WO2005082786A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von schadstoffbelastetem wasser durch kavitation - Google Patents

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WO2005082786A1
WO2005082786A1 PCT/EP2005/001807 EP2005001807W WO2005082786A1 WO 2005082786 A1 WO2005082786 A1 WO 2005082786A1 EP 2005001807 W EP2005001807 W EP 2005001807W WO 2005082786 A1 WO2005082786 A1 WO 2005082786A1
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WO
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pipeline
constriction
solid material
cavitation
water
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PCT/EP2005/001807
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English (en)
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Inventor
Andreas Schmid
Original Assignee
Emu Unterwasserpumpen Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Emu Unterwasserpumpen Gmbh filed Critical Emu Unterwasserpumpen Gmbh
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/34—Organic compounds containing oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds
    • C02F2101/36—Organic compounds containing halogen

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the treatment of polluted water.
  • Dimethyl ether is obtained, for example, in the chemical industry as a by-product in the production of methanol. Furthermore, dimethyl ether is used in the production of artificial rubber and as a methylating agent in the production of dimethyl sulfate. Dimethyl ether is also used as an extractant, coolant and propellant for aerosols.
  • MTBE methyl tert-butyl ether
  • MTBE methyl tert-butyl ether
  • the Super-Plus petrol grade contained an average of approx. 6 vol.% MTBE in 1996.
  • the total consumption of MTBE in Germany has been relatively constant in recent years and was around 500,000 tons in 1999 according to estimates by the Federal Environment Agency in Berlin, Germany
  • MTBE is relatively non-toxic, MTBE has a high water hazard.
  • MTBE Due to the good miscibility of MTBE with water and at the same time very little tendency to bind to soil particles, MTBE is very mobile in the underground. In addition to poor biodegradability, MTBE is disadvantageously very odor-intensive. Drinking water with more than about 0.02 to 0.04 mg MTBE / l drinking water is no longer suitable for human consumption due to the intense smell, even if the poisoning threshold has not yet been reached at this limit.
  • MTBE Part of the MTBE is released into the environment at petrol stations and from motor vehicles in the unburned fuel fraction. At higher concentrations, such as those found in refineries, MTBE can lead to headaches, dizziness, eye irritation, nose and throat burns, and nausea in humans, such as refinery workers.
  • DE 100 30 241 A1 proposes cavitatively loading water contaminated with pollutants in a mixing field.
  • the cavitation field is intended on the one hand to produce an intensive homogenization of the polluted water and on the other hand to generate homogeneously distributed hydroxyl radicals, which break up organic compounds.
  • DE 100 30 241 A1 does not disclose a specific method or a device with which large volumes of waste water contaminated with pollutants could be treated.
  • US 5,326,468 discloses an apparatus and a method for treating wastewater contaminated with hydrocarbons. According to the teaching of US Pat. No. 5,326,468, after a pretreatment, the waste water is first passed through a cavitation nozzle and then through a reactor with high-energy UV light radiation.
  • the high-energy UV light is generated by a xenon flash lamp that has a spectrum from 185 to 330 nm.
  • a mercury lamp can also be used.
  • hydrogen peroxide is also used in addition to high-energy UV light in order to be able to bring about a degradation of the hydrocarbon impurities in the waste water.
  • the device or the corresponding method known from US Pat. No. 5,326,468 are disadvantageous since, in addition to the generation of cavitation, high-energy UV light must also be irradiated and hydrogen peroxide must be added in order to be able to effect an effective breakdown of the pollutants in the waste water.
  • the method or the device according to US Pat. No. 5,326,468 is thus complex and requires great regulation.
  • a device is known from US Pat. No. 6,200,486 B1 in which the waste water is treated in a cavitation reactor. According to the teaching of US Pat. No. 6,200,486 B1, a first and a second shear zone are generated. A baffle plate is placed behind the nozzles to increase efficiency. It is disadvantageous that the cavitation generated collapses again immediately after it has passed through the nozzle. Effective treatment of polluted wastewater is therefore not possible. It is therefore an object of the invention to provide an apparatus and a method for treating polluted water. In particular, it is an object of the present invention to provide a method or a device which is simple in terms of construction and control technology and which enables effective treatment of polluted water with low energy input.
  • the object on which the invention is based is achieved by a process for the continuous treatment of polluted water, the polluted water being guided in a pipeline and by at least one constriction arranged in the pipeline in such a way that the flow rate of the polluted water as it passes through the narrowing decreases Pressure is increased and cavitation is generated in the polluted water, the cavitation being controllably maintainable in the pipeline and thus containing pollutants in the polluted water without
  • the term “polluted water” is understood to mean any water quality in which the water has to be subjected to treatment.
  • contaminated water means waste water, raw water, industrial waste water, such as, for example, industrial process water or refinery waste water, and drinking water still to be treated.
  • polyluted water is used for simplification.
  • the term “pollutants” means both inorganic and organic pollutants.
  • Organic pollutants are in particular aliphatic and / or aromatic substances or contain them.
  • Inorganic pollutants are therefore understood to mean textile dyes such as reactive, direct, vat, sulfur, dispersion, cationic and coupling dyes, for example azo dyes.
  • textile dyes such as reactive, direct, vat, sulfur, dispersion, cationic and coupling dyes, for example azo dyes.
  • the wastewater contaminated with textile dyes is a problem in conventional wastewater treatment.
  • Organic pollutants are understood to mean, in particular, biologically active substances, such as pharmaceuticals or pharmaceutical residues.
  • Drugs or drug residues in wastewater, raw water or drinking water represent a very big problem because they still exert their physiological effect when absorbed into the human or animal body.
  • antibiotics undesirable antibiotic resistance can be generated in humans and animals.
  • Inorganic pollutants are, in particular, undesired minerals such as inorganic iron compounds, for example iron oxides, inorganic manganese compounds or calcium compounds.
  • inorganic iron compounds for example iron oxides, inorganic manganese compounds or calcium compounds.
  • iron removal, manganese removal or decalcification is carried out.
  • the pollutants contained in the water are preferably broken down or converted into harmless substances or compounds.
  • an oxidative degradation or an oxidative takes place under the generated conditions Implementation of the pollutants, whereby harmless or harmless oxidation products are obtained.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are particularly suitable for the treatment of polluted water, which is obtained in large volumes.
  • the present invention can thus advantageously be used in sewage treatment plants, drinking water, raw water, process water or wastewater treatment plants in which, for example, several 100 to several 1000 m 3 of wastewater have to be treated daily.
  • the cavitation can be maintained temporally and spatially in the method according to the invention and thus the efficiency of the method according to the invention can be increased easily and in the desired manner.
  • an effective breakdown of pollutants or an efficient spreading of water contaminated with pollutants is advantageously achieved without irradiation of additional energy, for example in the form of high-energy UV radiation.
  • additional energy for example in the form of high-energy UV radiation.
  • there is no thermal treatment i.e. no heating of the polluted water required.
  • free radical formers or peroxides for example hydrogen peroxide
  • no separate oxidizing agent such as, for example, hydrogen peroxide and no separate radical generator be added to the polluted water.
  • the formation of cavitation can be controlled by selecting the inside diameter of the pipeline so that the inside diameter at the constriction is the smallest and the inside diameter of the pipeline on the upstream side before the constriction Inner diameter is larger than the inner diameter of the pipeline on the downstream side after the restriction.
  • the duration of the cavitation can be controlled via the length of the downstream pipeline arranged after the constriction.
  • the cavitation generated in the polluted water when it passes through the constriction is maintained in the pipeline arranged after the constriction.
  • the maintenance or duration of the cavitation can be controlled via the inner diameter of the downstream pipeline and / or over the length of the pipeline arranged after the constriction, and the efficiency of the device or the method can therefore be increased. That is, when the pipe work arranged downstream of the constriction is increased, also the spatial and temporal ⁇ cavitation impact extended to the polluted water.
  • the inside diameter of the constriction in the pipeline can be varied.
  • the constriction as such can be mechanically adjustable.
  • the constriction can also be detachably connected to the pipeline arranged before or after the constriction. This means that the constriction and the pipelines can be designed in one piece or in several pieces. It is therefore possible to select a constriction, for example a nozzle, according to the external conditions and to arrange it between the pipes.
  • the inside diameter before and after the constriction or the inside diameter of the constriction as well as the length the after the narrowing of the pipeline be selected and adjusted accordingly.
  • the cavitation generated in the method according to the invention does not result either in the narrowing or in the
  • a preferably rectilinear flow creates a concentric pressure cushion on the wall of the flow tube, which prevents cavitation bubbles from occurring on the wall of the flow tube.
  • the cavitation bubbles occurring in the middle of the flow therefore do not come into contact with the wall of the flow tube and, in this respect, cannot lead to any abrasion.
  • gas bubbles entrained or contained in the polluted water are at least partially removed before being introduced into the pipeline.
  • the contaminated water is at least partially freed from entrained or contained gas bubbles by conveying from a submerged shaft.
  • a submersible pump is preferably arranged in the submerged shaft in order to convey the polluted water into the pipeline.
  • the Reynolds number of the contaminated water led through the pipeline is at least 100,000, preferably at least 250,000, more preferably at least 500,000.
  • the at least one constriction is preferably a nozzle.
  • the nozzle preferably has the geometry of a Laval nozzle. Surprisingly, it has been shown that the geometry of a Laval nozzle is particularly well suited to the present invention.
  • At least one solid material is additionally arranged in the polluted water or is additionally added to the polluted water.
  • the added or arranged solid material is preferably essentially chemically inert, i.e. has no particular chemical reactivity.
  • the cavitation can be influenced by arranging at least one solid material in the device according to the invention.
  • Cavitation creates cavities or bubbles in a liquid, i.e. here in the polluted water.
  • the gases dissolved in the liquid diffuse into these cavities or bubbles. If the pressure in the liquid rises again, the gas bubbles collapse due to the external pressure.
  • the contents of the bladder are compressed to such an extent that locally high pressures up to a few hundred bar and high temperatures of several hundred Kelvin are generated.
  • the gas in the bladder is ionized and radicals are created.
  • shock waves occur during the collapse of the cavitation bubbles. If the cavitation bubbles are near solid surfaces, a liquid jet will pass through the cavitation bubble. These liquid jets then have a force with which they detach particles from solid surfaces or destroy solid materials through erosion. If the cavitation bubbles collapse in the liquid, shock waves occur that run symmetrically outwards and whose pressure surge can reach several hundred bar. Such a collapse is also referred to below as a symmetrical collapse.
  • the collapse is not symmetrical, but rather asymmetrical.
