DE102009056175A1

DE102009056175A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung partikulärer und/oder gelöster Stoffe aus wässrigen Medien

Info

Publication number: DE102009056175A1
Application number: DE102009056175A
Authority: DE
Inventors: Horst 80689 Chmiel
Original assignee: Audita Unternehmensberatung 80689 GmbH; AUDITA UNTERNEHMENSBERATUNG GmbH
Current assignee: Cerafiltec Germany De GmbH
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-11-28
Also published as: WO2011064353A1; DE102009056175B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines wässrigen Mediums mit darin enthaltenen partikulären und/oder gelösten Stoffen, b) Bereitstellen von ionisierter Luft, c) In Kontakt bringen der ionisierten Luft mit dem wässrigen Medium, enthaltend die partikulären und/oder gelösten Stoffen, d) Abtrennen der partikulären oder gelösten Stoffen aus dem wässrigen Medium, wobei der total organic carbon (TOC)-Wert des wässrigen Mediums während Schritt (c) um höchstens 10% absinkt. Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung von ionisierter Luft zur nicht-oxidativen Abtrennung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien und zur Verringerung des Foulings von Membranen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien unter Verwendung von ionisierter Luft, wobei vorzugsweise der „total organic carbon” (TOC)-Wert des wässrigen Mediums während der Behandlung des Mediums mit der ionisierten Luft im Wesentlichen gleich bleibt. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von ionisierter Luft, vorzugsweise mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-%, zur Verbesserung der Abtrennbarkeit von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien.
Die Herstellung von biotechnischen Produkten führt zu großen Mengen an verunreinigtem Abwasser, insbesondere Abwasser, das Zellen, Proteine, organische Säuren etc. enthält, welche aus dem Wasser entfernt werden müssen. Aber auch andere Prozesswässer sowie Oberflächenwässer, schwach belastete Abwässer, Wasserbecken, Aquarien oder im Kreislauf geführtes Wasser in Schwimmbädern, Teichen oder Zooanlagen enthalten neben suspendierten Partikeln (z. B. Mikroben) kolloidal gelöste organische Verbindungen, wie z. B. Proteine oder organische Säuren, sowie ein- und mehrwertige Ionen, die entfernt werden müssen.
Des Weiteren fallen im Bereich der biotechnologischen Herstellung von Biomolekülen wie Proteinen oder Nukleinsäuren, aber auch bei der Erzeugung von Zellen oder Zellfragmenten diese gewünschten Produkte in der Regel in wässrigen Medien an, aus denen sie anschließend möglichst einfach und schonend gewonnen bzw. isoliert werden müssen.
Nach einem anderen Gesichtspunkt ist die Aufbereitung von organisch und/oder biologisch verunreinigten wässrigen Medien von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Deshalb gibt es bereits eine Vielzahl von Wasseraufbereitungsmethoden. Viele Wasseraufbereitungsverfahren beruhen auf der Zugabe von Chlor und Chlorgas, Wasserstoffperoxid oder anderen Oxidationsmitteln. Bekannt sind auch Elektroverfahren unter Verwendung von Natriumchlorid.
Eine Möglichkeit zur Gewinnung von Mikroorganismen (z. B. Milchsäurebakterien), Biomolekülen (z. B. Proteinen) oder Reinigung von Abwässern ist das Sedimentations- oder Fällungsverfahren. Bei der Sedimentation bzw. der Fällung werden dem Wasser Chemikalien wie z. B. organische Lösemittel, Säuren oder Salze zugegeben, die die gelösten Stoffe in unlösliche Stoffe überführen, die anschließend wieder entfernt werden müssen. Diese zugegebenen Chemikalien bewirken eine Agglomeration (auch als Aggregation oder Koagulation bekannt), d. h. ein Aneinanderlagern der Mikroorganismen, Biomoleküle bzw. Verunreinigungen mit der Wirkung, dass sie sich im Schwerefeld langsam absetzen (sedimentieren).
Die Sedimentationsgeschwindigkeit der Teilchen gehorcht dem sogenannten Stoke'schen Gesetz. Dieses sagt aus, dass die Geschwindigkeit, mit der die Teilchen in einem Fluid (hier dem Wasser) sedimentieren, mit dem Quadrat des Teilchendurchmessers wächst (siehe Chmiel „Bioprozesstechnik”, Springer Verlag 2008).
Die Sedimentationsgeschwindigkeit kann dadurch erhöht werden, dass diese wässrige Suspension (bei Partikeln) oder Lösung (bei organischen Molekülen oder Ionen) einem Fliehkraftfeld ausgesetzt wird. Hierfür eignen sich beispielsweise sowohl Zentrifugen als auch Hydrozyklone.
Die DE 100 01 737 C1 beschreibt eine Vorrichtung für eine Fest/Flüssig Phasentrennung zur Aufbereitung von verunreinigten Flüssigkeiten, insbesondere Oberflächen-, Grund-, oder Prozesswasser. In der DE 100 01 737 C1 erfolgt zunächst eine Siebung des Wassers, um grobe Partikel, Schwebstoffe und dergleichen abzutrennen. Eine alkalische Kalk-Konditionierung geschieht ohne vorgeschaltete Reaktionsbecken, in denen üblicherweise unter Zugabe von Lauge (NaOH), Koagulanten (Eisensalze) und Flockungshilfsmitteln die Ausfällung von mehrwertigen Metallhydroxiden und Metallcarbonaten bei einem pH-Wert > 10 erfolgt. Hierbei werden die Chemikalien direkt in die Rohrleitung dosiert. Dadurch entfallen die Reaktionsbecken, insbesondere das dem Sedimentationsbecken unmittelbar vorgeschaltete Becken, in dem durch Zugabe von Flockungshilfsmitteln bewusst Makroflocken gebildet werden sollen, die kürzere Absetzzeiten aufweisen. Gleichzeitig erfolgt eine Adsorption von Silikaten und organischen Kolloiden an den Mikroflocken aus CaCO₃, Magnesium- und Eisenhydroxid. Die in der Rohrleitung gebildeten Mikroflocken werden in einer gesonderten Vorrichtung vom Wasser abgetrennt.
