der Übertragungsdruck, im Gegensatz zu den Elektromembran-Verfahren.
Die elektrischen Impulsfelder decken Frequenzbereiche in der Größenordnung von 1 bis 100 000 Hz, vorzugsweise von 1 bis 10 000 Hz, ab. Das elektrische Feld kann variieren von 1 bis 100 kV/cm, vorzugsweise von 3 bis 50 kV/cm. Der elektrische Effekt kann zwischen 1- und 1000-mal, vorzugsweise zwischen 1- und 100-mal pro Sekunde wiederholt werden. Desgleichen braucht nur ein Teil des Stromes dem CEP vor der Behandlung durch Filtration unterworfen zu werden.
Aufgrund des Umstandes, dass die Umwandlungen der physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften dauerhaft sind, läuft die Membranen)/CEP-Kopplung in einer zeitlich leicht versetzten Weise ab. Die CEP kann angewendet werden zwischen 0,1 und 1000 s vor der Filtration, beispielsweise zwischen 1 und 100 s vor der Filtration. Die Zeit, die zwischen der CEP-Behandlung und der Filtration verstreicht, ergibt sich aus der Aufenthaltsdauer t der Abströme (Abwässer) in den Rohrleitungen, die sie transportieren, errechnet aus dem Verhältnis zwischen dem Volumen V der Anlage zwischen CEP und den Membranen, und der Zuführungsmenge Q der Membranmodule: t = V/Q.
Die 3 zeigt in Form einer schematischen Darstellung die Einführung eines CEP-Systems stromaufwärts von der Filtration in den Beschickungskreislauf mit Abströmen (Abwässern). Die Abströme (Abwässer) stammen aus einem Reservoir 10 und werden mittels einer Rohrleitung in die Behandlungsanlage eingeführt. Am Auslass des Reservoirs 10 ist eine Pumpe 11 angebracht, welche die Druckbeaufschlagung und die Zirkulation der Abströme (Abwässer) mit einer Durchflussmenge Q gewährleistet. Die Abströme (Abwässer) werden zunächst elektrischen Impulsfel dern ausgesetzt, die von einer Vorrichtung CEP 12 bereitgestellt werden, bevor man zu Membran-Systemen 13, 14 und 15 gelangt. Das Membran-System 13 führt zu einem ersten Permeat P₁ und zu einem ersten Retentat R₁ in dem Membran-System 14. Das Membran-System 14 führt zu einem zweiten Permeat P₂ und einem zweiten Retentat R₂ in dem Membran-System 15. Das Membran-System 15 führt zu einem drittes Permeat P₃ und einem drittes Konzentrat C₁.
Die Kopplung kann auch erfolgen in umgekehrtem Sinne. Die erste Stufe des Verfahrens ist dann die Filtration, wobei die zweite Stufe aus einer CEP-Bildung besteht. Dies wird in der 4 erläutert, in der ein CEP-System nach der Filtration eingesetzt wird für das Schluss-Permeat (End-Desinfektion) und für das Konzentrat (Hygienischmachen von biologischen Schlämmen). Die Abströme (Abwässer) stammen aus einem Reservoir 20 und werden mittels einer Druckbeaufschlagungspumpe 21 und mittels einer Zirkulationspumpe 22, die hintereinander angeordnet sind, einem Membran-Systems 23 zugeführt. Das Membran-System 23 ergibt ein erstes Permeat P₄ nach dem Transport in eine CEP-Vorrichtung 24 und ein erstes Retentat, das teilweise zwischen den Pumpen 21 und 22 in Zirkulation versetzt wird. Das Membran-System 23 liefert ebenfalls ein Konzentrat C₂ nach dem Einführen in eine CEP-Vorrichtung 25. In diesem Fall erhält man nach der Filtratsstufe im Wesentlichen einen finalen Desinfektionseffekt, sodass es möglich ist, Filtrations-Membranen zu verwenden, die unter dem Gesichtspunkt der Desinfektion (zylindrische Membranen, spiralförmige Membranen, ebene Membranen) nicht zulässig sind. Die Membranen mit ohlen Fasern können ebenfalls mit CEP-Vorrichtungen gekoppelt sein. In diesem Fall ist es gleichgültig, ob das Konzentrat oder das Permeat für die CEP-Behandlung zum Ziele einer Hygienischmachung vorgesehen ist.