  • Such a collapse is also referred to below as an asymmetric collapse.
  • the bladder is deformed and a liquid jet is formed.
  • such an asymmetric collapse causes increased fluid flow near the bladder.
  • the shock waves and the increased fluid flow can also cause severe shear stress in the fluid.
  • asymmetrical cavitation bubbles is greatly promoted by arranging a solid material in the cavitation zone or the cavitation area or by adding solid materials to the device according to the invention, so that these get into the cavitation zone or the cavitation area.
  • the cavitation zone or cavitation area is understood to mean the area in the pipeline arranged downstream of the constriction, in which the cavitation occurs or is maintained. It has surprisingly been found that induction of asymmetrically collapsing cavitation bubbles significantly increases the efficiency in the treatment of water contaminated with pollutants.
  • the solid material added to the cavitation zone or the cavitation area or that arranged in the cavitation zone or the cavitation area is understood to mean the area in the pipeline arranged downstream of the constriction, in which the cavitation occurs or is maintained.
  • Solid material is preferably a sacrificial material that is eroded or consumed over a long period of use.
  • the term “sacrificial material” is understood to mean a solid phase or solid material which is consumed over time during the process and has to be renewed at certain time intervals.
  • the at least one additional solid material is particulate.
  • the at least one particulate solid material can be inorganic solids, preferably mineral particles, such as e.g. Sand or rock particles.
  • Metallic particles such as, for example, metal chips, in particular iron chips, can also be used as particles.
  • the at least one particulate solid material can also comprise organic solids.
  • organic solids for example. polyethylene or polypropylene granules can be used. Of course, other plastic materials can also be used.
  • recycled plastics are used as organic solid materials.
  • the particle size is preferably in a range from 1 ⁇ m to 5 mm, more preferably from 10 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the particulate inorganic or organic solid material is preferably introduced into the pipeline arranged in front of the constriction.
  • the granular inorganic or organic material can be introduced into the pipeline arranged before the constriction during the conveying process of the polluted water.
  • the at least one additional solid material is arranged on the downstream side after the constriction in the pipeline, preferably essentially centrosymmetrically to the longitudinal axis of the pipeline.
  • the at least one additional solid material is preferably arranged at a distance from the inner wall of the pipeline.
  • the at least one additional solid material is thread-like or band-like, preferably flexible.
  • threads or tapes can be arranged in the pipeline arranged after the constriction in order to bring about an asymmetrical collapse of cavitation bubbles.
  • a thread-like or band-shaped solid material flexible or rigid materials made of natural fibers, metal fibers or else plastic materials can be used.
  • Narrowing downstream pipeline has led to an improvement in the efficiency of the method according to the invention.
  • plastic threads or tapes it is of course also possible to use threads or tapes made of natural fibers or metal fibers, for example iron or steel fibers.
  • threads or tapes made from mineral fibers, for example from rock wool can also be used.
  • the thread-like or ribbon-like solid material has thickenings, preferably knot-like thickenings.
  • the thickenings or knots can be provided, for example, at a distance of about 1 cm to about 50 cm, preferably from about 5 cm to about 25 cm, more preferably from about 10 cm to about 20 cm.
  • the threads or bands are arranged on or behind the constriction and preferably extend essentially over the length of the cavitation zone or the cavitation area in the pipeline arranged after the constriction.
  • the threads or tapes are sacrificial materials that have to be replaced after a certain period of operation depending on the external conditions.
  • the solid material is designed as an inner pipe arranged in the pipe arranged after the constriction, the outer wall of the inner pipe being spaced apart from the inner wall of the pipe.
  • an inner tube which is preferably arranged concentrically in the pipeline, leads to an improvement in the efficiency of the treatment of polluted water.
  • the inner tube has such an outer diameter that the inner tube can be arranged at a suitable distance from the inner wall of the pipeline.
  • the arrangement can be effected, for example, by means of spacers which are attached between the inner wall of the pipeline and the outer wall of the inner pipe.
  • a solid rod can also be used instead of the inner tube.
  • an inner tube is preferably used in order to produce the lowest possible flow resistance with a large surface area.
  • an inner tube can both on the outside, i.e. lead to an asymmetrical collapse of cavitation bubbles on the side of the inner tube facing the inner wall of the pipeline and in the inner region of the inner tube.
  • the inner pipe is held over a holder which, for example, after the end of the cavitation area in the Pipe, where the inner diameter is enlarged so that no cavitation occurs in this area, is arranged in the device according to the invention.
  • a holder which, for example, after the end of the cavitation area in the Pipe, where the inner diameter is enlarged so that no cavitation occurs in this area.
  • the average roughness depth of the surface of the inner tube is preferably in a range from 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably from 3 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the inner tube can be made of inferior steel or cast iron, which usually have a suitable surface roughness.
  • the pollutants are difficult to biodegradable, preferably water-soluble or dissolved, organic chemical substances and / or inorganic pollutants.
  • the pollutants are preferably aliphatic and / or aromatic substances or contain the latter.
  • the pollutants can also form an emulsion with the water or be present in the water as a separate liquid phase. Due to the turbulent flow conditions in the device according to the invention, the phases are sufficiently mixed so that the pollutants can be effectively broken down even if they should be in a separate liquid phase.
  • the pollutants contain methyl tert-butyl ether (MTBE) or are MTBE.
  • MTBE methyl tert-butyl ether
  • the pollutants can also contain mono- and / or polyhalogenated aliphatic and / or aromatic hydrocarbons.
  • the method according to the invention or the device according to the invention it is now possible - without additional irradiation of energy, for example in the form of high-energy UV radiation, and without the addition of chemically reactive components, such as, for example, radical formers, peroxide, etc. - in water biodegradable pollutants contained, especially MTBE or halogenated and / or non-halogenated hydrocarbons, effectively and with a comparatively low energy consumption or input to degrade.
  • the method according to the invention has also proven to be very suitable for the treatment of water contaminated with medicaments, pharmaceutical residues or textile dyes.
  • the process is advantageously designed as a continuous process which allows a high volume throughput of water to be treated which is contaminated.
  • the method can also be designed as a cyclic process, the polluted water being passed through the device according to the invention several times until the desired breakdown of the pollutants has taken place.
  • the specific energy input per cubic meter of polluted water is low compared to conventional treatment methods and is preferably in a range from 10 Wh / m 3 to 2000 Wh / m 3 , more preferably from 20 Wh / m 3 to 1000 Wh / m 3 , extreme preferably from 50 to 500 Wh / m 3 .
  • the method according to the invention thus provides a simple, effective and energy-saving method for breaking down pollutants in water.
  • the object on which the invention is based is further achieved by a device for the continuous treatment of polluted water, the device having a pipeline which has at least one constriction and a device for conveying polluted water through the pipeline, so that the treatment of polluted water under the action of cavitation, at least one solid material being additionally provided in the pipeline.
  • the inside diameter of the pipeline is the smallest at the constriction and the inside diameter of the pipeline on the upstream side before the constriction is larger than the inside diameter of the pipeline on the downstream side after the constriction. It is preferred if the ratio of the inner diameter of the pipeline before the constriction and the inner diameter of the pipeline after the constriction is approximately 5: 1 to approximately 1.2: 1.
  • the ratio is approximately 3: 1 to approximately 1.5: 1, preferably 2: 1.
  • the ratio of the inside diameter of the pipeline before the constriction and the inside diameter of the pipeline after the constriction can also be 1: 1.
  • the energy input by the conveying device for example a pump, for conveying the polluted water through the pipeline must be increased.
  • the energy input by the delivery device or pump can be less if the inside diameter of the pipeline after the narrowing is smaller than the inside diameter of the pipeline before the narrowing.
  • the at least one constriction comprises a section with a converging and diverging inside diameter, the section with a converging inside diameter being arranged on the upstream side and the section with a diverging inside diameter being arranged on the downstream side.
  • the length of the section with a converging inside diameter is shorter than the length of the section with a diverging inside diameter.
  • the configuration of the constriction or nozzle is not symmetrical to the section with the smallest inside diameter of the constriction or the nozzle.
  • the desired cavitation can be set in such a way that pollutants in the water are broken down as effectively as possible.
  • the length of the subsequent cavitation formation and thus the duration of action of the cavitation on the contaminated water can be controlled via the exit angle of the nozzle.
  • a constriction or nozzle that has the geometry of a Laval nozzle is particularly suitable.
  • a throttle is arranged on the downstream side after the constriction in the pipeline. Control of the maintenance of cavitation in the pipeline arranged after the restriction is possible via the throttle.
  • the throttle can be designed as a slide or as a throttle valve. Over the throttle can Pressure conditions in the pipeline arranged after the constriction and thus the maintenance of the cavitation can be influenced.
  • the length of the pipeline arranged on the outflow side after the constriction is advantageously adjustable.
  • the length of the pipeline can be extended, for example, by simply arranging connecting pipe pieces.
  • a confuser can be arranged before the constriction.
  • a diffuser is arranged after the constriction.
  • a diffuser is arranged on the outflow side of the constriction, but preferably in front of the throttle.
  • the device for conveying the polluted water is preferably a pump.
  • a submersible pump has proven to be very suitable. Of course, other pumps can also be used.
  • an additional solid material is provided in the device, which is preferably a sacrificial material.
  • a device for introducing particulate solid material, which feeds particulate solid material to the pipeline system on the inflow side.
  • a separation device for example a filter system, can be provided on the outflow side of the device.
  • other separation systems can also be used, for example a system in which treated contaminated water and particulate solid material are separated by sedimentation of the particulate solid material.
  • the separated particulate solid material can then be returned to the introduction or feed device, for example pumped back.
  • FIGS. 1 to 6. The invention is illustrated below with reference to FIGS. 1 to 6. It shows:
  • Figure 1 is a schematic representation of a r Implosionsvorganges a cavitation bubble
  • FIG. 2 shows a photograph of a collapsing cavitation bubble
  • FIG. 3 shows a photograph and a schematic representation of an asymmetrically collapsing cavitation bubble
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an exemplary construction of a device according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a further exemplary construction of a device according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic illustration of a pump arranged in a submerged shaft
  • FIG. 7 shows an illustration of an inner tube to be arranged in a pipeline with a spacer
  • Figure 8 is an illustration of one to be arranged in a pipe
  • FIG. 9 shows an illustration of the breakdown of MTBE with and without the use of a sacrificial material.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the implosion process of a cavitation bubble.
  • the illustration shows how an initially essentially spherical cavitation bubble collapses centrally to form a ring-like structure, with local pressures of several hundred bar and temperatures of several hundred Kelvin being generated.