Bei diesem Verfahren müssen allerdings die vorstehenden Chemikalien und Fällungsmittel zugegeben werden. Damit verbunden ist eine Verunreinigung der zurück gehaltenen Teilchen bzw. ein hoher Schlammanteil, der im unteren Teil des Hydrozyklons ausgetragen werden muss.
EP 1 349 811 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von mechanisch, organisch und/oder biologisch verunreinigtem Wasser (Rohwasser) durch intensive Behandlung des Wassers mit Luft als Oxidationsmittel. Bei dieser Oxidation wird Luft mittels eines Ionisators in positiv und negativ geladene Sauerstoffionen ionisiert, unter einem Druck von 1,2 bis 3,5 bar über Glasfritten in feinen Blasen durch den mit dem verunreinigten Rohwasser gefüllten Reaktor geleitet, die darin befindlichen Stoffe oxidiert und das so behandelte Wasser dadurch gereinigt. Die Luft lässt sich mit einem speziell hierfür entwickelten Ionisator bei einem Energieeintrag von ca. 1,2 W pro Liter mittelschwer belastetem Rohwasser soweit ionisieren, dass sie für organische Verunreinigungen ein ähnlich hohes Oxidationspotential wie Ozon entwickelt, wenn diese ionisierte Luft in das verunreinigte Wasser eingemischt wird. Die Oxidationsrate bei der Verwendung von in Wasser gelöster ionisierter Luft lag je nach Art der Verunreinigung bei bis zu 69,3%.
US 5,527,459 A beschreibt ein Verfahren zur Vermeidung der Ausbreitung bzw. Vermehrung von Mikroorganismen in Wasser durch Behandlung des Wassers mittels ionisierter Luft. Die Luft wird durch möglichst weitgehende Ionisation von Sauerstoffmolekülen bei einer Spannung von 3–5 kV mit positiven und negativen Sauerstoffionen aufgeladen und durch einen Glasdiffuser in feinen Blasen im Wasser verteilt. Ein Luftkompressor sorgt für den nötigen Druck. Da bei dieser möglichst vollständigen Ionisation der Sauerstoffmoleküle die Bildung von Ozon nicht ganz vermieden werden kann, sorgt ein Ozonzersetzungskatalysator dafür, dass zum Zeitpunkt der Wasserbehandlung kein Ozon enthalten ist. Ziel ist die Zerstörung der Zellwand der Mikroben und damit auch die Verhinderung von deren Ausbreitung oder Vermehrung.
US 4,246,105 beschreibt ein Verfahren zur Reduktion des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) von Wasser und Abwasser, welches durch oxidierbare Stoffe belastet ist, mittels kontinuierlicher katalytischer Oxidation. In US 4,246,105 werden angeregte dissoziierte und/oder mindestens teilweise ionisierte Gase und/oder Gasgemische als Promotor, ohne Verwendung von Ozon, in einer solchen Menge verwendet, um genügend freie Radikale zu bilden, welche die Oxidation einleiten und auch den gebrauchten Katalysator kontinuierlich regenerieren bzw. reaktivieren.
Nachteilig an den vorgenannten Verfahren des Standes der Technik ist, dass sie entweder verhältnismäßig teuer sind, da sie z. B. beträchtliche Mengen von elektrischer Energie benötigen, oder zu einer erhöhten ökologischen Belastung führen, die durch den Einsatz von speziellen (auch teueren) Chemikalien verursacht wird. Insbesondere führt eine starke Ionisierung von Luft zur Bildung von Ozon, das umweltschädlich ist.
Da der Entfernung von partikulären (z. B. Bakterien) und gelösten Stoffen (z. B. Proteine) oder Verunreinigungen aus wässrigen Medien steigende Bedeutung zukommt, nimmt der Bedarf an verbesserten Verfahren zu deren Entfernung aus wässrigen Medien laufend zu.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, die bekannten Verfahren zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien so zu vereinfachen und zu verbessern, dass eine einfache und effiziente Entfernung ohne Zugabe von Chemikalien, Ozon oder anderen oxidierenden Stoffen aus den wässrigen Medien ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe war es, ein einfaches und effizientes Verfahren zur Abtrennung von gewünschten Stoffen, wie z. B. Mikroorganismen oder Biomolekülen aus der biotechnologischen Herstellung, aus wässrigen Medien bereit zu stellen.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren unter Verwendung von ionisierter Luft gemäß den Merkmalen der Ansprüche sowie die Verwendung von ionisierter Luft zur Verbesserung der Abtrennbarkeit von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien bereit. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche: Insbesondere betrifft die Erfindung nach einem Aspekt die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen:

(1) Verfahren zur Abtrennung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines wässrigen Mediums mit darin enthaltenen partikulären und/oder gelösten Stoffen, b) Bereitstellen von ionisierter Luft, c) In Kontakt bringen der ionisierten Luft mit dem wässrigen Medium, enthaltend die abzutrennenden Stoffe, d) Abtrennen der partikulären und/oder gelösten Stoffe aus dem wässrigen Medium, wobei der total organic carbon (TOC)-Wert des wässrigen Mediums während Schritt (c) um höchstens 10% absinkt. Bevorzugt sinkt der total organic carbon (TOC)-Wert während des Verfahrens um höchstens 10% ab. Weitere bevorzugte Obergrenzen für die Abnahme der TOC-Werte sind nachfolgend beschrieben. Weiter bevorzugt wird bei dem vorstehenden erfindungsgemäßen Verfahren ionisierte Luft mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% des vorhandenen Sauerstoffs eingesetzt.
(2) Verfahren zur Abtrennung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines wässrigen Mediums mit darin enthaltenen partikulären und/oder gelösten Stoffen, b) Bereitstellen von ionisierter Luft mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% des vorhandenen Sauerstoffs, c) In Kontakt bringen der ionisierten Luft mit dem wässrigen Medium; enthaltend die abzutrennenden Stoffe, d) Abtrennen der partikulären und/oder gelösten Stoffe aus dem wässrigen Medium, wobei vorzugsweise der total organic carbon (TOC)-Wert des wässrigen Mediums während Schritt (c) um höchstens 10% absinkt. Weiter bevorzugt sinkt der total organic carbon (TOC)-Wert während des Verfahrens um höchstens 10% ab. Weitere bevorzugte Obergrenzen für die Abnahme der TOC-Werte sind nachfolgend beschrieben.
