DE2803789A1 - Verfahren zum entfernen geloester organischer verunreinigungen aus abwasserstroemen - Google Patents
Verfahren zum entfernen geloester organischer verunreinigungen aus abwasserstroemenInfo
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Description
Verfahren zum Entfernen gelöster organischer Verunreinigungen
aus Abwasserströmen
Ein Problem zunehmender Dringlichkeit bei der Behandlung von Abwasserströmen aus Gemeinden, Krankenhäusern und Industriebetrieben
ist die wirksame und wirtschaftliche Entfernung ge löster organischer Verunreinigungen, bevor man das Wasser in
die öffentlichen Gewässer abläßt oder wieder verwendet. Bei der großen Vielfalt möglicher Verunreinigungen, wie Phenole,
Harnstoff, Detergentien, organische Säuren, Alkohole und andere Lösungsmittel sowie biologische Abfälle und den derzeit
zur Behandlung benutzten Methoden, erfordert jeder Abfall ein anderes Behandlungsverfahren. Weiter gibt es zunehmend Anzeichen,
daß mindestens eines dieser Verfahren, die Chlorierung, krebserregende Stoffe durch Umsetzung mit gewissen gelösten
organischen Verbindungen erzeugen kann.
In Anbetracht dieser Umstände und den immer strengeren Anfor-
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derungen an die Wasserqualität durch die zuständigen öffentlichen Körperschaften ist eine Reihe unterschiedlicher Ver suche
zur Entfernung dieser Art von Verunreinigungen unternommen worden. Diese schließen Techniken auf der Grundlage
des biologischen Abbaus, der Ozonoxidation, der Adsorption an Kohlenstoff und Ionenaustauschern sowie dort, wo die Mengen
nicht zu groß sind, das Veraschen ein.
Nachdem man mit all diesen Methoden Erfahrungen gesammelt hat, wurde festgestellt, daß jede davon an einem oder mehreren wirtschaftlichen
oder technischen Nachteilen leidet.
So hängt z.B. der biologische Abbau vom Einsatz von Organismen ab, die häufig sehr spezifisch hinsichtlich der, durch sie angegriffenen
Materialien sind. Wenn daher Mischungen sehr unterschiedlicher Verunreinigungen zu behandeln sind, dann nimmt die
Brauchbarkeit des biologischen Abbaus rasch ab. Weiter sind viele Verunreinigungen toxisch und/oder verursachen Mutationen
in den Organismen, was zu einer Veränderung hinsichtlich ihrer Abbaufähigkeiten führt. Schließlich können diese zum biologi sehen
Abbauen benutzten Organismen für den Menschen eine Gefahr bilden, so daß extra Maßnahmen unternommen werden müssen, um
zu verhindern, daß diese Organismen aus dem Behandlungssystem
entweichen können.
Das Ozonisieren von Abwasserströmen ist ein weiteres weit eingesetztes
Behandlungsverfahren. Es hat sich als wirksam zum Entfernen vieler verschiedener Arten von Verunreinigungen und
zur Umwandlung dieser Verunreinigungen in relativ harmlose Webenprodukte erwiesen. Die Gesamtgeschwindigkeit für das Entfernen
der meisten Verunreinigungsarten unter Einsatz von Ozon allein ist jedoch nahezu immer ziemlich gering, und es sind
viele Stunden Behandlungszeit erforderlich. Diesen Nachteil
kann man zu einem gewissen Grade dadurch überwinden, daß man die Reaktivität des organischen Stoffes mit dem Ozon dadurch
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verstärkt, daß man den Strom aus Abwasser und Oxidationsmittel mit ultraviolettem Licht bestrahlt. Ozon hat den weiteren Vorteil,
daß es leicht am Ort des Einsatzes erzeugt werden kann.