  • FIG. 2 shows a photograph of a collapsing cavitation bubble, which roughly corresponds to the third illustration of the schematic illustration in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an exemplary device according to the invention.
  • the pump (1) conveys water containing pollutants via a pipe (2) through a nozzle (3) into a pipe (4).
  • a throttle (5) can be provided in the pipeline (4).
  • the treated polluted water or treated water subsequently arrives from the pipeline (4), for example, via a dispensing device (6)
  • the treated contaminated water or treated water can also be discharged into another collecting basin via the dispensing device (6).
  • particulate solid materials (7) as well as in the pipeline (4) are arranged both in the nozzle (3).
  • an inner tube can also be provided in the pipeline (4) arranged after the nozzle (3) (see also FIG. 7 or FIG. 8).
  • the pump (1) can be arranged both in front of the nozzle (3) and after the nozzle (3) in the pipeline (2) or (4).
  • the pipe (2) has an inside diameter that is preferably larger than the inside diameter of the pipe (4), the inside diameter of the pipe (4) being larger than the smallest inside diameter of the nozzle (3).
  • the pipeline (4) arranged on the outflow side of the nozzle (3) due to the reduced inside diameter in relation to the pipeline (2) arranged on the inflow side of the nozzle (3), causes the cavitation generated in the nozzle (3) to act longer on the polluted water.
  • the length of the pipeline (4) can be adjusted depending on the desired action of the cavitation. For example. the length of the pipeline (4) can be variably adjustable.
  • the formation of cavitation bubbles or the maintenance of cavitation bubbles can also be controlled by the pressure in the pipeline (4) that can be set by the throttle (5).
  • the dispensing device (6) can be designed, for example, as a spray nozzle. However, a delivery device is not absolutely necessary.
  • a confuser can be arranged in front of the nozzle (3), which has the inside diameter of the pipeline (2) supplying the polluted water, i.e. of the pipeline (2) arranged upstream of the nozzle is reduced.
  • a diffuser between the nozzle (3) and throttle (5), which expands the inside diameter of the pipeline (4) arranged on the outflow side of the nozzle (3).
  • Cavitation bubbles on the throttle (5) and consequently damage, for example, abrasion on the throttle (5), for example, the throttle valve, can be reliably prevented.
  • the inner diameter of the pipeline (4) after the diffuser is preferably expanded to an inner diameter which corresponds approximately to the inner diameter of the pipeline (2) arranged on the upstream side of the nozzle (3).
  • the duration of the cavitation and thus the duration of action of the cavitation can be controlled via the length of the pipeline (4) with a reduced inside diameter between the nozzle (3) and the diffuser.
  • the length of the pipe (4) The nozzle (3) and the diffuser can be designed to be changeable, for example, telescopic.
  • the device according to the invention is surprisingly simple in terms of construction.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are therefore extremely advantageous for an essentially maintenance-free and therefore inexpensive operation. No trained personnel is advantageously required for operation.
  • the present invention can be used advantageously in both large and small drinking water, process water or wastewater treatment plants, for example sewage treatment plants.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the device according to the invention, which largely corresponds to the device described in FIG. 4 above.
  • the pump (1) is connected to a storage container (9) in which particulate solid material (7), for example sand, is stored.
  • the polluted water pumped by the device according to the invention is introduced into the storage container (9) via an inlet (12), the particulate solid material (7), for example sand, being suspended.
  • the sand is then pumped with the polluted water from the pump (1) through the device according to the invention, the sand and polluted water mixing evenly within a few minutes to form an almost homogeneous suspension.
  • the process can then be carried out in a circle until the pollutants in the water have been reduced to a predetermined or desired level.
  • the polluted water is over a pipeline (11) arranged after the throttle (5) is returned to the storage container (9).
  • the treated water can then be withdrawn from the supernatant via the outlet (10), for example after sedimentation of the particulate solid material (7). Contaminated water that is still to be treated can be fed back to the reservoir (9) via the inlet (12).
  • FIG. 6 shows a submersible pump (1) arranged in a shaft (8) arranged under the surface of the polluted water.
  • the shaft (8) is referred to in the sense of the invention as a submerged shaft (8).
  • a submersible pump (1) is arranged in the submerged shaft (8) and conveys the polluted water into the pipeline (2).
  • a degassing zone is formed between the submersible pump (1) and the inner walls of the submerged shaft (8). In the degassing zone, gas bubbles entrained or contained in the polluted water are separated and released, which escape through the shaft open towards the surface, which promotes cavitation formation in the constriction or nozzle.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of an inner tube (13) which has spacers (14).
  • the spacers (14) arranged on the back of the inner tube (13) are covered and therefore cannot be seen.
  • the spacers (14) are preferably arranged equidistantly along the circumference of the inner tube (13), so that, for example, as in the embodiment shown, an angle of 120 ° is included between the spacers (14).
  • At least two sets of such spacers (14) are arranged along the circumference of the inner tube (13) along the longitudinal extent of the inner tube.
  • 3 4 or more such sets of spacers (14) can also be arranged along the inner tube (13).
  • the different sets of spacers (14) can in Align with one another in the direction of the longitudinal axis of the inner tube (13) or else be offset from one another.
  • the inner pipe (13) provided with the spacers (14) can then be arranged in the pipe (4) downstream of the constriction or nozzle (3).
  • the inner tube (13) provided with spacers (14) can be designed to be insertable into the pipeline (4).
  • Figure 8 shows a further possibility of arranging the inner tube (13) in the pipeline (4).
  • the inner tube (13) has a flange connection (15) at the end of the pipeline (4) facing away from the nozzle (3), which is connected to the inner tube (13) via fastening elements (16).
  • the inner tube (13) can be fastened to the pipeline (4) via the flange connection (15).
  • the pipe (4) can have a threaded flange or flange connection (15) on the end facing away from the nozzle (3) for fastening.
  • the flange connection (15) is preferably arranged in a region of the pipeline (4) in which the inner diameter of the pipeline (4) has already been expanded in such a way that cavitation no longer occurs in this region.
  • the inner tube (13) projects into the area of the pipeline (4) in which an asymmetrical collapse of cavitation bubbles is to be induced, but the attachment takes place in an area of the pipeline (4) in which there is no cavitation more occurs.
  • the pump that pumped the MTBE-contaminated water into the pipeline (2) had an output of approx. 2.0 kW.
  • the specific energy input was approx. 60 Wh / m 3 .
  • a steel tube (ST37) with a diameter of 18 mm and a wall thickness of 2 mm and a length of 100 cm was used as the sacrificial material, the steel tube being arranged concentrically in the pipeline (4).
  • the wastewater was circulated analogously to FIG. 5, the total amount of water contaminated with MTBE being 150 l.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser, wobei das schadstoffbelastete Wasser in einer Rohrleitung (2, 4) und durch wenigstens eine in der Rohrleitung (2, 4) angeordnete Verengung (3) so geführt wird, daß die Fliessgeschwindigkeit des schadstoffbelasteten Wassers bei Durchtritt durch die Verengung (3) unter abnehmendem Druck erhöht und in dem schadstoffbelasteten Wasser Kavitation erzeugt wird, wobei die Kavitation in der Rohrleitung (4) steuerbar aufrechterhaltbar ist und so im Wasser enthaltene Schadstoffe ohne Einstrahlung zusätzlicher Energie zu unschädlicheren Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt werden. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BEHANDLUNG VON SCHADSTOFFBELASTETEM WASSER DURCH KAVITATION
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser.
10 In der Umwelt und mithin im Grund- bzw. Trinkwasser kommt es zunehmend zu einer Anreicherung von biologisch schwer abbaubaren Stoffen, die nach und nach zu einer schweren Schädigung von Mensch und Umwelt führen können. Diese biologisch schwer abbaubaren Stoffe werden in Industrieprozessen sowie in Endprodukten bspw. als Lösungsmittel oder Zusatzstoffe verwendet.
15. Dimethylether fällt bspw. in der chemischen Industrie als Nebenprodukt bei der Herstellung von Methanol an. Des weiteren wird Dimethylether bei der Herstellung von künstlichem Kautschuk und als Methylierungsmittel bei der Herstellung von Dimethylsulfat verwendet. Ebenfalls findet Dimethylether als 0 Extraktionsmittel, Kühlmittel und Treibgas für Aerosole technischen Einsatz.
Bei Kraftstoffen wird heutzutage anstelle der früher verwendeten Bleialkylverbindungen Methyl-tert.-butylether (MTBE) als Antiklopfmittel zugesetzt. In der Atmosphäre wird MTBE rasch abgebaut. Im Grundwasser und im Boden5 erfolgt jedoch nahezu kein Abbau. MTBE wird hauptsächlich den Superbenzinen zugesetzt. Die Sorte Super-Plus-Benzin enthielt im Jahre 1996 durchschnittlich ca. 6 Vol.-% MTBE. Der Gesamtverbrauch an MTBE in Deutschland ist in den letzten Jahren relativ konstant und betrug 1999 nach Schätzung des Umweltbundesamtes in Berlin, Deutschland, ca. 500.000 Tonnen.0 Obgleich MTBE relativ ungiftig ist, besitzt MTBE ein hohes Gewässergefährdungspotential. Aufgrund der guten Mischbarkeit von MTBE mit Wasser und bei gleichzeitig sehr geringer Bindungstendenz an Bodenteilchen ist MTBE im Untergrund sehr mobil. Neben einer geringen biologischen Abbaubarkeit ist MTBE nachteiligerweise sehr geruchsintensiv. Trinkwasser mit mehr als etwa 0,02 bis 0,04 mg MTBE/I Trinkwasser ist aufgrund des intensiven Geruchs für den menschlichen Genuß nicht mehr geeignet, auch wenn bei diesem Grenzwert die Vergiftungschwelle noch nicht erreicht ist.
Das MTBE wird zum Teil an Tankstellen als auch von den Kraftfahrzeugen im unverbrannten Kraftstoffanteil in die Umwelt abgegeben. Bei höheren Konzentrationen, wie sie bspw. in Raffinerien auftreten, kann MTBE bei Menschen, bspw. bei Raffineriearbeitern, zu Kopfschmerzen, Schwindel, Augenreizung, Nasen- und Rachenbrennen sowie Übelkeit führen.
Neben den vorstehend genannten organischen Stoffen, Dimethylether und Methyl-tert.-butylether, gibt es eine große Anzahl weiterer organisch-chemischer Verbindungen, die in die Umwelt und mithin in das Trink- bzw. Grundwasser eingetragen werden und sich dort sukzessive anreichern. Da bei der Abwasser- oder Trinkwasseraufbereitung große Volumina an Abwasser bzw. Trinkwasser aufbereitet werden müssen, kommen als Aufbereitungsverfahren nur Verfahren in Frage, die einen äußerst großen Volumendurchsatz erlauben.