Die CEP- und Trennungsbehandlungen können auch alternieren, insbesondere in einem tangentiellen Filtrations-Kreislauf, in dem das Retentat in klassischer Weise mehrmals im Kreislauf geführt wird durch die "Verfahrens"-Membran hindurch. Dies wird in der 5 erläutert. Die Abströme (Abwässer) stammen aus einem Reservoir 30 und werden mittels einer Druckbeaufschlagungspumpe 31 und einer Zirkulationspumpe 32, die hintereinander angeordnet sind, einem Membran-System 33 zugeführt. Das Membran-System 33 ergibt ein Permeat P₅ und ein Retentat, das im Wesentlichen zwischen den Pumpen 31 und 32 und nach der Überfüh rung in eine CEP-Vorrichtung 34 partiell in Zirkulation versetzt wird. Das Membran-System 33 ergibt ebenfalls ein Konzentrat C₃.
Die Elektroden der CEP-Vorrichtung können übliche geometrische Formen haben: ebene Formen, konzentrische Formen und dgl. Der gewünschte Effekt besteht darin, dass das elektrische Feld ausreichende Werte aufweist, um die verschiedenen vorhandenen Species zu inaktivieren, und dass die hydraulischen Ladungsverluste bei akzeptablen Werten bleiben, bezogen auf die gesamten Energiekosten.
In der vorliegenden Anmeldung wird ein neues Verfahren zur Behandlung von Wasser und von Abströmen (Abwässern) beschrieben, in dem die Technologien der Membran-Filtration und der elektrischen Impulsfeldern miteinander gekoppelt werden. Die durch die CEP hervorgerufenen Phänomene konkurrieren mit der Modifikation der physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften, die insbesondere bei der Reduktion der Membran-Verstopfung über den gesamten Bereich der Durchführungsmodi des Verfahrens ausgenutzt werden, wobei der Druck die motorische Kraft ist: bei der Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose. Wegen der einstellbaren Parameter der CEP (Stromstärke, Spannung, Frequenz, Wellenfront und dgl.) handelt es sich bei diesen Phänomenen um:

– die Verminderung des Biofilms (Zerplatzenlassen und vorübergehendes Lysieren oder Inaktivieren von Mikroorganismen),
– die partielle Zerstörung der Mikroorganismen und die gleichzeitige Aktivierung der verbleibenden Mikroorganismen,
– die Aggregation von Kolloiden (wobei die Übertragung von elektrischen Ladungen die elektrostatische Abstoßung begrenzt),
– eine Vorhydrolyse von Makromolekülen (durch Zerbrechen der Makromoleküle)
– eine Oxidation von Mikroschadstoffen (durch Bildung von freien Radikalen),
– das Halten von "inkrustierenden" Molekülen in Suspension.

Die Behandlungen von flüssigen Lebensmitteln, von Trinkwasser, von Thermalwässern, von Gebrauchswässern oder auch von Kläranlagen-Schlämmen sind potentielle Anwendungsfelder dieses neuen Verfahrens.
Unter den Vorteilen, die durch die Erfindung erzielt werden, können genannt werden das Fehlen von größeren elektrolytischen Effekten, was durch das Fehlen einer Elektrodenabnutzung nachgewiesen wird. Der Zustand der Oberfläche der Elektroden nach etwa 200-stündigem Betrieb wurde mit Hilfe einer Apparatur der Firma Nanofocus AG untersucht. Insbesondere wurde die Rauheit der Oberfläche bestimmt, wodurch bestätigt wurde, dass keine Modifikation im Verlaufe dieses 200-stündigen Betriebs aufgetreten war. Dieses Ergebnis zeigt, dass kein chemischer Angriff oder keine elektrochemischer Angriff an der Oberfläche stattgefunden hat.