Die Kohlenstoffadsorption ist eine weitere weit angewandte Technik zum Entfernen gelöster organischer Verunreinigungen
aus Wasserströmen* So haben die Arbeiten von Golan et al und anderen gezeigt, daß Kohlenstoff hinsichtlich seiner Eigenschaft,
mit vielen Arten von Verunreinigungen zu reagieren, recht variabel ist. Bei Golans Studie der Verwendung von Kohlenstoff zum
Behandeln von Militärkrankenhaus-Abfällen wurde jedoch festgestellt, daß Behandlungszeiten von bis zu vier Stunden angewendet
werden konnten, wobei doch nicht alle vorhandenen organischen Verunreinigungen vollständig entfernt wurden. Dies wurde
einem Verstopfen der Oberflächenrisse zugeschrieben, wobei man davon ausging, daß die Oberflächenrisse erforderlich sind, damit
das verunreinigte Abwasser in das Innere des Kohlenstoffes eintreten kann. Die Wiederverwendung des Kohlenstoffes erfordert
im allgemeinen, daß er aus den Behandlungssäulen oder -reaktoren entfernt und zur Wiederherstellung seiner Brauchbarkeit
regeneriert wird. Die hierfür häufig angewendeten Techniken der Lösungsmittelextraktion und der thermischen Behandlung
sind für die meisten Anwendungen relativ unwirksam und sorgen für merkliche Extrakosten und logistische Probleme bei
dem Behandlungssystem. In der vorgenannten Golan-Studie wurde abgeschätzt, daß die täglichen Betriebskosten eines Kohlenstoff-Adsorptionssystems
ein Mehrfaches dessen betragen, was für ein Ozonsystem ähnlicher Kapazität erforderlich ist. Schließlich
bedeutet auch das Wegwerfen des erschöpften Kohlenstoffmaterials nicht nur einen zusätzlichen Aufwand, sondern viele Arten von
Verunreinigungen können dadurch ernste Sekundärprobleme der Wasser- und Luftverunreinigung verursachen.
Viele der oben genannten Probleme gelten auch für die Verwendung von Ionenaustauscherharzen und die Anwendung von Polymer-
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Adsorptionstechniken. Diese mögen für gewisse Verunreinigungen wirksam sein, doch weisen sie keine allgemeine Brauchbarkeit
auf, und ihre Regeneration führt zum Anfallen eines neuen verunreinigten Stromes, der seinerseits dann in geeigneter Weise
zu beseitigai ist. In dieser Hinsicht mag das Veraschen brauchbar sein, doch entstehen auch hierdurch Extrakosten für das Behandlungssystem
.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein allgemeines Verfahren zum Behandeln von Abwässern zu schaffen, mit dem man
die gelösten organischen Verunreinigungen aus Gemeinden, Krankenhäusern und Industriebetrieben beseitigen kann. Aufgabe der
Erfindung war auch die Schaffung eines Verfahrens zur Regeneration des Behandlungssystems. Schließlich sollte das Verfahren
in der Lage sein, die Entfernung der Verunreinigungen und die Regeneration des Systems im wesentlichen gleichzeitig auszuführen,
um einen kontinuierlichen Betrieb zu gestatten. Schließlich sollte das Gesamtsystem zur Behandlung billiger zu konstruieren,
zu betreiben und aufrechtzuerhalten sein als bekannte Systeme ähnlicher Kapazität.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Konzentrierung und im wesentlichen gleichzeitige Zerstörung der gelösten organischen
Verunreinigungen aus Abwasserströmen von Orten, Krankenhäusern
und Industriebetrieben. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß man zuerst die organischen Verunreinigungen an einem in dem Abwasserstrom
angeordneten geeigneten Adsorptionsmittel adsorbiert, indem man das Wasser durch das Adsorptionsmittel fließen läßt.
Dadurch konzentriert man die organischen Verunreinigungen zu einem relativ geringen Volumen, verglichen mit dem insgesamt
behandelten Abwasserstrom. Während diese Adsorption stattfindet, werden die organischen Verunreinigungen gleichzeitig von einem
Strom eines geeigneten Oxidationsmittels angegriffen, den man dem Abwasserstrom an einem Punkt unmittelbar unterhalb der das
Adsorptionsmittel umfassenden Adsorptionsbetten zugeleitet hat. Durch die Oxidation werden die organischen Verunreinigungen in
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Wasser, Kohlendioxid und andere unschädliche Nebenprodukte umgewandelt.
Aufgrund der Konzentrationen von Verunreinigung und Oxidationsmittel
auf den Adsorptionsbetten wird die Gesamtwirksamkeit bei der Zerstörung der organischen Verbindungen t verglichen mit
bekannten Techniken,beträchtlich erhöht und somit nur ein Bruchteil
der von den bekannten Verfahren benötigten Zeit gebraucht. Diese hohe Wirksamkeit führt auch zu einer raschen Reinigung
des Adsorptionsbettes und schafft eine wirksame Technik für die dynamische Regeneration der Adsorptionsbetten an Ort und
Stelle.
Die Gesamtwirksamkeit des Systems sowohl hinsichtlich des Bereiches
der zu entfernenden Verunreinigungen als auch der Geschwindigkeit bei deren Entfernung kann Jedoch noch erweitert
bzw. beschleunigt werden. So können dem Adsorptionsmaterial Oxidationskatalysatoren zugegeben werden. Weiter können die
einzelnen Adsorptionsbetten aus verschiedenen Adsorptionsmaterialien zusammengestellt werden, um das Entfernen verschiedener
Arten von Verunreinigungen zu optimalisieren. Schließlich können auch verschiedene Oxidationsmittel eingesetzt werden.