In der DE 100 30 241 A1 wird vorgeschlagen, schadstoffbelastetes Wasser in einem Mischfeld kavitativ zu beanspruchen. Das Kavitationsfeld soll dabei einerseits eine intensive Homogenisierung des schadstoffbelasteten Wassers und zum anderen homogen verteilte Hydroxylradikale erzeugen, die das Aufbrechen organischer Verbindungen bewirken. Die DE 100 30 241 A1 offenbart jedoch weder ein konkretes Verfahren noch eine Vorrichtung, mit der große Volumina schadstoffbelastetes Abwasser behandelt werden könnten. Die US 5,326,468 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufbereitung von mit Kohlenwasserstoffen verunreinigtem Abwasser. Das Abwasser wird gemäß der Lehre der US 5,326,468 nach einer Vorbehandlung zunächst durch eine Kavitationsdüse und nachfolgend durch einen Reaktor mit hochenergetischer UV-Lichteinstrahlung geleitet. Das hochenergetische UV-Licht wird durch eine Xenon-Blitzlampe erzeugt, das ein Spektrum von 185 bis 330 nm besitzt. Anstelle der Xenon-Blitzlampe kann auch eine Quecksilberlampe verwendet werden. Des weiteren wird gemäß der Lehre der US 5,326,468 neben hochenergetischem UV-Licht auch zusätzlich Wasserstoffperoxid eingesetzt, um einen Abbau der Kohlenwasserstoffverunreinigungen im Abwasser bewirken zu können. Die aus der US 5,326,468 bekannte Vorrichtung bzw. das entsprechende Verfahren sind nachteilig, da neben der Kavitationserzeugung zusätzlich hochenergetisches UV-Licht eingestrahlt sowie Wasserstoffperoxid zugegeben werden muss, um einen wirksamen Abbau der Schadstoffe im Abwasser bewirken zu können. Damit ist das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß der US 5,326,468 komplex und stark regelungsbedürftig.
Es besteht mithin ein Bedarf, die Wasseraufbereitung mit einer apparativ einfachen und mithin störungsunanfälligen Vorrichtung bei gleichzeitig niedrigen Energiekosten durchführen zu können.
Aus der US 6,200,486 B1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der das Abwasser in einem Kavitationsreakfor behandelt wird. Gemäß der Lehre der US 6,200,486 B1 werden eine erste und eine zweite Scherzone erzeugt. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird hinter den Düsen ein Prallblech angeordnet. Nachteilig ist, daß die erzeugte Kavitation unmittelbar nach Durchtritt durch die Düse wieder zusammenbricht. Eine effektive Behandlung von schadstoffbelastetem Abwasser ist mithin nicht möglich. Eine Aufgabe der Erfindung ist es mithin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung, das bzw. die in konstruktiver und regelungstechnischer Hinsicht einfach ist und eine wirksame Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser bei geringem Energieeintrag ermöglicht, bereitzustellen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser gelöst, wobei das schadstoffbelastete Wasser in einer Rohrleitung und durch wenigstens eine in der Rohrleitung angeordnete Verengung so geführt wird, daß die Fließgeschwindigkeit des schadstoffbelasteten Wassers bei Durchtritt durch die Verengung unter abnehmendem Druck erhöht und in dem schadstoffbelasteten Wasser Kavitation erzeugt wird, wobei die Kavitation in der Rohrleitung steuerbar aufrecht erhaltbar ist und so in dem schadstoffbelasteten Wasser enthaltene Schadstoffe ohne
Einstrahlung zusätzlicher Energie zu unschädlicheren Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 21 angegeben.
Die nachstehend im Hinblick auf das Verfahren gegebenen Erläuterungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Unter dem Begriff "schadstoffbelastetes Wasser" wird im Sinne der Erfindung jegliche Wasserqualität verstanden, bei der das Wasser einer Aufbereitung unterzogen werden muß. Insbesondere werden erfindungsgemäß unter dem Begriff "schadstoffbelastetes Wasser" Abwasser, Rohwasser, Industriebabwässer, wie bspw. industrielles Prozeßwasser oder Raffinierieabwässer, und noch aufzubereitendes Trinkwasser verstanden. Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Begriff "schadstoffbelastetes Wasser" verwendet. Unter dem Begriff "Schadstoffe" werden im Sinne der Erfindung sowohl anorganische als auch organische Schadstoffe verstanden.
Organische Schadstoffe sind insbesondere aliphatisch und/oder aromatische Substanzen oder enthalten diese.
Unter anorganischen Schadstoffen werden mithin Textilfarbstoffe wie Reaktiv-, Direkt-, Küpen-, Schwefel-, Dispersion-, kationische und Kupplungsfarbstoffe bspw. Azofarbstoffe, verstanden. Die mit Textilfarbstoffen verschmutzten Abwässer stellen bei der herkömmlichen Abwasseraufbereitung ein Problem dar.
Unter organischen Schadstoffen werden insbesondere biologisch wirksame Stoffe, wie Arzneimittel oder Arzneimittelrückstände verstanden. Arzneimittel oder Arzneimittelrückstände im Abwasser, Rohwasser oder Trinkwasser stellen ein sehr großes Problem dar, da sie bei Aufnahme in den menschlichen oder tierischen Körper nach wie vor ihre physiologische Wirkung entfalten. Im Falle von Antibiotika können somit bei Mensch und Tier unerwünschte Antibiotika- Resistenzen erzeugt werden.
Anorganische Schadstoffe sind insbesondere unerwünschte Mineralstoffe wie anorganische Eisenverbindungen, bspw. Eisenoxide, anorganische Manganverbindungen oder Calciumverbindungen. Bei der Trinkwasseraufbereitung wird mithin eine Enteisenung, Entmanganung bzw. Entkalkung durchgeführt.
Vorzugsweise werden die im Wasser enthaltenen Schadstoffe zu unschädlichen Stoffen bzw. Verbindungen abgebaut oder umgesetzt. In der Regel erfolgt unter den erzeugten Bedingungen ein oxidativer Abbau bzw. eine oxidative Umsetzung der Schadstoffe, wobei unschädlichere bzw. unschädliche Oxidationsprodukte erhalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Aufbereitung von schadstoffbelastetem Wasser, das in großen Volumina anfällt. Somit kann die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise in Kläranlagen, Trinkwasser-, Rohwasser-, Prozeßwasser- oder Abwasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden, bei denen täglich bspw. mehrere 100 bis mehrere 1000 m3 an Abwasser aufbereitet werden müssen.
Vorteilhafterweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kavitation zeitlich und räumlich aufrechterhalten werden und somit der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne weiteres und in gewünschter Weise erhöht werden.
Vorteilhafterweise wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren ein wirksamer Abbau von Schadstoffen bzw. eine effiziente Aufbreitung von schadstoffbelastetem Wasser ohne Einstrahlung zusätzliche Energie, bspw. in Form von hochenergetischer UV-Strahlung, erreicht. Darüber hinaus ist auch keine thermische Behandlung, d.h. keine Erwärmung des schadstoffbelasteten Wassers erforderlich. Ebenfalls ist es bei dem vorliegenden Verfahren nicht erforderlich, Radikalbildner oder Peroxide, bspw. Wasserstoffperoxid, zuzusetzen, um einen wirksamen Abbau von Schadstoffen im Wasser zu erreichen. Es ist bevorzugt, daß dem schadstoffbelasteten Wasser kein separates Oxidationsmittel wie bspw. Wasserstoffperoxid und kein separater Radikalbildner zugesetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entstehung der Kavitation steuerbar, in dem der Innendurchmesser der Rohrleitung so gewählt wird, daß der Innendurchmesser an der Verengung am geringsten ist und der Innendurchmesser der Rohrleitung anströmseitig vor der Verengung des Innendurchmesser größer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung abströmseitig nach der Verengung.
Weiterhin kann die Dauer der Kavitation über die Länge der abströmseitigen nach der Verengung angeordneten Rohrleitung gesteuert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die im schadstoffbelasteten Wasser bei Durchtritt durch die Verengung erzeugte Kavitation in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung aufrechterhalten. Über den Innendurchmesser der nachgeordneten Rohrleitung und/oder über die Länge der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung, kann die Aufrechterhaltung bzw. die Dauer der Kavitation gesteuert und mithin der Wirkungsgrad der Vorrichtung bzw. des Verfahren erhöht werden. D.h., wenn die nach der Verengung angeordnete Rohleitung verlängert wird, verlängert sich auch die zeitliche und räumliche < Einwirkung der Kavitation auf das schadstoffbelastete Wasser.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Verengung in der Rohrleitung variierbar. Bspw. kann die Verengung als solche mechanisch verstellbar sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Verengung auch mit der vor bzw. nach der Verengung angeordneten Rohrleitung lösbar verbunden sein. Das heißt, die Verengung und die Rohrleitungen können sowohl einstückig als auch mehrstückig ausgebildet sein. Es ist mithin möglich, eine Verengung, bspw. eine Düse, entsprechend den äußeren Bedingungen auszuwählen und zwischen den Rohrleitungen anzuordnen.
In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen, bspw. der Leistungsstärke einer zur Förderung des schadstoffbelasteten Wassers durch die Rohrleitung verwendeten Pumpe oder aber auch der in dem schadstoffbelasteten Wasser befindlichen Schadstoffe kann der Innendurchmesser vor und nach der Verengung bzw. der Innendurchmesser der Verengung als auch die Länge der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung entsprechend gewählt und eingestellt werden.
Vorteilhafterweise entstehen durch die erzeugte Kavitation bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weder an der Verengung noch an der in
Fließrichtung des schadstoffbelasteten Wassers nachgeordneten Rohrleitung mit gegebenenfalls angeordneten Armaturen Abrasion oder sonstige Schädigungen.