(3) Verfahren nach Ausführungsform (1) oder (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisierung der Luft in einem Ionisator bei einer Spannung von kleiner als 3 kV erfolgt.
(4) Verfahren nach Ausführungsform (1) bis (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Stoffe enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mikroorganismen, Proteinen, organischen Säuren oder Teilen davon, sowie aus pflanzlichen oder tierischen Zellen oder Zellfragmenten.
(5) Verfahren nach einer der Ausführungsformen (1) bis (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung der partikulären Teilchen in Schritt (d) durch Sedimentation unter Verwendung eines Hydrozyklons mit porösem Tauchrohr, einer Zentrifuge oder Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen erfolgt.
(6) Verfahren nach einer der Ausführungsformen (1) bis (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag weniger als 1 Watt pro Liter (W/L) an wässrigem Medium, vorzugsweise weniger als etwa 0,8 W/L, beträgt.
(7) Verfahren nach einer der Ausführungsformen (1) bis (6), dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt d) zur Abtrennung verwendete Membran einen Porendurchmesser von mindestens 10 μm (Tauchrohr des Hydrozyklons), 0,5 μm bei Verwendung einer Mikrofiltrationsmembran und 0,05 μm bei Verwendung einer Ultrafiltrationsmembran aufweist.
(8) Verwendung von ionisierter Luft, vorzugsweise mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90% der vorhandenen Sauerstoffmoleküle, zur Verbesserung der Aggregationsneigung von suspendierten und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien.
(9) Verwendung von ionisierter Luft, vorzugsweise mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-%, zur Verbesserung der nicht-oxidativen Abtrennbarkeit von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien.
(10) Verwendung von ionisierter Luft, vorzugsweise mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-%, zur nicht-oxidativen Abtrennung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien. Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren zur nicht-oxidativen Abtrennung die Behandlung eines wässrigen Mediums, enthaltend partikuläre oder gelöste Stoffe mit ionisierter Luft, sowie einen nachfolgenden Filtrationsschritt zur Abtrennung der partikulären oder gelösten Stoffe.
(11) Verwendung von ionisierter Luft mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Abtrennung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien auch ohne Messung des TOC-Werts erfolgen kann, wenn ionisierte Luft mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% verwendet wird. Allerdings ist das Verfahren noch effizienter und besser kontrollierbar, wenn zusätzlich der TOC-Wert bestimmt und die Abnahme der TOC-Werte wie hierin näher beschrieben begrenzt wird.
(13) Vorrichtungsanordnung zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungsanordnung einen Ionisator und einen Hydrozyklon mit einer Membran aufweist. Zusätzlich bevorzugt enthält die Vorrichtungsanordnung einen Ozon-Sensor. Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung in einem Verfahren oder in einer Verwendung wie hierin beschrieben eingesetzt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass die Verwendung von ionisierter Luft ohne eine Oxidation der partikulären oder gelösten Stoffe (wie im Stand der Technik beschrieben) in einem wässrigen Medium zu deren besseren Abtrennbarkeit führt. Das ist insbesondere unerwartet, als die Wirksamkeit der ionisierten Luft im Stand der Technik zur Entfernung von Verunreinigungen aus Wasser bisher ausschließlich mit der Oxidation der partikulären Teilchen in Verbindung gesetzt wird. Eine solche Oxidation bzw. Zersetzung partikulärer bzw. gelöster Stoffe ist beispielsweise auch in der EP 1 349 811 beschrieben. Im Gegensatz dazu beruht das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf der Oxidation der Stoffe.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Verwendung von ionisierter Luft ist der Rückhalt der im wässrigen Medium suspendierten Stoffe nach der Behandlung mit ionisierter Luft als Folge der dadurch induzierten Aggregation mit einer vergleichsweise grobporigen Membrane (z. B. Mikrofiltration und Ultrafiltration, statt Nanofiltration bzw. umgekehrte Osmose bei kolloidalen Lösungen bzw. Membranen mit Porendurchmessern > 10 μm statt bisher < 0,5 μm für Mikroben) möglich oder die Teilchen sedimentieren sogar von selbst. Somit werden trübe oder gefärbte wässrige Lösungen klar.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wurde überraschend festgestellt, dass sich durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Verwendung von ionisierter Luft suspendierte oder gelöste Stoffe, insbesondere Biomoleküle, Zellen oder Zellfragmente leicht und ohne Zerstörung ihrer nativen Form aus wässrigen Medien abtrennen lassen. So kann z. B. bei Enzymen die Abtrennung einfach und effizient ohne Verlust der enzymatischen Aktivität erfolgen.
Wie nachfolgend noch weiter ausgeführt wird, wird nach einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugterweise schwach ionisierte Luft eingesetzt. Dadurch lässt sich die nicht-oxidative Behandlung des die partikulären Teilchen enthaltenden wässrigen Mediums besonders gut steuern. Eine Steuerung ist aber auch z. B. durch die Dauer der Behandlung, die Einstellung der Konzentrationsverhältnisse von ionisierter Luft zu den suspendierten bzw. gelösten Stoffen oder auch der Temperatur, dem pH-Wert, der Ionenstärke der wässrigen Lösung etc. möglich.
Da die Erzeugung von schwach ionisierter Luft weniger Energie benötigt als z. B. die Herstellung von Luft mit einem Ionisationsgrad von mehr als 90 Vol.-% der vorhandenen Sauerstoffmoleküle (wie in EP 1 349 811 beschrieben), ist das erfindungsgemäße Verfahren nach dieser bevorzugten Ausführungsform auch aufgrund eines niedrigeren Energieverbrauchs vorteilhaft.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die erfindungsgemäße Verwendung von ionisierter Luft zur Verbesserung der Abtrennbarkeit von suspendierten oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien führt. Vorteilhafterweise wird dadurch vermieden, dass aus diesen Stoffen durch Oxidation toxikologisch noch bedenklichere Stoffe entstehen.
