DE102004010656A1

DE102004010656A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser bzw. verunreinigter Luft

Info

Publication number: DE102004010656A1
Application number: DE102004010656A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Fischer
Original assignee: Luwatec Luft und Wasserte GmbH; Luwatec Luft- und Wassertechnik GmbH
Current assignee: Portus Beteiligungs UG
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-02
Also published as: KR20070007811A; DE102004010656B4; EP1732851A1; WO2005082791A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser bzw. verunreinigter Luft durch intensive Behandlung des Wassers bzw. der Luft mit positiven und negativen Sauerstoffionen als Oxidationsmittel, die in einem Ionisator erzeugt werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt das durch ein Verfahren, bei dem DOLLAR A - Luft mittels Gebläse/Kompressor über einen Filter angesaugt, DOLLAR A - in einem rohrförmig konstruierten Ionenerzeuger verwirbelt wird und DOLLAR A - die Sauerstoffmoleküle mit einer Spannung von 2300 V bis 6400 V und Frequenzen von 25 Hz bis 580 Hz bei einer Pulsfrequenz von 4000 bis 15000 Hz ionisiert werden und DOLLAR A - die Luft mit den elektrostatisch aufgeladenen Teilchen über ein Ausströmsystem breitflächig in das aufzubereitende Medium eingeführt und dabei verwirbelt wird, wobei DOLLAR A - der optimale Arbeitsbereich durch Messung der Ionenintensität über einen Ionenmeßfühler und ein daran angepaßtes Regelsystem gesteuert wird. DOLLAR A Der Ionenerzeuger besteht aus zwei ineinander gesteckter Glasröhren mit einem (durch eine der Glasröhren) getrennten Kathoden- und Anodengeflecht aus Edelstahl. DOLLAR A Der Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt niedriger als bei bisher bekannten Verfahren. Durch das neu entwickelte Ionisationsverfahren wird eine extrem höhere Oxidationsintensität erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser bzw. verunreinigter Luft durch intensive Behandlung des Wassers bzw. der Luft mit positiven und negativen Sauerstoffionen als Oxidationsmittel, die in einem Ionisator erzeugt werden.

Gegenwärtig werden eine Vielzahl an Wasseraufbereitungsmethoden in der Praxis angewandt. Diese basieren auf sehr unterschiedlichen Methoden, wie beispielsweise auf Strahlungsenergie insbesondere im UV- und Gamma-Bereich, Zugabe von Chlor oder Chlorgas, Wasserstoffperoxid sowie Natriumchlorid zur Elektrolyse und verschiedenster anderer chemischer Hilfsstoffverfahren.

Alle bisherigen Anwendungen haben jedoch eines gemeinsam, die Zugabe von chemischen Substanzen oder beachtlicher Mengen an elektrischer oder Strahlenenergie. Wissenschaft und Technik sind sich darüber einig, dass jede Zugabe von agressiven Chemikalien (besonders zu nennen sind hier Chlor, Chloroxid, Ozon, Wasserstoffperoxid, Silber, Kupfer u. ä.) auch Risiken, sowie nachteilige Wirkungen einschließt.

Nach DE 100 14 833 bzw. WO 01/72637 ist es gelungen, die Prozesse der Natur auf elektrochemischer Basis mit einem äußerst minimalen Energieaufwand nachzuvollziehen. Durch die Aufladung der in der Luft vorhandenen Sauerstoffmole küle erzeugt man positiv und negativ geladene Sauerstoffionen. Die geladenen Sauerstoffmoleküle haben die Eigenschaft, ihre Ladung schnell mit einem zu oxidierenden Partner (organische und anorganische Substanzen) im Wasser auszutauschen.

Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß DE 100 14 833 bzw. WO 01/72637 dar. Das betrifft insbesondere die Zufuhr der zu ionisierenden Luft, die Verfahrensbedingungen, die Steuerung und den Aufbau des Ionenerzeugers und die verschiedenen Einsatzgebieten angepassten Ausströmsysteme.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Verfahren und eine Wasseraufbereitungsanlage zu entwickeln, mit dem das Verfahren der natürlichen Oxidation optimal zur Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser bzw. Luft genutzt wird.