Es wird vermutet, daß die Kavitationsblasen aufgrund eines höheren Drucks an der Wandung des Strömungsrohrs überwiegend in der Mitte des
Strömungsrohrs auftreten. Durch eine vorzugsweise geradlinige Strömung entsteht ein konzentrisches Druckpolster an der Wandung des Strömungsrohrs, was verhindert, daß Kavitationsblasen an der Wandung des Strömungsrohrs auftreten. Die in der Mitte der Strömung auftretenden Kavitationsblasen kommen mithin nicht in Kontakt mit der Wandung des Strömungsrohrs und können insoweit auch zu keiner Abrasion führen.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, daß in dem schadstoffbelasteten Wasser mitgeführte oder enthaltene Gasblasen vor dem Einbringen in die Rohrleitung wenigstens teilweise entfernt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das schadstoffbelastete Wasser durch Fördern aus einem getauchten Schacht wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit. Dabei wird vorzugsweise eine Tauchpumpe in dem getauchten Schacht angeordnet, um das schadstoffbelastete Wasser in die Rohrleitung zu fördern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Reynoldszahl des durch die Rohrleitung geführten schadstoffbelasteten Wassers wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Verengung eine Düse. Vorzugsweise weist die Düse die Geometrie einer Lavaldüse auf. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Geometrie einer Lavaldüse sich besonders gut bei der vorliegenden Erfindung eignet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Feststoff material, vorzugsweise wenigstens ein Opfermaterial, in dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich angeordnet oder wird dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich zugesetzt. Das zugesetzte bzw. angeordnete Feststoffmaterial ist dabei vorzugsweise im wesentlichen chemisch inert, d.h. weist keine besondere chemische Reaktivität auf.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die Kavitation durch Anordnung wenigstens eines Feststoffmaterials in der erfindungsgemäßen Vorrichtung beeinflußt werden kann.
Bei der Kavitation entstehen Hohlräume bzw. Blasen in einer Flüssigkeit, d.h. vorliegend in dem schadstoffbelasteten Wasser. In diese Hohlräume bzw. Blasen diffundieren die in der Flüssigkeit gelösten Gase hinein. Steigt der Druck in der Flüssigkeit wieder an, kollabieren die Gasblasen durch den äußeren Druck.
Während des Blasenkollaps wird der Blaseninhalt so stark komprimiert, daß lokal hohe Drücke, bis zu einigen hundert bar und hohe Temperaturen von mehreren hundert Kelvin erzeugt werden. Bei diesem Vorgang wird das Gas in der Blase ionisiert und es entstehen Radikale. Des weiteren entstehen während des Kollaps der Kavitationsblasen Schockwellen. Falls sich die Kavitationsblasen in der Nähe von festen Oberflächen befinden, tritt ein Flüssigkeitsjet durch die Kavitationsblase hindurch. Diese Flüssigkeitsjets besitzen dann eine Kraft, mit der sie bspw. Partikel von festen Oberflächen ablösen bzw. feste Materialien durch Erosion zerstören. Erfolgt der Kollaps der Kavitationsblasen in der Flüssigkeit, so entstehen Schockwellen, die symmetrisch nach außen verlaufen und deren Druckstoß einige hundert bar erreichen kann. Eine solcher Kollaps wird im folgenden auch als symmetrischer Kollaps bezeichnet.
Erfolgt der Kollaps der Kavitationsblase jedoch nicht frei in der Flüssigkeit, sondern in der Nähe einer Grenzfläche zu einer Festphase, so verläuft der Kollaps nicht symmetrisch, sondern vielmehr asymmetrisch. Eine solcher Kollaps wird im folgenden auch als asymmetrischer Kollaps bezeichnet. Infolge des gestörten Kollaps wird die Blase deformiert und es kommt zur Ausbildung eines Flüssigkeitsjets. Darüber hinaus bewirkt ein solcher asymmetrischer Kollaps einen verstärkten Flüssigkeitsfluß in der Nähe der Blase. Die Schockwellen und der verstärkte Flüssigkeitsfluß können weiterhin einen starken Scherstreß in der Flüssigkeit verursachen. Die bei einem asymmetrischen Kollaps einer Kavitationsblase lokal an der Spitze eines Flüssigkeitsjets entstehenden Drücke von mehreren tausend bar und Temperaturen von mehreren tausend Kelvin und liegen somit regelmäßig über denen bei einem symmetrischen Kollaps, so daß die im Wasser enthaltenen Schadstoffe äußerst wirksam zu unschädlicheren bzw. unschädlichen Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt werden.
Über die Anordnung eines Feststoffmateriales in der Kavitationszone oder dem Kavitationsbereich bzw. durch die Zugabe von Feststoffmaterialien in die erfindungsgemäße Vorrichtung, so daß diese in die Kavitationszone bzw. den Kavitationsbereich gelangen, wird die Entstehung asymmetrischer Kavitationsblasen stark begünstigt.
Unter Kavitationszone bzw. Kavitationsbereich wird der Bereich in der stromabwärts nach der Verengung angeordneten Rohrleitung verstanden, in dem die Kavitation entsteht bzw. aufrechterhalten wird. Es hat sich überraschend gezeigt, daß durch Induktion von asymmetrisch kollabierenden Kavitationsblasen der Wirkungsgrad bei der Behandlung von mit Schadstoffen belastetem Wasser signifikant erhöht wird. Das in die Kavitationszone bzw. den Kavitationsbereich zugegebene Feststoffmaterial bzw. das in der Kavitationszone oder dem Kavitationsbereich angeordnete
Feststoffmaterial ist dabei vorzugsweise ein Opfermaterial, das bei längerer Verwendung erodiert bzw. verbraucht wird.
D.h., im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff "Opfermaterial" ein Festphasen- oder Feststoffmaterial verstanden, das während des Verfahrens über die Zeit verbraucht wird und in bestimmten Zeitabständen erneuert werden muß.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial partikulär. Dabei kann das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial anorganische Feststoffe, vorzugsweise mineralische Partikel, wie z.B. Sand oder Gesteinspartikel, umfassen. Als Partikel können auch metallische Partikel, wie bspw. Metallspäne, insbesondere Eisenspäne, verwendet werden.
Das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial kann aber auch organische Feststoffe umfassen. Bspw. können Polyethylen- oder Polypropylengranulate verwendet werden. Selbstverständlich können auch andere Kunststoffmaterialien verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante werden als organische Feststoffmaterialien recycelte Kunststoffe verwendet. Bspw. können als organische Feststoffmaterialien zerkleinerte bzw. granulierte recycelte Kunststoffe verwendet werden. D.h., das Kunststoffmaterial liegt vorzugsweise in Granulatform vor. Die Partikelgröße liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 1 μm bis 5 mm, weiter bevorzugt von 10 μm bis 500 μm.
Das partikuläre anorganische oder organische Feststoffmaterial wird dabei vorzugsweise in die vor der Verengung angeordnete Rohrleitung eingebracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das granuläre anorganische oder organische Material beim Fördervorgang des schadstoffbelasteten Wassers in die vor der Verengung angeordnete Rohrleitung eingebracht werden.
Überraschenderweise kommt es zu keiner Erosion der Innenwandung der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung. Es wird vermutet, daß, da die Kavitationsblasen sich in der Mitte der Strömung befinden, eine asymmetrischer Kollaps von Kavitationsblasen auch nur in der Mitte der Strömung induziert werden kann und somit keine Schädigungen an dem Strömungsrohr verursacht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial abströmseitig nach der Verengung in der Rohrleitung, vorzugsweise im wesentlichen zentrosymmetrisch zur Längsachse der Rohrleitung, angeordnet.
Weiterhin ist es bevorzugt, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial vorzugsweise zur Innenwandung der Rohrleitung beabstandet angeordnet ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial faden- oder bandartig, vorzugsweise flexibel, ausgebildet.
Es hat sich gezeigt, daß bspw. Fäden oder Bänder in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung angeordnet werden können, um einen asymmetrischen Kollaps von Kavitationsblasen zu bewirken. Als fadenförmiges oder bandförmiges Feststoffmaterial können flexible oder steife Materialien aus Naturfasern, Metallfasern oder aber auch Kunststoffmaterialien verwendet werden.
Die Anordnung von Kunststoffäden, bspw. Nylonfäden, in der nach der
Verengung nachgeordneten Rohrleitung hat zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Verfahrens geführt. Anstelle von Kunststoffäden bzw. -bändern können selbstverständlich auch Fäden oder Bänder aus Naturfasern oder Metallfasern, bspw. Eisen- oder Stahlfasern, verwendet werden. Selbstverständlich können auch Fäden oder Bänder aus mineralische Fasern, bspw. aus Steinwolle, verwendet werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, daß das faden- oder bandartige Feststoffmaterial Verdickungen, vorzugsweise knotenartige Verdickungen, aufweist. Die Verdickungen oder Knoten können bspw. in einem Abstand von etwa 1 cm bis etwa 50 cm, vorzugsweise von etwa 5 cm bis etwa 25 cm, weiter vorzugsweise von etwa 10 cm bis etwa 20 cm, vorgesehen sein.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Anordnung von Knoten in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen bei den in der Kavitationszone bzw. im Kavitationsbereich angeordneten Fäden ein asymmetrischer Kollaps von Kavitationsblasen begünstigt wird.
Die Fäden bzw. Bänder sind dabei an oder hinter der Verengung angeordnet und erstrecken sich im vorzugsweise im wesentlichen über die Länge der Kavitationszone bzw. des Kavitationsbereichs in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung. Die Fäden bzw. Bänder sind Opfermaterialien, die nach einer gewissen Betriebsdauer in Abhängigkeit von den äußeren Randbedingungen erneuert werden müssen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Feststoffmaterial als ein in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung angeordnetes Innenrohr ausgebildet, wobei die Außenwandung des Innenrohrs zur Innenwandung der Rohrleitung beabstandet ist.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß ein vorzugsweise konzentrisch in der Rohrleitung angeordnetes Innenrohr zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Aufbereitung von schadstoffbelastetem Wasser führt. Das Innenrohr weist dabei einen solchen Außendurchmesser auf, so daß das Innenrohr in einem geeigneten Abstand zur Innenwandung der Rohrleitung angeordnet werden kann. Die Anordnung kann bspw. über Abstandhalter, die zwischen der Innenwandung der Rohrleitung und der Außenwandung des Innenrohrs angebracht sind, bewirkt werden.
Anstelle des Innenrohrs kann auch ein massiver Stab verwendet werden.
Vorzugsweise wird jedoch ein Innenrohr verwendet, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand bei gleichzeitig großer Oberfläche zu erzeugen. Darüber hinaus kann ein Innenrohr sowohl an der Außenseite, d.h. auf der der Innenwandung der Rohrleitung zugewandten Seite des Innenrohrs, als auch in dem Innenbereich des Innenrohrs zu einem asymmetrischen Kollaps von Kavitationsblasen führen.