Ein weiterer Vorteil, der durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, ist die sofortige und dauerhafte Aktivierung einer Mikroorganismen-Population in der endogenen Phase und die Inaktivierung einer Population in Gegenwart des Substrats. In beiden Fällen ist die Zellen-Mortalität zurückzuführen auf eine zelluläre Nicht-Wiederbelebbarkeit (Non-Reviviszenz), was bedeutet, dass die Mikroorganismen die Fähigkeit zum Stoffwechsel während der gesamten Dauer ihres individuellen Lebens haben. Da die Mikroorganismen am Leben bleiben, setzen sie ihre Wirkung auf zwei unterschiedliche Weisen fort. Es handelt sich dabei um die Ausscheidung von Metaboliten, welche die Fest/Flüssig-Trennung erleichtern. Außerdem handelt es sich dabei um die Assimilation von gelösten exogenen Verbindungen, wodurch eine Absenkung des Schadstoffniveaus des Abstroms (Abwassers) erzielt wird.
Es wurden Versuche in einem offenen Stromkreis bei 78 Hz (10 Impulse pro Durchgang) und bei 780 Hz (100 Impulse pro Durchgang) durchgeführt. Der Grad der Zellenzerstörung wurde charakterisiert durch das Zählverfahren auf Agar-Agar. Er liegt zwischen 97,2 und 99,2 % für den Versuch bei 78 Hz und bei 99,97 % für den Versuch bei 780 Hz. Eine Inaktivierung von nahe bei 4 log ist möglich für Energiewerte in der Größenordnung von 10 kWh/m³.
Die Charakterisierung der zellulären Aktivität wurde nach der Atmungsmethode durchgeführt.
Was den Effekt der CEP auf eine Hefensuspension in endogener Phase angeht, so wurde ein Versuch (bei 78 Hz entsprechend 10 Impulsen pro Durchgang) im Recyclisierungsmodus durchgeführt, um die Anzahl der Behandlungen im Verlaufe der Zeit zu erhöhen.
Die 6 stellt ein Diagramm dar, das die Entwicklung der Atmung R im Verlaufe der Zeit in Abhängigkeit von der Anzahl der durchgeführten Behandlungen N zeigt. Die Atmung R ist angegeben in Milligramm Sauerstoff pro Liter und pro min. Die Gerade 41 als gestrichelte Linie gibt den Wert für die Atmung vor der Behandlung an, d.h. den Wert für die Geschwindigkeit des Verbrauchs von Sauerstoff in der endogenen Phase. Die Kurve 42 zeigt die Entwicklung der Atmung mit dem Ablauf der Zeit.
Es ist festzustellen, dass die Atmung nach den ersten Behandlungen abrupt ansteigt. Der Anstieg der Atmung liegt in der Größenordnung von 4 im Verlaufe der 90 ersten Impulsen. Danach nimmt sie merklich ab, ohne jedoch den Anfangswert zu erreichen. Die plausibelste Erklärung ist die, dass der elektrische Schock, der durch die Hefen bewirkt worden ist, die Folge hat, dass Endoplasma-Verbindungen in dem Medium ausgesalzen (ausgeschieden) werden (wie es die Zunahme des DCO (chemischen Sauerstoffbedarfs) des Mediums zeigt, der von 55 mg/l auf 70 mg/l ansteigt). In einer ersten Stufe resorbieren die unbeschädigten Hefen diese Verbindungen mit dem Effekt, dass die Atmung ansteigt. In einer zweiten Stufe nimmt die Anzahl der beschädigten oder zerstörten Zellen zu, was zu einer Abnahme der Gesamtaktivität der Biomasse führt.
Der bemerkenswerteste Effekt ist somit die sofortige und abrupte Aktivierung der Biomasse in der endogenen Phase, wenn diese einem elektrischen Schock ausgesetzt wird. Umgekehrt erfährt eine Population in Gegenwart von Substrat augenblicklich einen Schock, behält jedoch die Fähigkeiten zum Stoffwechsel während der gesamten Lebensdauer bei. Dennoch beruht in beiden Fällen die Fähigkeit zur Vermehrung der Biomasse allein auf der Fraktion, die keinen Schock erlitten hat. Die Fraktion, die einen Schock erlitten hat (und lysiert worden ist), ist nicht wieder belebbar; dies zeigt sich bei den Auszählungstests auf Agar-Agar.