Der Oxidationsgrad des Mediums, das die suspendierten oder gelösten Stoffe enthält kann durch Messung des sogenannten total organic carbon (TOC) bestimmt werden. Unter dem Begriff TOC versteht man die Menge an Sauerstoff, die zur vollständigen Oxidation des gesamten organischen Kohlenstoffs benötigt wird. Dieser TOC wird in der Einheit mg/L angegeben. Der TOC dient insbesondere als Summenparameter zur Quantifizierung der Belastung von Abwasser mit organischen Stoffen. Er erfasst sowohl biologisch abbaubare als auch biologisch nicht abbaubare organische Stoffe. Der TOC kann sehr schnell und mit kleinen Probenmengen ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich nach einem bevorzugten Aspekt dadurch aus, dass der TOC-Wert während der Behandlung des Mediums mit schwach ionisierter Luft im Wesentlichen nicht absinkt.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung nach einem Aspekt ein Verfahren zur Entfernung von suspendierten und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien, umfassend die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines wässrigen Mediums mit darin enthaltenen suspendierten oder gelösten Stoffen,
b) Bereitstellen von ionisierter Luft, vorzugsweise mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% des vorhandenen Sauerstoffs,
c) In Kontakt bringen der ionisierten Luft mit dem im wässrigen Medium enthaltenen suspendierten oder gelösten Stoffen,
d) Abtrennen der aggregierten Stoffe aus dem wässrigen Medium, wobei der TOC-Wert des wässrigen Mediums während Schritt (c) um höchstens 10% absinkt.

In Schritt (a) des Verfahrens wird ein die abzutrennenden Stoffe enthaltendes wässriges Medium bereitgestellt. Insbesondere bevorzugt enthält das Medium anorganische oder organische, bevorzugt organische Stoffe, weiter bevorzugt Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Viren, Phagen, Hefen, Algen, Protozoen), Proteine und Proteinfragmente, Oligo- und Polymere sowie andere biotechnologische Produkte oder Nebenprodukte, sowie pflanzliche oder tierische Zellen oder Zellfragmente.
Die partikulären oder gelösten Stoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung können auch in kolloidaler Form bzw. kolloidal gelöster Form vorliegen. Insbesondere in Gegenwart von Teilchen nicht-abgegrenzter Natur können bei Verwendung von bekannten Reinigungsverfahren erhebliche Probleme wie z. B. Klärschwierigkeiten und unzureichende Schönungswirkungen auftreten. Diese Probleme werden bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verringert oder vermieden.
In Schritt (b) des Verfahrens wird zunächst ionisierte Luft erzeugt. Die Erzeugung von ionisierter Luft wird nachfolgend ausführlich beschrieben.
Der Übergang von aktiven Sauerstoffionen zu Ozon erfolgt bei Einfluss von hohen Energiemengen schnell. Vorzugsweise werden genau die Ionisierungsbedingungen gewählt, die die Erzeugung von aktiven Sauerstoffionen ermöglicht, jedoch die Entstehung von Ozon vermeidet. Besonders bevorzugt wird daher erfindungsgemäß ein Ozon-Sensor verwendet, der anzeigt, wenn bzw. wie viel Ozon während der Ionisation entstanden ist. Falls die Entstehung von Ozon angezeigt wird, kann das Verfahren durch beispielsweise Verringerung der Ionisationsspannung derart angepasst werden, dass kein Ozon mehr gebildet wird.
Erfindungsgemäß wird daher die Ionsierung der Luft derart durchgeführt, dass zunächst die Ionisationsspannung bis zum ersten Signal (des Ozon-Sensors) für Ozon angehoben wird und die Ionisationsspannung dann um mindestens 10%, vorzugsweise jedoch auf die Hälfte abgesenkt wird. Dies wird durch die Wahl der Spannungsversorgung des Ionisators erreicht. Bevorzugt wird der Ionisator in einem Bereich von weniger als 3 kV und mindestens 1 kV betrieben, um die Erzeugung von Ozon zu vermeiden.
Geeignete Ionisierungsapparate sind dem Fachmann bekannt und kommerziell beispielsweise von der Fa. Bioclimatic, D-31542 Bad Nenndorf unter dem Namen Aeroton erhältlich. Sie sind im Baukastensystem aufgebaut, wobei eine Einheit bis zu 6.000 m³/h Luft ionisieren kann. Der Ionisierungsgrad kann mit einem Ionometer gemessen werden.
Mit dem Ionometer IM 806 der Fa. Umweltanalytik Holbach GmbH in D-66687 Wadern lässt sich beispielsweise die Luftionenkonzentration der positiv und negativ geladenen Sauerstoffionen kontinuierlich messen. Der Messbereich umfasst 0 bis 40 Millionen Ionen/cm³.
Besonders bevorzugt wird der Ionisator mit einer 12 V-Niederspannungsversorgung betrieben. Dabei kann die erforderliche Energiemenge aus Sonnen- und Tageslicht erzeugt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn kleine mobile Reinigungsanlagen in der freien Natur betrieben werden und kein Stromnetz vorhanden ist. Die 12 V-Niederspannung wird dann auf 220 V transformiert und über eine elektronische Regelung die Betriebsspannung von 1 kV bis 3 kV erzeugt.
Bevorzugter weise beträgt der Energieeintrag im erfindungsgemäßen Verfahren weniger als 1 Watt pro Liter (W/L) an wässrigem Medium, vorzugsweise weniger als etwa 0,8 W/L.
Berechnet wird dieser Energieeintrag, indem der für die Ionisation der Luft gemessene Energieaufwand durch das Volumen (in Liter) des wässrigen Mediums, in das die Luft eingebracht wird, dividiert wird.
Bevorzugter weise beträgt der Ionisationsgrad der Luft weniger als 90 Vol.-%, weiter bevorzugt weniger als 80 Vol.-%, insbesondere weniger als 70 Vol.-%, noch weiter bevorzugt weniger als 60 Vol.-%, noch weiter bevorzugt weniger als 50 Vol.-%, weiter bevorzugt weniger als 40 Vol.-%, insbesondere weniger als 30 Vol.-%, und am meisten bevorzugt weniger als 20 Vol.-%. Im Rahmen der Erfindung wurde unerwarteterweise festgestellt, dass es vorteilhaft ist, den Ionisationsgrad der Luft niedrig zu wählen, und gegebenenfalls eine längere Behandlungszeit des Mediums mit der schwach ionisierten Luft durchzuführen, wenn der zu entfernende Stoff als Produkt gewonnen und ein Aktivitätsverlust vermieden werden soll bzw. um oxidierende Bedingungen in dem Medium zu vermeiden. In diesem Sinne ist auch die Betriebstemperatur zu wählen. Eine erhöhte Temperatur begünstigt zwar die Fällung, erhöht aber das Risiko des Aktivitätsverlustes z. B. bei Enzymen, bevorzugt ist daher bei einer Temperatur von < 45°C zu arbeiten.