Um eine gegebenenfalls negative Beeinflussung der Strömung des schadstoffbelasteten Wassers in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung und eine gegebenenfalls auftretende Abrasion der Abstandshalter durch Kavitationseinflüsse zu vermeiden, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Innenrohr über eine Halterung, die bspw. nach dem Ende des Kavitationsbereiches in der Rohrleitung, wo der Innendurchmesser so vergrößert ist, daß in diesem Bereich keine Kavitation mehr auftritt, angeordnet ist, in der erfindungsgemäßen Vorrichtung befestigt. Es hat sich gezeigt, daß sich insbesondere Innenrohre mit einer rauhen Oberfläche für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders eignen. Es wird vermutet, daß eine rauhe Oberfläche des Innenrohrs den asymmetrischen Kollaps von Kavitationsblasen stark begünstigt.
Die mittlere Rauhtiefe der Oberfläche des Innenrohrs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 μm bis 50 μm, weiter bevorzugt von 3 μm bis 10 μm.
Bspw. kann das Innenrohr aus minderwertigem Stahl oder aus Gußeisen hergestellt sein, die üblicherweise eine geeignete Oberflächenrauheit aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schadstoffe biologisch schwer abbaubare, vorzugsweise in Wasser lösliche oder gelöste, organischchemische Substanzen und/oder anorganische Schadstoffe. Vorzugsweise sind die Schadstoffe aliphatische und/oder aromatische Substanzen bzw. enthalten letztere.
Es ist nicht erforderlich, daß die Schadstoffe in dem Wasser gelöst sein müssen. Die Schadstoffe können mit dem Wasser auch eine Emulsion bilden bzw. im Wasser als getrennte Flüssigphase vorliegen. Durch die turbulenten Strömungsverhältnisse in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt eine ausreichende Durchmischung der Phasen, so daß ein wirksamer Abbau der Schadstoffe auch dann erfolgen kann, wenn diese in einer getrennten Flüssigphase vorliegen sollten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Schadstoffe Methyl-tert.-butylether (MTBE) oder sind MTBE.
Die Schadstoffe können aber auch mono- und/oder polyhalogenierte aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nunmehr möglich - ohne zusätzliche Einstrahlung von Energie, bspw. in Form von hochenergetischer UV-Strahlung, und ohne Zusatz von chemisch reaktiven Komponenten, wie bspw. Radikalbildner, Peroxid, etc. - im Wasser enthaltene biologisch schwer abbaubare Schadstoffe, insbesondere MTBE oder halogenierte und/oder nicht-halogenierte Kohlenwasserstoffe, wirksam und mit vergleichsweise geringem Energieaufwand bzw. -eintrag abzubauen. Als sehr geeignet hat sich das erfindungsgemäße Verfahren auch bei der Aufarbeitung von mit Arzneimitteln, Arzneimittelrückständen oder Textilfarbstoffen belastetem Wasser erwiesen.
Vorteilhafterweise ist das Verfahren als kontinuierliches Verfahren ausgebildet, das einen hohen Volumendurchsatz an zu behandelndem schadstoffbelasteten Wasser erlaubt. Das Verfahren kann des weiteren auch als Kreisprozess ausgebildet werden, wobei das schadstoffbelastete Wasser mehrfach durch die erfindungsgemäße Vorrichtung geführt wird, bis der gewünschte Abbau der Schadstoffe erfolgt ist.
Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein vollständiger bzw. im wesentlichen vollständiger Schadstoffabbau, bspw. von mehr als 70 %, vorzugsweise von mehr als 90 %, weiter bevorzugt von mehr als 95 %, äußerst bevorzugt von mehr als 98 %.
Der spezifische Energieeintrag pro Kubikmeter schadstoffbelastetem Wasser ist, verglichen mit herkömmlichen Behandlungsverfahren, gering und liegt vorzugsweise in einem Bereich von 10 Wh/m3 bis 2000 Wh/m3, weiter bevorzugt von 20 Wh/m3 bis 1000 Wh/m3, äußerst bevorzugt von 50 bis 500 Wh/m3. Somit stellt das erfindungsgemäße Verfahren ein einfaches, wirksames und energiesparendes Verfahren zum Abbau von Schadstoffen in Wasser bereit. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des weiteren durch eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser gelöst, wobei die Vorrichtung eine wenigstens eine Verengung aufweisende Rohrleitung und eine Einrichtung zum Fördern von schadstoffbelastetem Wasser durch die Rohrleitung aufweist, so daß die Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser unter Einwirkung von Kavitation erfolgt, wobei in der Rohrleitung wenigstens ein Feststoffmaterial zusätzlich vorgesehen ist.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 23 bis 47 angegeben.
Die vorstehend im Hinblick auf das Verfahren gegebenen Erläuterungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Zusätzlich werden noch folgende Erläuterungen gegeben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführuήgsform ist der Innendurchmesser an der Rohrleitung an der Verengung am geringsten und der Innendurchmesser der Rohrleitung anströmseitig vor der Verengung größer als der Innendurchmesser der Rohrleitung abströmseitig nach der Verengung. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis des Innendurchmessers der Rohrleitung vor der Verengung und des Innendurchmesser der Rohrleitung nach der Verengung etwa 5:1 bis etwa 1 ,2:1 beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis etwa 3:1 bis etwa 1 ,5:1 , bevorzugt 2:1.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß das Verhältnis des Innendurchmessers der Rohrleitung vor der Verengung und des Innendurchmessers der Rohrleitung nach der Verengung auch 1 :1 betragen kann. Im letzteren Fall ist der Energieeintrag durch die Fördereinrichtung, bspw. eine Pumpe, zum Fördern des schadstoffbelasteten Wassers durch die Rohrleitung zu erhöhen. Anders ausgedrückt, der Energieeintrag durch die Fördereinrichtung bzw. Pumpe kann geringer sein, wenn der Innendurchmesser der Rohrleitung nach der Verengung geringer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung vor der Verengung.
Es ist bevorzugt, daß die wenigstens eine Verengung einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfaßt, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die geometrische
Ausgestaltung der Verengung oder Düse nicht symmetrisch zu dem Abschnitt mit dem geringsten Innendurchmesser der Verengung oder der Düse ist. Bei asymmetrischer Ausgestaltung der Verengung bzw. der Düse kann die gewünschte Kavitation so eingestellt werden, daß ein möglichst wirkungsvoller Abbau von Schadstoffen im Wasser erfolgt. Insbesondere läßt sich über den Austrittswinkel der Düse die Länge der nachfolgenden Kavitationsbildung und mithin die Einwirkdauer der Kavitation auf das schadstoffbelastete Wasser steuern. Insbesondere eignet sich eine Verengung oder Düse, die die Geometrie einer Lavaldüse aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist abströmseitig nach der Verengung in der Rohrleitung eine Drossel angeordnet. Über die Drossel ist eine Steuerung der Aufrechterhaltung der Kavitation in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung möglich. Die Drossel kann im einfachsten Fall als Schieber oder als Drosselklappe ausgebildet sein. Über die Drossel können die Druckverhältnisse in der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung und mithin die Aufrechterhaltung der Kavitation beeinflußt werden.
Vorteilhafterweise ist die Länge der abströmseitig nach der Verengung angeordneten Rohrleitung variabel einstellbar. Die Länge der Rohrleitung kann bspw. durch einfache Anordnung von Anschlußrohrleitungsstücken verlängert werden. Es ist aber auch möglich, die nach der Verengung angeordnete Rohrleitung teleskopartig auszubilden. Die Länge der nach der Verengung angeordneten Rohrleitung kann mithin entsprechend den äußeren Bedingungen eingestellt werden.
Vor der Verengung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Konfusor angeordnet sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist nach der Verengung ein Diffusor angeordnet.
Bei einer weiteren geeigneten Ausführungsform ist abströmseitig von der Verengung, jedoch vorzugsweise vor der Drossel, ein Diffusor angeordnet.
Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Fördern des schadstoffbelasteten Wassers eine Pumpe. Als sehr geeignet hat sich hierbei eine Tauchmotorpumpe erwiesen. Selbstverständlich können aber auch andere Pumpen verwendet werden.
Weiterhin ist bevorzugt, daß in der Vorrichtung ein zusätzliches Feststoffmaterial vorgesehen ist, das vorzugsweise ein Opfermaterial ist.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird entsprechend auf die Ausführungen, die weiter oben in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren gegeben wurden, vollständig verwiesen. D.h., die Ausführungen zur Verwendung von zusätzlichem Feststoff material, das bspw. partikulär oder aber auch als Innenrohr ausgebildet sein kann, gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Zur Einbringung von partikulärem Feststoffmaterial ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Vorrichtung vorgesehen, die anströmseitig partikuläres Feststoffmaterial dem Rohrleitungssystem zuführt. Abströmseitig von der Vorrichtung kann eine Abtrennungseinrichtung, bspw. ein Filtersystem vorgesehen sein. Selbstverständlich können auch andere Abtrennungssysteme verwendet werden, bspw. ein System, bei dem die Abtrennung von behandeltem schadstoffbelastetem Wasser und partikulärem Feststoffmaterial durch Sedimentation des partikulären Feststoffmaterials erfolgt. Das abgetrennte partikuläre Feststoffmaterial kann dann zur Einbringungs- oder Zuführungseinrichtung zurückgeführt, bspw. zurückgepumpt, werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 weiter veranschaulicht. Dabei zeigt:
Figur 1 einer schematische Darstellung eines Implosionsvorganges einer Kavitationsblase,
Figur 2 eine Photographie einer kollabierenden Kavitationsblase,
Figur 3 eine Photographie und eine schematische Darstellung einer asymmetrisch kollabierenden Kavitationsblase,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 5 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer in einem getauchten Schacht angeordneten Pumpe,
Figur 7 eine Darstellung eines in einer Rohrleitung anzuordnenden Innenrohrs mit Abstandhalter,
Figur 8 eine Darstellung eines in einer Rohrleitung anzuordnenden
Innenrohrs mit Flanschbefestigung,
Figur 9 eine Darstellung über den Abbau von MTBE mit und ohne Verwendung eines Opfermaterials.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des Implosionsvorgangs einer Kavitationsblase. In der Darstellung ist zu sehen, wie eine zunächst im wesentlichen kugelförmige Kavitationsblase zentral kollabiert unter Ausbildung einer ringartigen Struktur, wobei lokal Drücke von mehreren hundert bar und Temperaturen von mehreren hundert Kelvin erzeugt werden.
Figur 2 zeigt eine Photographie einer kollabierenden Kavitationsblase, die in etwa der dritten Abbildung der schematischen Darstellung in Figur 1 entspricht.