Claims

Verfahren zur Behandlung von Abwässern, bei dem auf einen Abwässerfluss ein elektrisches Pulsfeld angewendet wird, dessen Effekt die Modifikation der bei einer Feststoff/Flüssigkeits-Trennoperation genutzten physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften ist, wobei die Feststoff/Flüssigkeits-Trennung und die Pulsfeldanwendung an unterschiedlichen Stellen des Abwässerflusses stattfinden, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Pulsfeld gemäß einem Entladungsbetriebs benutzt wird, das heißt einfachwirkend, wobei der Entladungsbetrieb durch impulsartiges Entladen eines durch eine Gleichstromversorgung gespeisten Kondensators realisiert wird und regel- bzw. einstellbare Kenngrößen des Spannungswerts, des Stromwerts, der Impulsrepetitionsfrequenz und der Form der Spannungsfront aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Pulsfeld gemäß einem Ladungs- und Entladungsbetrieb benutzt wird, das heißt doppeltwirkend, wobei der Ladungsbetrieb durch impulsartiges Laden eines durch eine Gleichstromversorgung gespeisten Kondensators realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoff/Flüssigkeits-Trennoperation eine Membranfiltrationsoperation ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Art der Filtration ausgewählt wird unter Tangentialfiltration, Frontalfiltration und Semifrontalfiltration.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoff/Flüssigkeits-Trennoperation eine Dekantieroperation ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Pulsfeld so geregelte bzw. eingestellte Kenngrößen aufweist, dass die genannte Modifikation der physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften die Hydrolyse gelöster Substanzen, die Aggregation von Kolloiden, die vollständige oder partielle Zerstörung von Mikroorganismen und die simultane Aktivierung der restlichen Mikroorganismen ermöglicht.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Behandlung der Abwässer und Schlamme einer Kläranlage entweder in einem Belebtschlammreaktor oder in einem Membranen-Bioreaktor.
Anlage zur Behandlung von Abwässern mit Einrichtungen, um einen Abwässerfluss einer Feststoff/Flüssigkeits-Trennung zu unterziehen, und Einrichtungen, um auf den genannten Abwässerfluss ein elektrisches Pulsfeld anzuwenden, dessen Effekt die Modifikation der bei der Feststoff/Flüssigkeits-Trennoperation genutzten physikalischchemischen und biologischen Eigenschaften ist, wobei die Feststoff/Flüssigkeits-Trenneinrichtungen (13, 14, 15; 23; 33) und die Impulsfeldanwendungseinrichtungen (12; 24, 25; 34) an unterschiedlichen Stellen des Abwässerflusses angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfeldanwendungseinrichtungen Einrichtungen sind, die im Entladungsbetrieb arbeiten, das heißt einfachwirkend, wobei der Entladungsbetrieb durch impulsartiges Entladen eines durch eine Gleichstromversorgung gespeisten Kondensators realisiert wird und regel- bzw. einstellbare Kenngrößen des Spannungswerts, des Stromwerts, der Impulsrepetitionsfrequenz und der Form der Spannungsfront aufweist.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsfeldanwendungseinrichtungen (12; 24, 25; 34) Einrichtungen sind, die im Ladungs- und Entladungsbetrieb arbeiten, das heißt doppeltwirkend, wobei der Ladungsbetrieb durch impulsartiges Laden eines durch eine Gleichstromversorgung gespeisten Kondensators realisiert wird.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Realisierung der Feststoff/Flüssigkeits-Trennung der Abwässer Membranfiltrationseinrichtungen sind.
Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Typ der Filtrationseinrichtungen (13, 14, 15; 23; 33) ausgewählt wird unter Tangential-, Frontal- und Semifrontal-Filtrationseinrichtungen.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Realisierung der Feststoff/Flüssigkeits-Trennung der Abwässer Dekantiereinrichtungen sind.
Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Pulsfeld so geregelte bzw. eingestellte Kenngrößen aufweist, dass die genannte Modifikation der physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften die Hydrolyse gelöster Substanzen, die Aggregation von Kolloiden, die vollständige oder partielle Zerstörung von Mikroorganismen und die simultane Aktivierung der restlichen Mikroorganismen ermöglicht.