In Schritt (c) des Verfahrens wird die ionisierte Luft mit dem wässrigen Medium in Kontakt gebracht. Dies kann durch Einleiten der Luft in das wässrige Medium erfolgen. Methoden hierzu sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt soll jedoch die ionisierte Luft gemeinsam mit dem wässrigen Medium über einen statischen Mischer in den Reaktor geleitet werden.
Da die notwendige Menge an ionisierter Luft von der Konzentration an partikulären bzw. gelösten Stoffen abhängt, ist es bevorzugt, die optimale Steuerung des erfindungsgemäßen nicht-oxidativen Verfahrens während der Aufreinigung eines wässrigen Mediums mit spezieller Zusammensetzung bezüglich partikulärer und/oder gelöster Stoffe zunächst in einem Laborexperiment zu optimieren.
Zusätzlich ist es bevorzugt, die ionisierte Luft bei einem Druck von weniger als 2,0 bar, insbesondere von weniger als 1,8 bar, insbesondere bevorzugt von weniger als 1,5 bar in das wässrige Medium einzuleiten.
Zusätzlich bevorzugt erfolgt die Behandlung des wässrigen Mediums mit ionisierter Luft in einem kontinuierlichen Verfahren. Der statische Mischer ermöglicht dies, jedoch ist es bevorzugt, dass der Reaktor eine entsprechende Größe hat, um eine Verweilzeit des wässrigen Mediums im Reaktor von etwa 10–30 Minuten sicher zu stellen.
Wie bereits beschrieben, sinkt der TOC-Wert während der erfindungsgemäßen Behandlung des wässrigen Mediums mit ionisierter Luft höchstens um 10%, weiter bevorzugt höchstens um 8%, noch weiter bevorzugt höchstens um 6%, weiter bevorzugt um höchstens 4%, weiter bevorzugt um höchstens 2% und am meisten bevorzugt um höchstens 1,5% ab. Gemessen wird hierbei der TOC-Wert des „unbehandelten”, mit dem zu entfernenden Stoff beladenen wässrigen Mediums vor der Behandlung mit ionisierter Luft. Dies ergibt den Ausgangswert. Dieser Ausgangswert wird mit dem Endwert verglichen, der nach dem Beenden des Einleitens von ionisierter Luft, aber noch vor dem Abtrennen des aggregierten Stoffes in Schritt (d) gemessen wird.
Der TOC ist ein Summenparameter, bei dem die Konzentration an organisch gebundenem Kohlenstoff als Maß für die Konzentration an organischer Konzentration in Abwasser bestimmt wird. Die Wasserinhaltsstoffe werden verbrannt und die entstehende Kohlendioxidmenge wird durch Infrarotspektroskopie bestimmt. ÖNORM-6284, Dimension: mg/l. Der TOC ist ein Summenparameter der sowohl gelösten wie auch partikulär vorliegenden organischen Kohlenwasserstoff erfasst. Hierbei werden auch Schwebstoffe und Algen berücksichtigt. Ein zuverlässiges TOC-Analysegerät wird beispielsweise von der Fa. Stetter KG in D-22869 Schenefeld als BIO TECTOR angeboten, wobei nach den Angaben des Herstellers gemessen werden kann.
Zusätzlich ist es bevorzugt, dass im erfindungsgemäßen Verfahren lediglich ionisierte Luft, aber keine zusätzlichen Oxidationsmittel wie z. B. Chlor und Chlorgas, Wasserstoffperoxid oder ähnliche eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, die im wässrigen Medium gelösten oder suspendierten Stoffe durch die Behandlung mit ionisierter Luft als Niederschlag abzutrennen oder auszufällen.
In Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Abtrennung der partikulären bzw. agglomerierten Teilchen. Bevorzugterweise erfolgt die Abtrennung unter Verwendung eines Sedimentationsverfahrens, unter Verwendung von Hydrozyklonen mit porösem Tauchrohr, Zentrifugen, sowie unter Verwendung von Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen.
Wie bereits erläutert, kann zur Abtrennung jede beliebige Methode verwendet werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man hierbei die sogenannte Crossflow-Mikrofiltration und -Ultrafiltration. Werden Partikel mit der Größe 0,5–0,1 μm abgetrennt, spricht man von Mikrofiltration, sind die Partikel 0,1–0,01 μm groß, dann bezeichnet man es als Ultrafiltration.
In der Membrantechnik wird bei Ultra- und Mikrofiltration der Prozess oft sehr stark durch das sog. Fouling bzw. die Deckschichtbildung beeinflusst. Der erste Schritt dieses Foulings ist die Adsorption insbesondere der gelösten Stoffe aus wässrigen Medien an der Membran- und insbesondere Membranporenoberfläche; dies führt zu einem schnellen Absinken des Permeatflusses durch die Membran. Dies soll durch die Höhe der Überströmung der Membran unterdrückt werden.
Überraschend wurde nun festgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Behandlung der wässrigen Medien bzw. die erfindungsgemäße Verwendung ionisierter Luft die Adsorptionsneigung und somit das Fouling der Membran erheblich reduziert wird.
Für die Abtrennung kann daher häufig auf die Querströmung verzichtet werden und bevorzugt die energetisch günstigere orthogonale Anströmung der Membran (sog. Dead end) angewandt werden. Besonders bewährt haben sich dabei keramische Rohr- und insbesondere Flachmembranen, wie sie z. B. von der Fa. ltN Nanovation AG in D-66117 Saarbrücken angeboten werden.
Bei der Separation mittels Membranen nimmt der Energieaufwand mit dem abnehmenden Durchmesser der Teilchen, wie z. B. Partikel, Moleküle und Ionen, für deren Entfernung aus dem Wasser zu.
Eine bevorzugt Möglichkeit ist die Verwendung einer Kombination aus Hydrozyklon und einer Membran, so dass das Tauchrohr des Zyklons als poröse Membrane (Porendurchmesser > 10 μm) ausgebildet ist.