In Figur 3 ist eine asymmetrisch kollabierende Kavitationsblase sowohl als
Photographie als auch in schematischer Darstellung gezeigt. An der Spitze des entstehenden Mikrojets kommt es zu noch höheren Drücken von mehreren tausend bar und Temperaturen von mehreren tausend Kelvin als bei symmetrisch kollabierenden Kavitationsblasen. Die punktuell erzeugten hohen Energien führen dann zu einem effektiven Abbau von Schadstoffen, insbesondere von halogenierten oder nicht-halogenierten Kohlenwasserstoff-haltigen Schadstoffen, im Wasser.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Pumpe (1 ) fördert schadstoffhaltiges Wasser über eine Rohrleitung (2) durch eine Düse (3) in eine Rohrleitung (4). In der Rohrleitung (4) kann eine Drossel (5) vorgesehen sein. Das behandelte schadstoffbelastete Wasser bzw. aufbereitete Wasser gelangt nachfolgend aus der Rohrleitung (4) über eine Abgabevorrichtung (6) bspw. zurück in ein
Entnahmebecken. Selbstverständlich kann das behandelte schadstoffbelastete Wasser bzw. aufbereitete Wasser über die Abgabevorrichtung (6) auch in ein anderes Auffangbecken abgegeben werden. Sowohl in der Düse (3) sind bei dieser beispielhaften Ausführungsform partikuläre Feststoffmaterialien (7) als auch in der Rohrleitung (4) (nicht gezeigt) angeordnet. Anstelle der partikulären Feststoffmaterialien (7) kann bspw. auch ein Innenrohr in der nach der Düse (3) angeordneten Rohrleitung (4) vorgesehen sein (siehe auch Figur 7 oder Figur 8).
Die Pumpe (1 ) kann sowohl vor der Düse (3) als auch nach der Düse (3) in der Rohrleitung (2) oder (4) angeordnet sein. Die Rohrleitung (2) weist einen Innendurchmesser auf, der bevorzugt größer als der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) ist, wobei der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) größer als der geringste Innendurchmesser der Düse (3) ist.
Als Pumpe (1 ) kann jede Abwasserpumpe oder andere geeignete
Wasserpumpe verwendet werden. Die von der Düse (3) abströmseitig angeordnete Rohrleitung (4) bewirkt aufgrund des in bezug auf die anströmseitig zur Düse (3) angeordnete Rohrleitung (2) verringerten Innendurchmessers eine verlängerte Einwirkdauer der in der Düse (3) erzeugten Kavitation auf das schadstoffbelastete Wasser. Die Länge der Rohrleitung (4) kann in Abhängigkeit von der gewünschten Einwirkdaύer der Kavitation eingestellt werden. Bspw. kann die Länge der Rohrleitung (4) variabel einstellbar sein. Weiterhin kann die Entstehung von Kavitationsblasen bzw. die Aufrechterhaltung von Kavitationsblasen auch durch den durch die Drossel (5) einstellbaren Druck in der Rohrleitung (4) gesteuert werden. Die Abgabevorrichtung (6) kann bspw. als Sprühdüse ausgebildet sein. Eine Abgabeeinrichtung ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Vor der Düse (3) kann ein Konfusor angeordnet sein, der den Innendurchmesser der das schadstoffbelastete Wasser zuführenden Rohrleitung (2), d.h. der zur Düse anströmseitig angeordneten Rohrleitung (2), reduziert.
Hierdurch wird der Übergang zwischen zuführender Rohrleitung (2) und Düse (3) verbessert.
Weiterhin ist es bevorzugt, zwischen Düse (3) und Drossel (5) einen Diffusor anzuordnen, der den Innendurchmesser der von der Düse (3) abströmseitig angeordneten Rohrleitung (4) erweitert. Durch die Erweiterung des Innendurchmessers der Rohrleitung (4) wird der Druck in dem schadstoffbelasteten Wasser erhöht und die Kavitation beendet.
Dadurch kann ein Einwirken von Kavitation, d.h. ein Auftreffen von
Kavitationsblasen auf die Drossel (5) und mithin Schaden bspw. Abrasion an der Drossel (5) bspw. der Drosselklappe zuverlässig verhindert werden.
Bevorzugt wird der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) nach dem Diffusor auf einen Innendurchmesser erweitert, der in etwa dem Innendurchmesser der anströmseitig zur Düse (3) angeordneten Rohrleitung (2) entspricht.
Über die Länge der Rohrleitung (4) mit reduziertem Innendurchmesser zwischen Düse (3) und Diffusor kann die Dauer der Kavitation und damit die Einwirkdauer der Kavitation gesteuert werden. Die Länge der Rohrleitung (4) zwischen Düse (3) und Diffusor kann veränderbar ausgestaltet sein, bspw. teleskopartig ausgebildet sein.
Grundsätzlich ist es auch möglich, mehrere Düsen (3) bspw. zwei oder drei Düsen in einem Rohrleitungssystem hintereinander oder parallel zueinander anzuordnen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein Abbau von Schadstoffen bspw. Kohlenwasserstoffen im Wasser durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung bereits mit einer Düse (3) erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in konstruktiver Hinsicht überraschend einfach. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich mithin äußerst vorteilhaft für einen im wesentlichen wartungsfreien und mithin kostengünstigen Betrieb. Vorteilhaft wird für den Betrieb kein geschultes Personal benötigt. Insofern kann die vorliegende Erfindung vorteilhaft sowohl bei großen als auch bei kleinen Trinkwasser-, Prozeßwasser- oder Abwasseraufbereitungsanlagen, bspw. Kläranlagen, verwendet werden.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die weitgehend der in der vorstehenden Figur 4 beschriebenen Vorrichtung entspricht. Im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß Figur 4 ist die Pumpe (1 ) mit einem Vorlagebehälter (9) verbunden, in dem partikuläres Feststoffmaterial (7), bspw. Sand, bevorratet ist. Das durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gepumpte schadstoffbelastete Wasser wird in den Vorlagebehälter (9) über einen Zulauf (12) eingeleitet, wobei das partikuläre Feststoffmaterial (7), bspw. Sand, suspendiert wird. Der Sand wird dann mit dem schadstoffbelasteten Wasser von der Pumpe (1 ) durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gepumpt, wobei sich Sand und schadstoffbelastetes Wasser innerhalb weniger Minuten gleichmäßig miteinander vermischen unter Ausbildung einer nahezu homogenen Suspension. Das Verfahren kann dann solange im Kreis gefahren werden, bis die in dem Wasser befindlichen Schadstoffe auf ein vorgegebenes bzw. gewünschtes Niveau abgesenkt sind. Dabei wird das schadstoffbelastete Wasser über eine nach der Drossel (5) angeordnete Rohrleitung (11) in den Vorlagebehälter (9) zurückgeführt. Das aufbereitete Wasser kann dann bspw. nach Sedimentation des partikulären Feststoffmaterials (7) aus dem Überstand über den Ablauf (10) abgezogen werden. Noch zu behandelndes schadstoffbelastetes Wasser kann wieder über den Zulauf (12) dem Vorlagebehälter (9) zugeführt werden.
Figur 6 zeigt eine in einem unter der Oberfläche des schadstoffbelasteten Wassers angeordneten Schacht (8) angeordnete Tauchpumpe (1). Der Schacht (8) wird im Sinne der Erfindung als getauchter Schacht (8) bezeichnet. In dem getauchten Schacht (8) ist eine Tauchpumpe (1 ) angeordnet, die das schadstoffbelastete Wasser in die Rohrleitung (2) fördert. Zwischen der Tauchpumpe (1) und den Innenwandungen des getauchten Schachts (8) bildet sich eine Entgasungszone aus. In der Entgasungszone werden zumindest teilweise in dem schadstoffbelasteten Wasser mitgeführte oder enthaltene Gasblasen abgetrennt und freigesetzt, die durch den in Richtung zur Oberfläche offenen Schacht entweichen, was die Kavitationsbildung in der Verengung oder Düse begünstigt.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Innenrohrs (13), das Abstandshalter (14) aufweist. In Figur 7 sind die auf der Rückseite des Innenrohrs (13) angeordneten Abstandshalter (14) verdeckt und mithin nicht zu sehen. Die Abstandshalter (14) sind entlang des Umfangs des Innenrohrs (13) vorzugsweise äquidistant angeordnet, so daß bspw. wie bei der dargestellten Ausführungsform zwischen den Abstandshaltern (14) ein Winkel von jeweils 120° eingeschlossen wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, vier oder fünf Abstandshalter (14) entlang des Umfangs des Innenrohrs (13) anzuordnen, wobei dann zwischen den Abstandshaltern jeweils ein Winkel von 90° bzw. von 72° eingeschlossen wird. Entlang der Längserstreckung des Innenrohrs sind wenigstens zwei Sätze von solchen Abstandshaltern (14) entlang des Umfangs des Innenrohrs (13) angeordnet. In Abhängigkeit von der Länge des Innenrohrs (13) können aber auch 3, 4 oder mehr solcher Sätze an Abstandshaltern (14) entlang des Innenrohrs (13) angeordnet sein. Die verschiedenen Sätze an Abstandshaltern (14) können in Richtung der Längsachse des Innenrohrs (13) miteinander fluchten oder aber auch zueinander versetzt sein. Das mit den Abstandshaltern (14) versehene Innenrohr (13) kann dann in der der Verengung bzw. Düse (3) nachgeordneten Rohrleitung (4) angeordnet sein. Bspw. kann das mit Abstandshaltern (14) versehene Innenrohr (13) in die Rohrleitung (4) einschiebbar ausgestaltet sein.
Figur 8 zeigt eine weitere Möglichkeit, das Innenrohr (13) in der Rohrleitung (4) anzuordnen. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform weist das Innenrohr (13) an dem der Düse (3) abgewandten Ende der Rohrleitung (4) eine Flanschverbindung (15) auf, die über Befestigungselemente (16) mit dem Innenrohr (13) verbunden ist. Über die Flanschverbindung (15) kann das Innenrohr (13) an der Rohrleitung (4) befestigbar sein. Bspw. kann die Rohrleitung (4) auf dem der Düse (3) abgewandten Ende zur Befestigung eine Gewindeflansch- oder Flanschverbindung (15) aufweisen. Vorzugsweise ist die Flanschverbindung (15) in einem Bereich der Rohrleitung (4) angeordnet, in dem der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) bereits so erweitert ist, daß in diesem Bereich keine Kavitation mehr auftritt. In letzterem Fall wird eine Abrasion der Befestigungselemente (16), die bspw. als Befestigungsschenkel ausgebildet sein können, vermieden. D.h., bei dieser Anordnung ragt das Innenrohr (13) in den Bereich der Rohrleitung (4) hinein, in dem ein asymmetrischer Kollaps von Kavitationsblasen induziert werden soll, wobei die Befestigung jedoch in einem Bereich der Rohrleitung (4) erfolgt, in dem keine Kavitation mehr auftritt.