Benutzt man Ozon als Oxidationsmittel, dann kann eine Bestrahlung der Adsorptionsbetten mit UV-Licht oder Ultraschallenergie
angewendet werden, um die Wirksamkeit des Systems noch weiter zu steigern. Auf diese Weise kann der Gesamtbereich der
Brauchbarkeit des Systems ausgedehnt werden, entweder um ihn an eine größere Zahl von Verunreinigungen anzupassen oder die
Kosten und die Komplexizität des Systems, das für die wirksame Wasserbehandlung erforderlich ist, weiter zu verringern.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert.
Im einzelnen zeigen :
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Figur 1 eine schematische Darstellung des Adsorptions-/Oxidations-Verfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines ozonisierten Luft- oder Sauer
stoff stromes als Oxidationsmittel,
Figur 2 eine Variation des Verfahrens der Figur 1, bei dem
eine UV-Lichtquelle in das Abwasserstromsystem eingeführt ist, um die Adsorptionsbetten kontinuierlich
zu bestrahlen,
Figur 3 eine graphische Darstellung der durch die erfindungsgemäße
Anwendung von Adsorption und Oxidation bewirkte Verringerung der Verunreinigungsbelastung, verglichen
mit der Adsorption allein, und
Figur 4 eine graphische Darstellung der durch die erfindungs1-gemäße
Adsorption und Oxidation bewirkte Verringerung der Verunreinigungsbeladung, verglichen mit einer getrennt
und nacheinander ausgeführten Adsorption und Oxidation.
In Figur 1 ist ein vereinfachter Fließplan zur Behandlung des Abwassers aus Gemeinden, Krankenhäusern und Industriebetrieben
gezeigt. Das Verfahren hat zwei Hauptströme, einen ersten Strom geklärten Abwassers, der die gelösten organischen Verunreinigungen
enthält und im unteren Teil in ein oder mehrere Adsorptionsbetten eintritt und in ihnen nach oben fließt, sowie einen
zweiten Strom des Oxidationsmittels, der an einem oder mehreren Punkten unterhalb jedes Adsorptionsbettes in den Wasserströ mungspfad
eingeleitet wird. Der Zweck des zweiten Stromes ist es, sowohl die organischen Verbindungen anzugreifen als auch
die Adsorptionsbetten zu regenerieren.
Wie in Figur 1 gezeigt, tritt der zu behandelnde Abwasserstrom in eine Behandlungskolonne 1 durch den Einlaß 3 ein. Um die
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Kolonne einfacher fertigen und warten zu können, kann sie aus zwei Abschnitten konstruiert sein, die in üblicher Weise durch
Flansche 2 verbunden werden können. Innerhalb jedes Abschnittes befindet sich ein Adsorptionsbett 5f das vorzugsweise zwischen
Netzen 6 aus rostfreiem Stahl und durch ein Paar inerter 11O"-Ringe
aus einem geeigneten Material, wie Teflon, die in geeigneten Rillen in der Säulenwand gehalten werden, an Ort und
Stelle gehalten sind. Unterhalb jedes Adsorptionsbettes befindet sich ein Einlaßrohr 7, durch den ein kontinuierlicher Strom
des Oxidationsmittels in den Wasserströmungspfad geleitet wird.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Unterteilung
des Systems in relativ kurze aufeinanderfolgende unabhängige Behandlungszonen, was eine Reihe von Vorteilen hat.
Ist Ozon das Oxidationsmittel, dann sind Probleme aufgrund der geringen Ozonwirksamkeit, weil es relativ unbeständig ist, beträchtlich
verringert, da die Aufenthaltszeit innerhalb des Abwasserstromes und in dem Adsorptionsbett sehr viel kürzer
ist, .als im Falle der bekannten Systeme, wo das Oxidations mittel
nur an einer einzigen Stelle zugeführt wird. Indem man also die Adsorptionsbetten relativ dünn hält, ist es sehr viel
einfacher, das an den Oberflächen des Adsorptionsmaterials Adsorbierte
zu oxidieren und somit sowohl eine hohe Geschwindigkeit für die Verunreinigungsentfernung und Oxidation als auch
für die Regeneration der Adsorptionsbetten aufrecht zu erhalten.