Nach einem weitern Aspekt wird erfindungsgemäß bevorzugt das wässrige Medium in Schritt (d) einem Hydrozyklons zugeführt, dessen Tauchrohr porös ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Membran mit einer Porengröße > 10 μm eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft nach einem weiteren Aspekt daher auch eine Vorrichtungsanordnung zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungsanordnung einen Ionisator und einen Hydrozyklon mit einer Membran, bevorzugt einer porösen Membran mit einem Porendurchmesser > 10 μm, aufweist.
Zusätzlich bevorzugt enthält die Vorrichtungsanordnung einen Ozon-Sensor. Solche Sensoren sind dem Fachmann geläufig und kommerziell erhältlich.
Weiter bevorzugt enthält die Anordnung zusätzlich einen Reaktor, in dem sich das wässrige Medium mit darin enthaltenen partikulären und/oder gelösten Stoffen befindet.
Weiter bevorzugt enthält der Reaktor einen statischen Mischer Statische Mischer werden heute in vielen Bereichen des Chemie-Ingenieur-Wesens eingesetzt und sind dem Fachmann geläufig. Charakteristisch für statische Mischer ist, dass nur die zu mischenden Flüssigkeiten bzw. Gase (hier: wässriges Medium und ionisierte Luft) bewegt werden. Im Gegensatz zu dynamischen Mischsystemen findet kein Rühren statt, sondern Pumpen, Gebläse oder Kompressoren fördern kontinuierlich die zu mischenden Medien zum Mischrohr, welches mit den Mischelementen ausgerüstet ist. Es können alle dem Fachmann geläufigen Mischelemente eingesetzt werden, wobei nach einer Ausführungsform Spiralen oder Schneckenelemente bevorzugt sind.
Weiter bevorzugt ermöglicht es der statische Mischer, dass die Verweilzeit des wässrigen Mediums im Reaktor etwa 10–30 Minuten beträgt. Dadurch kann bevorzugt ein kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden.
Zusätzlich bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Anordnung ein TOC-Messgerät, mit dem der TOC-Wert zu bestimmten Zeitpunkten oder kontinuierlich, bevorzugt kontinuierlich, gemessen werden kann.
Zusätzlich bevorzugt ist es, dass das Tauchrohr des Hydrozyklons als poröse Membrane (Porendurchmesser > 10 μm) ausgebildet ist.
Zusätzlich bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung eine nachgeschaltete Mikro- oder Ultrafiltrationsmembran (insbesondere mit einem Porendurchmesser von etwa 50–500 nm, insbesondere von etwa 50–200 nm) auf, mit der aggregierte Teilchen abgetrennt werden können, die nicht durch das Hydrozyklon abgetrennt worden sind.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung einen (Luft-)Ionisator (7), einen statischen Mischer (3) und mindestens eine mikroporöse Membran (2), insbesondere mit einem Porendurchmesser von etwa 50 nm bis 500 nm, auf.
Zusätzlich bevorzugt ist die mindestens eine Membran als eine oder mehrere keramische Flachmembran(en) ausgebildet, die einen Porendurchmesser zwischen etwa 50 nm und 500 nm aufweist (aufweisen).
Nach einem besonders bevorzugten Aspekt der Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtungsanordnung einen (Luft-)Ionisator (7), einen statischen Mischer (3), einen Reaktor (1), einen Hydrozyklon (6) mit einem porösen Tauchrohr und eine mikroporöse Membran (2), insbesondere mit einem Porendurchmesser von etwa 50 nm bis 500 nm, auf.
Die vorliegende Erfindung betrifft nach einem weiteren Aspekt auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die in 2 beschrieben ist, wird das zu reinigende wässrige Medium, nachdem es mit ionisierter Luft behandelt wurde, tangential einem Hydrozyklon zugeführt, dessen Tauchrohr als grobe Mikrofiltrationsmembran (Porendurchmesser > 10 μm) ausgebildet ist. In der Zyklonströmung kommt es zu einer hohen Kollisionswahrscheinlichkeit der destabilisierten Teilchen und damit zu einer schnellen Vergrößerung der Agglomerate. Sie werden durch die Fliehkraft an den äußeren Zylinder des Hydrozyklons gedrängt und verlassen als Schlamm über eine Schleuse den Hydrozyklon, während das von Partikeln befreite Wasser über das Membrantauchrohr austritt. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, das den Hydrozyklon verlassende Wasser über eine Mikro- oder Ultrafiltrationsmembran (Porendurchmesser 50–200 nm) zu führen, wo restliche aggregierte Teilchen abgetrennt werden.
Erfindungsgemäß werden die aggregierten Teilchen von dem wässrigen Medium abgetrennt, wobei ein gereinigtes wässriges Medium erhalten wird bzw. die erwünschten aggregierten Teilchen in aufkonzentrierter Form bereit gestellt werden.
Im Falle der Wasser- bzw. Abwasserreinigung wird nach der Abtrennung der aggregierten Teilchen ein gereinigtes wässriges Medium erhalten, das dann beispielsweise einer Kläranlage zugeführt oder, sofern keine weiteren die Umwelt belastenden Stoffe im gereinigten wässrigen Medium enthalten sind, auch direkt in ein Oberflächengewässer eingeleitet oder zur Wiederverwendung benutzt werden kann.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird die ionisierte Luft bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Abwasserreinigung bzw. zur Entfernung von Trübstoffen aus wässrigen Medien, wie z. B. in Schwimmbädern, Aquarium, Teichen oder Zooanlagen eingesetzt.
Unter „wässrigem Medium” wird dabei auch ein Medium verstanden, dass neben Wasser auch andere Bestandteile oder Lösungsmittel wie Alkohole enthält.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung von ionisierter Luft zur Verbesserung der Abtrennbarkeit von partikulären Teilchen aus wässrigen Medien. Geeignete bzw. bevorzugte Prozessbedingungen sind vorstehend beschrieben und können auch auf die erfindungsgemäße Verwendung angewendet werden.