Erfindungsgemäß gelingt das durch ein Verfahren, bei dem

– Luft mittels Gebläse/Kompressor über einen Filter angesaugt,
– in einem rohrförmig konstruierten Ionenerzeuger verwirbelt wird und
– die Sauerstoffmoleküle mit einer Spannung von 2.300 V bis 6.400 V und Frequenzen von 25 Hz bis 580 Hz bei einer Pulsfrequenz von 4.000 bis 16.000 Hz ionisiert werden und
– die Luft mit den elektrostatisch aufgeladenen Teilchen über ein Ausströmsystem breitflächig in das aufzubereitende Medium eingeführt und dabei verteilt wird, wobei
– der optimale Arbeitsbereich durch Messung der Ionenintensität über einen Ionenmeßfühler und daran angepaßtes Regelsytem gesteuert wird.

Die Pulsfrequenz oder auch Umpolfrequenz der Elektroden wird unabhängig von der Frequenz des verwendeten Wechselstroms eingestellt durch Impulsgeber.

Dadurch soll die Anzahl der positiven und negativen Sauerstoffionen gelenkt werden.

Zweckmäßig wird die Luft mit einem Druck von 0,2 bis 0,6 bar in den Ionenerzeuger eingeleitet.

Vorzugsweise sollte die Spannung am Ionenerzeuger 200 V bis 250 V und die Frequenz 50 Hz bis 150 Hz (z. B. Netzspannung) betragen bei einer Pulsfrequenz von 4.000 bis 6.000 Hz.

Im Ionenerzeuger werden durch elektrostatische Aufladung aus den inaktiven Sauerstoffmolekülen Sauerstoffionen O₂ ⁺ und O₂ ^– gebildet. Die geladenen Sauerstoffionen werden mit der Luft zum Ausströmsystem geleitet.

Der Arbeitsbereich ist auf einen relativ kleinen chemischen Reaktionsenergie-Bereich beschränkt. Kernpunkt der Entwicklung war, diesen kleinen Bereich zwischen inaktivem Sauerstoff und Ozon auf Grund des höheren Oxidationspotentiales von aktiven Sauerstoffionen für die natürliche Oxidation zu nutzen.

Der Übergang von aktiven Sauerstoffionen zu Ozon allein erfolgt bei Einfluss von hohen Energiemengen in der Praxis sehr schnell. Da die Abbaueffekte durch Ozon wesent lich geringer sind als durch Ionisation, wurde bei der Entwicklung auf des Verfahrens auf die ausschließliche Erzeugung von Sauerstoffionen gezielt, um die vermehrte Bildung und Überreaktionen in Richtung Ozon auszuschließen.

Jede auch noch so geringe Menge an erzeugten Ozon bedeutet in der Praxis Verlust an aktiv erzeugten Sauerstoffionen. Der primär zur Verfügung stehende Sauerstoffanteil in der Umgebungsluft muss, um ein optimales Oxidationsverhalten zu erreichen, bestmöglich für die Erzeugung von Sauerstoffionen genutzt werden. Dieses wurde durch verschiedene technische Parameter wie Spannungsart und Spannungshöhe erzielt.

Kohlenwasserstoffe und deren chemisch analoge Verbindungen werden damit schnell und wirkungsvoll aufoxidiert. Durch das hohe Oxidationspotenzial der geladenen Sauerstoffionen werden Bakterienhüllen gespalten und somit nachhaltig vernichtet.

In Wasser gelöste Huminstoffe gehören zu den schwer abbaubaren Substanzen in der Trinkwasseraufbereitung. Auch hier werden gute Ergebnisse erzielt. Ein gezielter Einsatz positiver oder negativer Sauerstoffionen kann den Abbau chemisch schwer zu oxidierender Stoffe quantitativ beeinflussen.

Im Gegensatz zur Ozonerzeugung werden zur Sauerstoffionen-Erzeugung wesentlich geringere Energiemengen benötigt. Der Gesamtenergiebedarf liegt bei ca. 0,8 Watt pro Liter mittelschwer belastetem Rohwasser.

Es kommt darauf an, dass diese ionisierte Luft möglich großflächig in das aufzu-bereitende Medium (verunreinigtes Wasser und/oder verunreinigte Luft) geleitet wird.

Ein Ionenmeßfühler im austretenden Luftkanal überwacht den Arbeitsbereich des Ionenerzeugers und steuert die Spannung und Frequenz im Ionenerzeuger, je nach Verschmutzungsgrad.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Anlage besteht aus

– einem Seitenkanalgebläse/Kompressor (1) mit vorgeschalteten F7-Filter (2) zur Ansaugung/Kompression von Luft,
– einem Ionenerzeuger in Form zweier ineinander gesteckter Glasröhren (10, 11) mit einem (durch eine der Glasröhren (11)) getrennten Kathoden- (12) und Anodengeflecht (13) aus Edelstahl,
– einem breitflächig angeordneten und zu Verwirbelungen der ionisierten Luft im aufzubereitenden Medium führenden Ausströmsystem und
– einem Regelsystem (3), das durch einen Ionenmeßfühler (6) gesteuert wird.