Das Einführen des Oxidationsmittels an mehreren Punkten verringert
auch die Zuleitungsprobleme innerhalb des Behandlungssystems und verbessert den Gesamtkontakt mit den Verunreinigungen
in dem Wassersystem oder auf den Oberflächen des Adsorptionsmittels·
Beim Betrieb des Systems hat der Anwender eine Reihe von Wahlmöglichkeiten.
So können z.B. die Adsorptionsbetten aus aktiviertem Kohlenstoff, Siliciumdioxid, Aluminiumoxid, Flugasche
oder anderen ähnlichen, relativ inerten Adsorptionsmitteln zu-
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sammengesetzt sein. Die Teilchengröße des Adsorptionsmittels ist nicht kritisch, sollte jedoch vorzugsweise ähnlich dem
im Handel erhältlichen Kohlenstoffgranulat sein. Auf diese Weise werden zu große Verluste an Adsorptionsmaterial durch
die Haltenetze und ein zu großer Widerstand gegenüber dem Abwasserstrom vermieden und gleichzeitig eine maximale Wirksamkeit
bei der Konzentrierung der organischen Verunreinigungen des Stromes zum Angriff durch das Oxidationsmittel erreicht.
Jedes der oben genannten Materialien kann für eine gegebene Anwendung besonders vorteilhaft sein, wenn man die vergleichsweisen
Kosten für die Beladung des Behandlungstürmes mit dem
Adsorptionsmaterial, die erwartete Benutzungszeit und den Grad der Adsorptionsfähigkeit für die Mengen und Arten von Verunreinigungen
berücksichtigt, die am wahrscheinlichsten vorkommen werden. Unter besonderen Umständen mag es jedoch vorteilhaft
oder notwendig sein, in das System mehrere Adsorptionsmaterialien einzubringen. Noch weitere Verbesserungen hinsichtlich
der Betriebswirksamkeit können erzielt werden, in dem man in die Adsorptionsbetten einen oder mehrere Oxidationskatalysatoren
einbringt, wie Nickel, Vanadium, Platin usw.. Die Auswahl des Katalysators wird hauptsächlich von dem zu behandelnden
Abfall bestimmt.
In ähnlicher Weise kann auch das Oxidationsmittel aus einer Reihe geeigneter Oxidationsmittel ausgewählt werden. Es wurde
festgestellt, daß das grundlegende Herangehen mit ozonisierter Luft oder ozonisiertem Sauerstoff möglich ist. Es können jedoch
auch andere Oxidationsmittel, wie Wasserstoffperoxid, wirksam sein. Das Oxidationsmittel, das jedoch die größten Vorteile
aufweist, ist Ozon, und dies im Hinblick darauf, daß es leicht an Ort und Stelle erzeugt werden kann, es eine hohe chemische
Aktivität hat, leicht handhabbar und in das Behandlungssystem einführbar ist und keine sekundären Behandlungsprobleme aufwirft.
Bei der Anwendung wurde festgestellt, daß die Konzentration
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des Ozons im eingeführten Luftstrom wichtig ist für die Bestimmung
der Oxidationsgeschwindigkeit, die für die Zerstörung der am Kohlenstoffbett adsorbierten organischen Verbindungen
und somit die Regeneration des Bettes erforderlich ist. Es wurde auch beobachtet, daß die Bläschengröße des Gases so klein
wie möglich sein sollte, um die Kontaktfläche zwischen Gas und Flüssigkeit möglichst groß zu machen. Übliche Gasdiffusoren,
die Ströme sehr feiner Blasen erzeugen können, schaffen angemessene Bedingungen für einen wirksamen Übergang des Ozons
durch die Gas/Wasser-Grenzfläche in die konzentrierten Abfälle an den Adsorptionsbetten.
Es ist auch beobachtet worden, daß die Technik der Bestrahlung der Reaktionszone mit UV-Licht die mit Ozon verbundenen Vorteile
verstärkt. Figur 2 zeigt schematisch ein solches System mit Bestrahlung, wobei die gleichen Bezugszahlen für solche
Teile verwendet wurden, die denen der Figur 1 entsprechen. Bei dem System der Figur 2 sind UV-Lampen 10 der Kolonne 1 so hinzugefügt,
daß die jeweiligen Adsorptionsbetten 5 mit UV-Energie bestrahlt werden. Für diesen Zweck haben sich UV-Wellenlängen
von etwa 2500 Angström als wirksam erwiesen. In ähnlicher Weise können Steigerungen der Aktivität des Systems auch dadurch erzielt
werden, daß man die Adsorptionsbetten mit Ultraschall energie behandelt.
Die obige Beschreibung ist eine allgemeine Beschreibung der Grundparameter eines arbeitenden Systems zur Abwasserbehandlung.