Dabei ist erfindungsgemäß eine „nicht-oxidative Abtrennung” bzw. „nicht-oxidative Abtrennbarkeit” so zu verstehen, dass der TOC-Wert des wässrigen Mediums (mit den partikulären Teilchen) bei der erfindungsgemäßen Verwendung höchstens um 10%, weiter bevorzugt höchstens um 8%, noch weiter bevorzugt höchstens um 6%, weiter bevorzugt um höchstens 4%, weiter bevorzugt um höchstens 2%, weiter bevorzugt um höchstens 1,5%, und am meisten bevorzugt um höchstens 1,0% absinkt. Wie vorstehend ausgeführt, wird hierbei der TOC-Wert des „unbehandelten”, mit partikulären oder gelösten Stoffen verunreinigten wässrigen Mediums vor der Behandlung mit ionisierter Luft gemessen. Dies ergibt den Ausgangswert. Dieser Ausgangswert wird mit dem Endwert verglichen, der nach dem Beenden des Einleitens von ionisierter Luft, aber noch vor dem Abtrennen der partikulären Teilchen in Schritt (d) gemessen wird.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Verwendung kann der Fachmann somit einfach Proben während der Behandlung des wässrigen Mediums mit der ionisierten Luft entnehmen, um die Entwicklung des TOC-Wertes zu überprüfen. Somit kann er die Behandlung mit der ionisierten Luft leicht abbrechen, wenn der TOC-Wert zu stark absinkt. Genauso kann er anhand routinemäßiger (Vor-)Versuche die Behandlung des wässrigen Mediums so optimieren, dass noch keine wesentliche Oxidation der partikulären Teilchen in dem wässrigen Medium eintritt.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von ionisierter Luft mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% zur Verringerung des Fouling von Membranen, vorzugsweise von mikroporösen Membranen wie Keramikmembranen, mit einer Porengröße von etwa 50 bis 500 nm.
Figuren:
1: Wie in 1 gezeigt, erzeugt Luft, die mit einem handelsüblichen Ionisator (7) erfindungsgemäß ionisiert wurde und in den mit dem zu behandelnden Wasser gefüllten Behälter 1 bei 3 durch Einmischen eingebracht wird, bereits in geringen Mengen – nämlich deutlich unterhalb 1 W/L Wasser – bei den kolloidal gelösten Substanzen oder suspendierten Mikroben eine Destabilisierung, wie sie bisher nur durch Zugabe von Chemikalien erreicht werden kann. Die Teilchen agglomerieren und können nachgeschaltet mit einer vergleichsweise grobporigen Membrane 2 (z. B. Mikrofiltration und Ultrafiltration, statt Nanofiltration bzw. umgekehrte Osmose bei kolloidalen Lösungen bzw. Membranen mit Porendurchmessern > 10 μm statt bisher < 0,5 μm für Mikroben) aus dem Wasser als Konzentrat bei 5 entfernt werden, während das von den partikulären bzw. gelösten Stoffen befreite Wasser als Permeat die Membran passiert und diese bei 4 verlässt. Somit werden trübe oder gefärbte wässrige Lösungen klar.
2: 2 zeigt eine besondere Ausführungsform der Abtrennung der partikulären Teilchen bzw. agglomerierten Teilchen. Gemäß 2 wird das mit den partikulären bzw. gelösten Stoffen beladene wässrige Medium, nachdem ihm im Behälter (1) (Reaktor) die ionisierte Luft über einen statischen Mischer (3) aus dem Ionisator (7) zugemischt wurde, tangential einem Hydrozyklon (6) zuführt, dessen Tauchrohr als grobe Mikrofiltrationsmembran (Porendurchmesser > 10 μm) ausgebildet ist. In der Zyklonströmung kommt es zu einer hohen Kollisionswahrscheinlichkeit der destabilisierten Teilchen und damit zu der sehr schnellen Vergrößerung der Agglomerate. Sie werden durch die Fliehkraft an den äußeren Zylinder des Hydrozyklons (6) gedrängt und verlassen als konzentrierte Teilchen (5) über eine Schleuse den Hydrozyklon (6), während das von Partikeln befreite Wasser über das Membrantauchrohr austritt. Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft den Hydrozyklon (6) verlassende Wasser (8) über eine Mikro- oder Ultrafiltrationsmembran (2) (Porendurchmesser 50–200 nm) zu führen, wo restliche aggregierte Teilchen bei 9 abgetrennt werden. Das vollständig von den Teilchen befreite Wasser kann bei (4) seiner Bestimmung zugeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Weiteren anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
Bestimmungsmethoden:
Bestimmung des TOC-Wertes
Der TOC ist ein Summenparameter, bei dem die Konzentration an organisch gebundenem Kohlenstoff als Maß für die Konzentration an organischen Verunreinigungen in Abwasser bestimmt wird. Die Wasserinhaltsstoffe werden verbrannt und die entstehende Kohlendioxidmenge wird durch Infrarotspektroskopie bestimmt. ÖNORM-6284, Dimension: mg/l. Der TOC ist ein Summenparameter, der sowohl gelösten wie auch partikulär vorliegenden organischen Kohlenwasserstoff erfasst. Hierbei werden auch Schwebstoffe und Algen berücksichtigt.
Beispiele
Vergleichsbeispiel:
Es wurde der zu Tabelle 2 der EP 1 349 811 B1 beschriebene Versuch zur Behandlung von Huminsäure (Fluka) gemäß der dortigen Offenbarung wiederholt, wobei ein Ionisationsgrad der Luft von etwa 93 Vol.-% und eine Gesamtenergiemenge von etwa 1,2 W/L wässriges Medium verwendet wurden. Es wurde die in der EP 1 349 811 B1 beschriebene Apparatur zur Ionisation der Luft verwendet, wobei der Ionisator eine maximale Leistung von 6.000 m³ Luft/h hatte. Der TOC-Wert wurde gemäß der vorstehenden Messmethode vor und nach der Behandlung mit ionisierter Luft bestimmt. Der Abbaueffekt (Abnahme des TOC-Wertes) lag bei mehr als 10%.
Erfindungsgemäßes Beispiel 1:
Anschließend wurde der vorstehende Versuch wiederholt, wobei der Ionisationsgrad der Luft über ein Ionometer auf ca. 80 Vol.-% (des Ozonschwellwertes) eingestellt wurde und die Spannung des Ionisators bei unter 3 kV lag. Die Behandlung wurde so durchgeführt, dass der TOC-Wert durch die Behandlung mit ionisierter Luft um weniger als etwa 1% des Anfangswertes absank. Die eingebrachte Gesamtenergiemenge lag bei etwa 1,2 W/L wässriges Medium.