Unter einem sog. F7-Filter wird ein Feinfilter < 50 μm für die Filtrierung der anzusaugenden Außenluft verstanden.

Besonders günstig ist es, wenn alle Bestandteile der Vorrichtung mit Ausnahme des Ausströmsystems kompakt in einer geschlossenen und transportablen Anlage angeordnet sind (1).

Der Ionenerzeuger in Form eines Zylinders (2) besteht aus einer mit zwei Endkappen (9) versehenen Glasröhre (10), in der eine zweite Glasröhre (11) oben und unten in den Endkappen (9) eingebettet ist. Die zweite Glasröhre (11) dient als Isolator zwischen Kathoden- (12) und Anodengeflecht (13). Die Luft wird an einem Enddeckel (9) eingeblasen und durchströmt das innere Glasrohr (11) mit dem Kathoden- (12) und Anodengeflecht (13).

Bei dieser Durchströmung kommt es an den Kathoden- und Anodengeflechten (12 und 13) zu Verwirbelungen und gleichzeitig zur elektrostatischen Aufladung der in der Luft befindlichen Sauerstoffmoleküle. Die nun aktivierten positiven und negativen Sauerstoffionen werden über die andere Endkappe (9) zum Ausströmsystem geleitet.

Um eine optimale Verwirbelung zu erreichen, wird die Luft mit einem Druck von 0,2 bis 0,6 bar in den Ionenerzeuger eingeleitet. Das Kathodengeflecht (12) besteht aus Edelstahl mit einer Maschenweite vorzugsweise von 0,6 mm bis 1,5 mm und einer Materialstärke vorzugsweise von 0,2 mm bis 0,5 mm. Das Anodengeflecht (13) besteht ebenfalls aus Edelstahl, jedoch mit einer Maschenweite vorzugsweise von 1,4 mm bis 2,6 mm und einer Materialstärke von vorzugsweise 0,5 mm bis 1,2 mm.

Der Arbeitsbereich liegt bei einer Spannung von 2.300 V bis 6.400 V und einer Frequenz von 25 Hz bis 580 Hz. Zweckmäßig wird Wechselstrom von 200 V bis 250 V (Netzspannung) und eine Frequenz von 50 Hz und über 50 Hz verwendet.

Die erfindungsgemäßen Ausströmsysteme sind breitflächig, aber unterschiedlich gestaltet in Abhängigkeit von dem zu behandelnden Medium, und zwar

– bei der Aufbereitung von Luft als Ausströmdüse (3),
– bei der Aufbereitung von Wasser als Ausströmplatte (4) und
– bei der Aufbereitung gleichzeitig von Wasser und Luft als rohrförmiges System (5).

In den Luftleitsystemen erfolgt dies durch die Ausströmdüse, bestehend aus einem runden Eingang (14) mit Durchmesser von 30 mm bis 80 mm und einem elliptischen Ausgang (15) von 80 mm bis 250 mm sowie einem 100 mm bis 150 mm entfernten Drallblech (16). Dadurch wird eine optimale Verteilung, Verwirbelung und Vermischung der Sauerstoffionen mit der zu behandelnden Luft gewährleistet.

Bei der Aufbereitung von Trink-, Prozess- und Abwasser erfolgt die Verteilung durch die Ausströmplatte. Diese Platte besteht aus einer geschlossenen Unterplatte, einer darauf befestigten Luftverteilungsspirale (17) mit einer Höhe von 8 mm bis 14 mm und einer Abdeckplatte mit Bohrungen (5) von 0,6 mm bis 1,3 mm, durch die die ionisierte Luft mit einer Luftbläschengröße von 0,3 mm bis 1,6 mm in das Wasser entweichen und es durchströmen kann.