In der Praxis ist die Zahl der zu einer bestimmten Reinigung bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit erforderliche
Zahl von Adsorptionsbetten eine Funktion der Art und Konzentration der Verunreinigungen in dem Abwasserstrom. Da
diese über einen weiten Bereich variieren können, hängen die tatsächlichen Parameter des Systems, wie Abwasserströmungsgeschwindigkeit,
Ozonzuführungsgeschwindigkeit, Zahl der Betten, Kontaktzeit zwischen Gas und Flüssigkeit, Kontaktzeit
zum Kohlenstoff usw. gänzlich von dem jeweils zu behandelnden
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speziellen Abwasser ab. Der Fachmann ist in der Lage, diese
Parameter mit Bezug auf eine besondere Anwendung festzustellen. Um das beschriebene System zur Behandlung des Abwassers auszuführen,
kann im allgemeinen die im Handel erhältliche Ausrüstung zur Wasserhandhabung angewendet werden, um die verschiedenen
beschriebenen Funktionen auszuführen. So sind z.B. für die Ozonerzeugung eine Reihe von Generatoren erhältlich, die Ströme
ozonisierter Luft oder ozonisierten Sauerstoffes mit den erforderlichen Ozonkonzentrationen erzeugen können. Der Generator
wird nach der Menge des erforderlichen Ozons ausgewählt. In ähnlicher Weise können Pumpen, Ventile, Rohre, Kontrollsysteme
und andere notwendige Ausrüstung entsprechend dem erforderlichen Volumen und den Korrosionseigenschaften für den beabsichtigten
Zweck ausgewählt werden.
Als ein Beispiel für die erhöhte Wirksamkeit der vorliegenden
Erfindung bei der Entfernung organischer 'Verunreinigungen aus Abwasserströmen seien die folgenden experimentellen Ergebnisse
angegeben :
Verunreinigung TNT-Lösung in Wasser
Konzentration 44 mg pro Litejr
Strömungsgeschwindigkeit 21-22 ml pro Minute
Ozonkonzentration, ein 25 mg pro Liter
Ozonkonzentration aus ungefähr 20 mg pro Liter
Gasströmungsgeschwin- ^fähr 300 ml pro Minute
Kohlenstoffmenge 6 Gramm in 3 Betten.
Wie in Figur 3 gezeigt, wurde die TNT-Belastung um etwa 85 %
durch die erfindungsgemäße Adsorptions/Oxidations-Behandlung verringert, während die Adsorption allein nur eine Verringerung
von etwa 65 % unter ähnlichen experimentellen Bedingungen brachte. Weiter zeigen die Ergebnisse, daß die Wirksamkeit des Kohlenstoff-Adsorptionsprozesses
laufend verschlechtert wurde, während die Leistungsfähigkeit des Adsorptions/Oxidations-Systems
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28Q3789
gleich blieb.
Ein· weitere Bestätigung der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt sich aus Figur 4, in der ein Vergleich mit
einer aufeinanderfolgenden Ozonisierung und davon getrennten Kohlenstoffadsorption gegeben ist. Hierbei wurde festgestellt,
daß das erfindungsgemäße Verfahren der gleichzeitigen Adsorption und Oxidation besser arbeitet, als wenn man diese beiden
Stufen getrennt voneinander ausführt.
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Leerse ite
Claims (7)
1. Verfahren zum Entfernen gelöster organischer Verunreinigungen
aus Abwasserströmen,
gekennzeichnet durch :
a) Konzentrieren der gelösten organischen Verunreinigungen, indem man sie an einem adsorbierenden Material adsor biert,
und
b) gleichzeitiges Zerstören dieser konzentrierten organischen Verunreinigungen, indem man sie mit einem Oxidationsmittel
behandelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß man das adsorbierende Material gleichzeitig mit UV Licht bestrahlt, um die Wirkung res Oxidationsmittels auf
die Verunreinigung zu verstärken.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das adsorbierende Material aktivierter Kohlenstoff, Siliciumdioxid und/oder Aluminiumoxid-Flugasche ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Oxidationsmittel Ozon und/oder Wasserstoffperoxid ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Adsorptionsmaterial in mehreren getrennten Betten
angeordnet ist und der Abwasserstrom nacheinander durch diese Betten geleitet wird.
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28Ü3789
6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß man das Oxidationsmittel an einer Vielzahl von Punkten
zwischen den getrennten, Adsorptionsmittel enthaltenden Betten dem Abwasserstrom zuführt.
7. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmaterial weiter einen die Oxidation
fördernden Katalysator einschließt.
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