Gleiche Volumina der mit ionisierter Luft behandelten wässrigen Medien aus dem Vergleichsbeispiel und dem erfindungsgemäßen Beispiel 1 wurden jeweils mit gleichen Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmembranen mir einer Porengröße von 50–500 nm filtriert. Es zeigte sich, dass das erfindungsgemäß behandelte wässrige Medium eine deutlich bessere Aggregation und Abtrennung der Huminsäuren ermöglichte, obwohl die über die ionisierte Luft eingebrachte Energie deutlich geringer war. Überraschend setzten sich die Filter bei dem erfindungsgemäß behandelten wässrigen Medien auch langsamer zu als bei dem gemäß Vergleichsbeispiel behandelten wässrigen Medium.
Erfindungsgemäßes Beispiel 2:
Im Seehundbecken eines Zoos soll das Wasser so weit von Algen, Proteinen und Huminsäuren frei gehalten werden, dass es klar bleibt und die Tiere jederzeit für die Besucher gut sichtbar sind. Zu diesem Zweck soll das 270 m² fassende Becken ca. 3 mal pro Tag umgewälzt werden. Die Anlage wurde daher auf 30 m³/h ausgelegt. Das mit partikulären (hauptsächlich Algen) und gelösten (hauptsächlich Proteine und Huminsäuren) Stoffen verunreinigte Wasser wird gemäß 2 über einen statischen Mischer (3) mit ionisierter Luft versetzt in einen ca. 10 m³ großen Reaktor 1 geleitet. Der Ionisator hat eine maximale Leistung von 6.000 m³ Luft/h bei einer maximalen Spannung von 3 kV. Die Verweilzeit im Reaktor beträgt ca. 20 Minuten. Der Ionisationsgrad der Luft wird über ein Ionometer auf ca. 80% (des Ozonschwellwertes) eingestellt, die Spannung lag bei unter 3 kV. Die Menge an ionisierter Luft richtet sich nach dem Verschmutzungsgrad, gemessen als TOC, der extrem schwanken kann und mit zunehmender Sonneneinstrahlung und Wassertemperatur zunimmt. Die Abnahme des TOC-Wertes bei der Behandlung mit der ionisierten Luft beträgt weniger als 1%. Die eingebrachte Gesamtenergiemenge lag bei etwa 1,2 W/L wässriges Medium. Die Durchmischung der ionisierten Luft mit dem Wasser erfolgt über einen herkömmlichen statischen Mischer. Das mit ionisierter Luft behandelte Wasser wird vom Reaktor (1) in einen Hydrozyklon (6) geleitet. Der Hydrozyklon besitzt ein Tauchrohr mit Schlitzporen von 100 μm. Die Hauptbiomasse bestehend aus aggregierten, sedimentierten Algen verlässt den Hydrozyklon bei (5). Das von der Biomasse befreite Wasser verlässt den Hydrozyklon über das poröse Tauchrohr bei (8) und wird in den mit keramischen Flachmembranen bestückten Membranmodul (2) (insgesamt 64 m²) mit geringer Anströmung (quasi dead end) eingeleitet. Das Retentat (9) geht in die Kläranlage des Zoos und wird in das Seehundbecken zurück geführt.
Selbst an heißen Sommertagen und damit verbundener starker Sonneneinstrahlung bleibt das Wasser transparent. Zudem ist das Fouling der keramischen Flachmembranen gegenüber einer Behandlung mit nicht-ionisierter Luft oder zu mehr als 90 Vol.-% ionisierter Luft verringert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10001737 C1 [0008, 0008]
EP 1349811 B1 [0010, 0079, 0079]
US 5527459 A [0011]
US 4246105 [0012, 0012]
EP 1349811 [0017, 0021]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ÖNORM-6284 [0042]
ÖNORM-6284 [0078]

Claims

Verfahren zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines wässrigen Mediums mit darin enthaltenen partikulären und/oder gelösten Stoffen, b) Bereitstellen von ionisierter Luft, c) In Kontakt bringen der ionisierten Luft mit dem wässrigen Medium, enthaltend die partikulären und/oder gelösten Stoffe, d) Abtrennen der durch die ionisierte Luft aggregierten partikulären und/oder gelösten Stoffe aus dem wässrigen Medium, wobei der TOC-Wert des wässrigen Mediums während Schritt (c) um höchstens 10% absinkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionisierung der Luft in einem Ionisator bei einer Spannung von 1 kV bis weniger als 3 kV erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium partikuläre und/oder gelöste Stoffe enthält, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mikroorganismen, Proteinen, Peptiden, organische Säuren und anderen organischen Verbindungen, sowie aus pflanzlichen oder tierischen Zellstrukturen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung der partikulären und/oder gelösten Stoffe in Schritt (d) durch Sedimentation, bevorzugt unter Verwendung eines Hydrozyklons, einer Zentrifuge, und/oder Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag weniger als 1 Watt pro Liter (W/L) an wässrigem Medium, vorzugsweise weniger als etwa 0,8 W/L, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) gemäß Anspruch 1 Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmembranen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung der partikulären und/oder gelösten Teilchen in Schritt (d) zunächst durch einen Hydrozyklon mit einem porösen Tauchrohr und anschließend über Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ionisierte Luft mit einen Ionisierungsgrad von weniger als 90 Vol.-% des vorhandenen Luftsauerstoffs bereitgestellt wird.
Verwendung von ionisierter Luft mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien.
Verwendung von ionisierter Luft mit einem Ionisationsgrad von weniger als 90 Vol.-% zur Verringerung des Fouling von Membranen, insbesondere mikroporösen Membranen wie Keramikmembranen, vorzugsweise mit einer Porengröße von etwa 50 bis 500 nm.
Vorrichtung zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen aus wässrigen Medien, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungsanordnung einen Ionisator (7), einen Reaktor oder Behälter (1) und eine mikroporöse Membran (2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Membran (2) im Reaktor oder Behälter (1) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungsanordnung zusätzlich einen statischen Mischer aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (2) eine keramische Membran, insbesondere eine keramische Flachmembran ist, die einen Porendurchmesser zwischen 50 nm und 500 nm aufweist.
Vorrichtung zur Entfernung von partikulären und/oder gelösten Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungsanordnung einen Ionisator (7), einen statischen Mischer (3), einen Reaktor oder Behälter (1), einen Hydrozyklon (6) mit einem porösen Tauchrohr und eine mikroporöse Membran (2) aufweist.