Bei der Aufbereitung von Wasser und Luft, bevorzugt in raumlufttechnischen Anlagen, erfolgt die Verteilung durch das rohrförmige Ausströmsystem. Der ionisierte Sauerstoff wird zum Luftverteiler (7) geführt. Die angeschlossenen und miteinander verbundenen perforierten Rohrsysteme (8) haben einen Durchmesser von je 8 mm bis 48 mm, und die in das Rohr eingebrachten Luftaustrittsöffnungen (5) von 0,8 mm bis 2,9 mm gewährleisten eine Luftbläschengröße von 1 mm bis 3,2 mm zur optimalen Durchströmung des Wassers und nachfolgenden Verwirbelung mit der zu reinigenden Luft.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihren Varianten wird beispielhaft schematisch durch die Figuren
1 Kompaktanlage (ohne Ausströmsystem)
2 Ionisator
3 Ausströmdüse für Luft
4 Ausströmsystem für Wasser und
5 rohrförmiges Ausströmsystem für Wasser und Luft dargestellt.
Darin bedeuten:

1: Gebläse/Kompressor (1)
2: F7-Filter (1)
3: Regelsystem (1)
4: Ionisator (1)
5: Ausströmöffnungen (4, 5)
6: Ionenmessfühler
7: Luftverteiler (5)
8: Perforiertes Rohrsystem (5)
9: Endkappen des Ionenerzeugers (2)
10: äußere Glasröhre des Ionenerzeugers (2)
11: innere Glasröhre des Ionenerzeugers (2)
12: Kathodengeflecht des Ionenerzeugers (2)
13: Anodengeflecht des Ionenerzeugers (2)
14: kreisförmiger Eingang (3)
15: elliptischer Ausgang (3)
16: Drallblech (3)
17: Luftverteilungsspirale (4)

Der Ionenmessfühler wird in den Kanal eingebaut, um die Ionenintensität zu messen. Über ein Regelsystem werden insbesondere die Spannung und die Pulsfrequenz im Ionisator geregelt. Auch die Zulaufmenge des unbehandelten Wassers könnte gesteuert werden.
Der Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt mit 0,1 bis 1,5 Watt/Liter Wasser niedriger als bei bisher bekannten Verfahren, im Durchschnitt bei 0,8 Watt/Liter.
Durch das neu entwickelte Ionisationsverfahren ist eine extrem höhere Oxidationsintensität erreicht worden. Bisher wurde Ozon als bestmöglicher Oxidator angesehen. Somit ist die Wirksamkeit entschieden höher als bei der herkömmlichen Ozonbehandlung, die derzeitig in allen Bereichen praktiziert wird.
Bei der Aufbereitung von Luft wird durch die Luftgebläseeinheiten Luft angesaugt und in die Ionenerzeuger geleitet. Die Luft wird durch elektrische Ladung ionisiert und über den kurzmöglichsten Weg zur Ioneninduzierung transportiert. Über diese gelangen die elektrisch geladenen Ionen in den Kanal des Luftleitungssystems, treffen auf die zu entkeimende Abluft, reagieren mit den in der Luft befindlichen Keimen und eliminieren sie.
In Folge des Oxidationsprozesses werden auch auftretende Geruchsbelästigungen neutralisiert.
Es erfolgt eine Entkeimung des gesamten Luftleitungssystems. Befreit von umweltschädlichen Stoffen wie Keimen und Bakterien sowie von Geruchsemissionen, kann die behandelte Abluft unbedenklich in die Atmosphäre abgegeben werden.
Als Beispiele für die Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser seien folgende Einsatzgebiete genannt:

– Entkeimung von Salzlaken, Entkeimung von Brauchwasser und Entkeimung von Bearbeitungsräumen bei der Fleischverarbeitung,
– Entkeimung von Wasser zur Flaschenspülung in der Getränkeindustrie,
– Entkeimung von Wasser in Fischaufzuchtbecken,
– Entkeimung von Prozesswasser zur Rückführung in Produktionsprozess oder zur Rückführung in öffentliche Gewässer.

Ein aktuelles Thema der Trinkwasseraufbereitung sind Pestizidrückstände (aus der Landwirtschaft), zumal in den nächsten Jahren der Anteil von Herbiziden und anderer Pestizide im Rohwasser steigen wird. Pflanzenschutzmittel und Insektizide sind seit 1970 in weitem Umfang eingesetzt worden. Da die Natur diese Stoffe meist nur sehr schwer oder gar nicht abzubauen vermag, sind diese durch das Erdreich bis in wasserführende Schichten gelangt. Als einer der Hauptvertreter der Herbizide ist das Atrazin genannt. Dabei handelt es sich um den prominentesten Vertreter der Triazin-Herbizide. Das Abbauvermögen in der Natur beträgt faktisch null. Demgegenüber bestätigen die erfindungsgemäßen Ergebnisse die hohe Oxidationsaktivität der Sauerstoffionen.
Um die Effektivität der Keimabtötung zu überprüfen, wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser eingesetzt, das mit einer definierten Menge des Bakteriums Legionella pneumophila beeimpft wurde. Dazu wurde eine Ausgangskonzentration gewählt, die einer massiven (in Ausnahmefällen vorkommenden) Belastung in wasserführenden Systemen entspricht.
Nachdem eine erste Beprobung zur Bestimmung der vorhandenen Bakterienkonzentration erfolgte (Nullwert), wurde die Vorrichtung in Betrieb genommen und in vorher festgelegten zeitlichen Intervallen Wasserproben entnomnmen und mikrobiologisch untersucht.
Die erste Probenahme zeigte eine Ausgangskonzentration von 140.000 KBE/ml an Legionellen (Nullwert). Nach erfolgter Probenahme wurde die Vorrichtung zugeschaltet. Bereits nach einer Stunde Laufzeit zeigte sich eine Reduktion des eingesetzten Bakterienstammes Legionella pneumophila von 140.000 KBE/ml auf eine nicht mehr nachweisbare Konzentration (KBE = Koloniebildende Einheit).