In Figur 9 sind die Ergebnisse eines Experiments grafisch dargestellt, bei dem der MTBE-Abbau im kavitativen Strömungsfeld mit und ohne Verwendung von Opfermaterial dargestellt ist. Aus der Steigung der Messkurven ist ersichtlich, daß bei Verwendung von Opfermaterial im kavitativen Strömungsfeld ein wesentlich stärkerer Abbau von MTBE erfolgt, verglichen mit einem MTBE-Abbau in einem kavitativen Strömungsfeld ohne Zusatz von Opfermaterial. Wie aus dem MTBE-Abbau im kavitativen Strömungsfeld unter Verwendung von Opfermaterial ersichtlich ist, wurde bei dem vorliegenden Experiment etwa die 1 ,4-fache Konzentration an MTBE über einen 60-minütigen Behandlungszeitraum auf etwa die gleiche Endkonzentration abgebaut wie bei einer Behandlung ohne Verwendung von Opfermaterial im kavitativen Strömungsfeld. Dies zeigt deutlich die signifikante Verbesserung des Abbau eines biologisch äußerst schwer abbaubaren Schadstoffes, nämlich von MTBE, in Wasser.
Das MTBE-belastete Wasser wurde dabei mit den zum Zeitpunkt t = 0 angegebenen Ausgangskonzentrationen durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gefördert, wobei die zuführende Rohrleitung (2) eine Länge von ca. 50 cm und einen Durchmesser von ca. 50 mm, eine Düse mit einem Durchmesser an der engsten Stelle von ca. 8 mm und die nach der Düse (3) nachgeordnete Rohrleitung (4) eine Länge von ca. 200 cm und einen Durchmesser von ca. 38 mm aufwies. Die Pumpe die das MTBE-belastete Wasser in die Rohrleitung (2) förderte, wies eine Leistung von ca. 2,0 kW auf. Der spezifische Energieeintrag betrug ca. 60 Wh/m3. Als Opfermaterial wurde dabei ein Stahlrohr (ST37) mit einem Durchmesser von 18 mm und mit einer Wandstärke von 2 mm und einer Länge von 100 cm verwendet, wobei das Stahlrohr konzentrisch in der Rohrleitung (4) angeordnet wurde. Das Abwasser wurde dabei analog Figur 5 im Kreis geführt, wobei die Gesamtmenge an MTBE-belastetem Wasser 150 I betrug.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffbelastete Wasser in einer Rohrleitung (2, 4) und durch wenigstens eine in der Rohrleitung (2, 4) angeordnete Verengung (3) so geführt wird, daß die Fließgeschwindigkeit des schadstoffbelasteten Wassers bei Durchtritt durch die Verengung (3) unter abnehmendem Druck erhöht und in dem schadstoffbelasteten Wasser Kavitation erzeugt wird, wobei die Kavitation in der Rohrleitung (4) steuerbar aufrechterhaltbar ist und so im Wasser enthaltene Schadstoffe ohne Einstrahlung zusätzlicher Energie zu unschädlicheren Stoffen abgebaut und/oder umgesetzt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Entstehung der Kavitation steuerbar ist, indem der Innendurchmesser der Rohrleitung (2, 4) so gewählt wird, daß der Innendurchmesser an der Verengung (3) am geringsten ist und der Innendurchmesser der Rohrleitung (2) anströmseitig vor der Verengung (3) des Innendurchmessers größer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) abströmseitig nach der Verengung (3).
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Kavitation über die Länge der abströmseitig nach der Verengung (3) angeordneten Rohrleitung (4) steuerbar ist.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Verengung (3) in der Rohrleitung (2, 4) variierbar ist.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem schadstoffbelasteten Wasser mitgeführte oder enthaltene Gasblasen vor dem Einbringen in die Rohrleitung (2, 4) wenigstens teilweise entfernt werden.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das schadstoffbelastete Wasser durch Fördern aus einem getauchten Schacht (8) wenigstens teilweise von mitgeführten oder enthaltenen Gasblasen befreit wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reynoldszahl des durch die Rohrleitung (2, 4) geführten schadstoffbelasteten Wassers wenigstens 100.000, bevorzugt wenigstens 250.000, weiter bevorzugt wenigstens 500.000, beträgt.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verengung (3) eine Düse ist.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Feststoff material, vorzugsweise wenigstens ein
Opfermaterial, in dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich angeordnet oder dem schadstoffbelasteten Wasser zusätzlich zugesetzt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial partikulär ist.
1 1 . Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial anorganische
Feststoffe, vorzugsweise mineralische Partikel wie bspw. Sand oder Gesteinspartikel, oder metallische Partikel, wie bspw. Metallspäne, umfaßt.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial organische Feststoffe, wie bspw. Polyethylen- oder Polypropylengranulate, umfaßt.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen Feststoffmaterialien recycelte Kunststoffe, vorzugsweise in Granulatform, sind.
14. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial abströmseitig nach der Verengung (3) in der Rohrleitung (4), vorzugsweise im wesentlichen zentrosymmetrisch zur Längsachse der Rohrleitung (4), angeordnet ist.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial vorzugsweise zur
Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet angeordnet ist.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial faden- oder bandartig, vorzugsweise flexibel, ausgebildet ist.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das faden- oder bandartige Feststoffmaterial Verdickungen, vorzugsweise knotenartige Verdickungen, aufweist.
18. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststoffmaterial als ein in der Rohrleitung (4) angeordnetes
Innenrohr ausgebildet ist, wobei die Außenwandung des Innenrohrs zur Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet ist.
19. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe biologisch schwer abbaubare, vorzugsweise in Wasser lösliche oder gelöste, organisch-chemische Substanzen, vorzugsweise aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe, und/oder anorganische Schadstoffe sind oder diese enthalten.
20. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe Methyl-tert.-butylether enthalten.
21. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schadstoffe mono- und/oder polyhalogenierte aliphatische und/oder aromatische Kohlenwasserstoffe sind oder enthalten.
22. Vorrichtung zur kontinuierlichen Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine wenigstens eine Verengung (3) aufweisende
Rohrleitung (2, 4) und eine Einrichtung (1 ) zum Fördern von schadstoffbelastetem Wasser durch die Rohrleitung (2, 4) aufweist, so daß die Behandlung von schadstoffbelastetem Wasser unter Einwirkung von Kavitation erfolgt, wobei in der Rohrleitung (4) wenigstens ein Feststoffmaterial zusätzlich vorgesehen ist.
23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der Rohrleitung (2, 4) an der Verengung (3) am geringsten ist und der Innendurchmesser der Rohrleitung (2) anströmseitig vor der Verengung (3) größer ist als der Innendurchmesser der Rohrleitung (4) abströmseitig nach der Verengung (3).
24. Vorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Innendurchmessers der Rohrleitung (2) vor der Verengung (3) und des Innendurchmessers der Rohrleitung (4) nach der Verengung (3) etwa 5:1 bis etwa 1 ,2:1 beträgt.
25. Vorrichtung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis etwa 3:1 bis etwa 1 ,5:1 , bevorzugt 2:1 , beträgt
26. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Verengung (3) einen Abschnitt mit konvergierendem und divergierendem Innendurchmesser umfaßt, wobei anströmseitig der Abschnitt mit konvergierendem Innendurchmesser und abströmseitig der Abschnitt mit divergierendem Innendurchmesser angeordnet ist.
27. Vorrichtung gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Abschnitts mit konvergierendem Innendurchmesser kürzer ist als die Länge des Abschnitts mit divergierendem Innendurchmesser.
28. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß abströmseitig nach der Verengung (3) in der Rohrleitung (4) eine Drossel (5) angeordnet ist.
29. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der abströmseitig nach der Verengung (3) angeordneten Rohrleitung (4) variabel einstellbar ist.
30. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß anströmseitig vor der Verengung (3) ein Konfusor angeordnet ist.
31. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Verengung (3) eine Düse ist.
32. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, daß abströmseitig von der Verengung (3), bevorzugt vor der Drossel (5), ein
Diffusor angeordnet ist.
33. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1 ) zum Fördern des schadstoffbelasteten Wassers eine
Pumpe ist.
34. Vorrichtung gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe in einem getauchten Schacht (8) angeordnet ist.
35. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial ein Opfermaterial ist.
36. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zusätzliche Feststoffmaterial partikulär ist.
37. Vorrichtung gemäß Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine partikuläre Feststoffmaterial anorganische
Feststoffe, vorzugsweise mineralische Partikel wie bspw. Sand oder Gesteinspartikel, oder metallische Partikel, wie bspw. Metallspäne, umfaßt.
38. Vorrichtung gemäß Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das partikuläre Feststoffmaterial organische Feststoffe, wie bspw. Polyethylen- oder Polypropylengranulate, umfaßt.
39. Vorrichtung gemäß Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen Feststoffe recycelte Kunststoffe, vorzugsweise in Granulatform sind.
40. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung anströmseitig eine Einrichtung zur Einbringung des wenigstens einen partikulären Feststoffmaterials in die Rohrleitung (2, 4) aufweist.
41. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 36 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung abströmseitig von der Rohrleitung (4) eine Einrichtung zur Abtrennung des wenigstens einen partikulären Feststoffmaterials von dem behandelten schadstoffbelasteten Wasser aufweist.
42. Vorrichtung gemäß Anspruch 41 , dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Einrichtung zur Rückführung des abgetrennten partikulären Feststoffmaterials zur Einbringungseinrichtung aufweist.
43. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial abströmseitig nach der
Verengung (3) in der Rohrleitung (4), vorzugsweise im wesentlichen zentrosymmetrisch zur Längsachse der Rohrleitung (4), angeordnet ist.
44. Vorrichtung gemäß Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial zur Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet angeordnet ist.
45. Vorrichtung gemäß Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial faden- oder bandartig, vorzugsweise flexibel, ausgebildet ist.
46. Vorrichtung gemäß Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, daß das faden- oder bandartige Feststoff material Verdickungen, vorzugsweise knotenartige Verdickungen, aufweist.
47. Vorrichtung gemäß Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Feststoffmaterial als ein in der Rohrleitung (4) angeordnetes Innenrohr ausgebildet ist, wobei die Außenwandung des Innenrohrs zur Innenwandung der Rohrleitung (4) beabstandet ist.
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