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser bzw. verunreinigter Luft durch intensive Behandlung des Wassers bzw. der Luft mit positiven und negativen Sauerstoffionen als Oxidationsmittel, die in einem Ionisator erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – Luft mittels Gebläse/Kompressor über einen Filter angesaugt, – in einem rohrförmig konstruierten Ionenerzeuger verwirbelt und – die Sauerstoffmoleküle dabei mit Wechselstrom einer Spannung von 2.300 V bis 6.400 V und Frequenzen von 25 Hz bis 580 Hz bei einer Pulzfrequenz von 4.000 bis 16.000 Hz ionisiert werden und – die Luft mit den elektrostatisch aufgeladenen Teilchen über ein Ausströmsystem breitflächig in das aufzubereitende Medium eingeführt und dabei verteilt wird, wobei – der optimale Arbeitsbereich durch Messung der Ionenintensität über einen Ionenmessfühler und daran angepasstes Regelsystem gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft mit einem Druck von 0,2 bis 0,6 bar in den Ionenerzeuger eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung am Ionenerzeuger 200 V bis 250 V und die Frequenz 50 Hz bis 150 Hz und Pulsfrequenz von 4.000 bis 6.000 Hz betragen.
Vorrichtung zur Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser bzw. verunreinigter Luft durch intensive Behandlung des Wassers bzw. der Luft mit positiven und negativen Sauerstoffionen als Oxidationsmittel, die in einem Ionisator erzeugt werden, bestehend aus – einem Seitenkanalgebläse/Kompressor (1) mit vorgeschalteten F7-Filter (2) zur Ansaugung/Kompression von Luft, – einem Ionenerzeuger (4) in Form zweier ineinander gesteckter Glasröhren (10, 11) mit einem (durch eine der Glasröhren (11)) getrennten Kathoden- (12) und Anodengeflecht (13) aus Edelstahl, – einem breitflächig angeordneten und zu Verwirbelungen der ionisierten Luft im – aufzubereitenden Medium führenden Ausströmsystem und – einem Regelsystem (3) das durch einen Ionenmeßfühler (6) gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bestandteile der Vorrichtung kompakt in einer geschlossenen Anlage angeordnet sind, mit Ausnahme des Ausströmsystems, das über Rohrleitungen bzw. Schläuche angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ionen-Erzeuger das Kathodengeflecht eine Maschenweite von 0,6 bis 1,5 mm und eine Materialstärke von 0,2 bis 0,8 mm und das An odengeflecht eine Maschenweite von 1,4 bis 2,6 mm und eine Materialstärke von 0,5 bis 1,2 mm haben.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmsystem zur Aufbereitung von Luft eine Ausströmdüse ist, aus einem runden Eingang (14) mit Durchmesser von 30 mm bis 80 mm und einem elliptischen Ausgang (15) von 80 mm bis 250 mm sowie einem 100 mm bis 150 mm entfernten Drallblech (16) besteht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmsystem zur Aufbereitung von Wasser eine Ausströmplatte ist, die aus einer geschlossenen Unterplatte, einer darauf befestigten Luftverteilungsspirale (17) mit einer Höhe von 8 mm bis 14 mm und einer Abdeckplatte mit Bohrungen (5) von 0,6 mm bis 1,3 mm besteht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausströmsystem zur Aufbereitung von Wasser und Luft ein rohrförmiges Ausströmsystem ist mit einem Luftverteiler (7) und angeschlossenen und miteinander verbundenen perforierten Rohrsystemen (8) mit einem Durchmesser von je 8 mm bis 48 mm und in das Rohr eingebrachten Luftaustrittsöffnungen (5) von 0,8 mm bis 2,9 mm.