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Dokumentenidentifikation DE102004001897A1 18.08.2005
Titel Verfahren zur Verminderung mikrobiologischer Belastungen in Wasserspeichern und angeschlossenen Leitungssystemen
Anmelder Schellbach, Winfried, Dipl.-Ing., 07545 Gera, DE
DE-Anmeldedatum 14.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004001897
Offenlegungstag 18.08.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.08.2005
IPC-Hauptklasse C02F 1/467
Zusammenfassung Elektrokatalytisches Entkeimungsverfahren mit elektrisch leitfähigem Titanoxidmaterial, welches als Anode gegenüber einer metallischen Kathode geschaltet wird, wobei keine direkte Umströmung des zu behandelnden Wassers an den Elektroden zwingend gegeben ist, eine räumliche Anordnung und Größe der Elektroden im Gesamtsystem beliebig sind und deren elektrolytische Wirkung zur Keimstabilisierung bzw. Keimminderung von Mikroorganismen in Wasserspeichern und angeschlossenen Leitungssystemen führt.
Das Entkeimungsverfahren unabhängig des Fließverhaltens des zu behandelnden Wassers, dessen Trübung oder einer Zudosierung von weiteren Stoffen wirkt und einen zusätzlichen Korrosionsschutz bietet, wenn die metallischen Wandungen der Behälter oder angeschlossenen Leitungen oder Rohre als Kathode beschaltet werden.

Beschreibung[de]

Es ist bekannt, dass in Zisternen oder anderen Wasserspeichern ohne ständige Entkeimungsmaßnahmen ein Anstieg an Bakterien, Algen und Pilzen zu verzeichnen sind. Das Maß des Keimanstieges hängt von der Menge und der Art der biologischen Mikroorganismen des einfließenden Wassers, den dortigen Lebensbedingungen und deren Verweilzeit in den Zisternen bzw. Wasserspeichern ab. Insbesondere bestimmen die vorherrschenden Wassertemperaturen sowie das vorhandene Nahrungsangebot die Schnelligkeit der Zellteilungen und damit das Maß einer wachsenden Verkeimung. Ohne keimmindernde Maßnahmen entstehen unter günstigen mikrobiologischen Lebensbedingungen Biofilme an den inneren Wänden der Rohre und Behälter, Trübungen bis hin zu Ausfällungen und Bioschlammbildung sowie starkes Algenwachstum je Lichteinwirkung. In Kontakt des Wassers mit dem Menschen entsteht die Infektionsgefahr durch pathogene Mikroorganismen.

In Bad- oder Warmwasserkesseln sind die Gefahrpotentiale hinsichtlich der einfließenden Trinkwasserqualität nach der gültigen Trinkwasserverordnung sehr gering. Doch entstehen unter den günstigeren wärmeren Temperaturbedingungen auch erhöhte Gefahren hinsichtlich der Entwicklung von pathogenen Mikroorganismen in schwach oder nicht durchströmenden Leitungsabschnitten. Insbesondere die Legionella pneumophila vermehrt sich ohne besondere Ansprüche in Wässern bis ca. 60 °C Wassertemperatur sehr gut und stellt als Verursacher für schwerverlaufende, unspezifische Lungenentzündungen eine Gefahr für junge, ältere und kranke Menschen dar. Ein Schutz vor den pathogenen Mikroorganismen ist nur bei einem ständigen Betrieb der Warmwasseranlagen mit einer Mindestwassertemperatur von über 60 °C möglich. Dabei ist zu beachten, dass im Wasserkreislauf die gesamte Wassermenge ständig über diese Mindesttemperatur gehalten werden muß. In der Praxis ist dieses auf Grund langer Zirkulations- und angeschlossenen Stichleitungen generell nicht gegeben. Die Wassertemperatur in den nicht durchströmenden Bereichen fällt bei geringen Wasserentnahmen in der Regel unter diese Grenztemperatur. Dieses Problem kann selbst mit noch höheren Wassertemperaturen der durchströmenden Leitungsbereiche nicht verhindert werden. Somit bieten die erhöhten Wassertemperaturen nur einen potentiellen Schutz in den durchströmenden Bereichen, wenn auch an den entferntesten Strömungspunkten noch eine Wassertemperatur über 60 °C gegeben ist. Dieser Keimschutz ist relativ sicher, erhöht aber extrem die Betriebskosten der Warmwasseranlagen.

Neben diesem Temperaturverfahren wird in der Praxis für Leitungen und Wasserspeicher die Chlorierung, Ozonierung, die Dosierung von sogenannten Bakteriziden und die UV-Technologie eingesetzt

Diese Verfahren sind hinsichtlich ihrer Zielstellung, Anforderungen, Effizienz, Kostenaufwand und Nebenwirkungen für viele Anwendungsfälle nur bedingt anwendbar.

Ein einfaches, kostengünstiges und wirkungsvolles neuartiges Keimstabilisierungs- bzw. Entkeimungsverfahren für natürliche Wässer in Wasserspeichern oder Kesselanlagen darzustellen ist der Gegenstand nachfolgender Patentschrift.

Aus den Schutzrechten DE 198 44 329 und DE 199 11 950 ist bekannt, das elektrisch leitfähige Titanoxidscheiben bzw. -granulat als Anoden betrieben in wässrigen Lösungen entkeimende Wirkungen auf Mikroorganismen besitzen. Bei diesen Verfahren wurden spezielle durchströmende Anordnungen der Elektroden zu den zu behandelnden Wässern und der metallischen Kathode dargestellt. Eine wesentliche Bedingung war dabei, daß das zu behandelnde Wasser die Elektroden umfließen muß.

Entgegen diesen Anordnungen entstehen aber auch hohe entkeimende Wirkungen auf das zu behandelnde Wasser, ohne dass spezielle Um- bzw. Durchströmungen an den Elektroden stattfinden und beliebige Elektrodengrößen und Raumanordnungen zu der behandelnden Wassermenge gegeben sind. Entscheidend sind beim Entkeimungsprozess in natürlichen Wässern die katalytischen Wechselbeziehungen der Elektrolyse an der Elektrodenoberflächen der anodisch geschalteten elektrisch leitfähigen Titanoxidkeramik. Durch die beliebige Anordnung der Elektroden in einem Wasserspeicher oder einem angeschlossenen Leitungssystem und deren beliebigen Größenverhältnisse der Elektroden zueinander ist grundsätzliche eine gute Entkeimung in Wasserspeichern möglich. Damit ist es möglich in gering durchströmenden Raum- bzw. Leitungsteilen, sogenannten „Totzonen", oder auch in End- oder Stichleitungen von Leitungsnetzen der angeschlossenen Wasserspeicher entkeimende Maßnahmen durchzuführen, da an diesen Stellen die potentiellen Brutgebiete für eine erhöhte Keimbildung gegeben sind.

Somit bietet dieses Verfahren eine Unabhängigkeit von den räumlichen Anordnungen der Elektroden im Gesamtsystem. Weitere Vorteile sind, dass das Verfahren ohne eine zusätzliche Dosierung von Zuschlagsstoffen und unabhängig von der vorhandenen Trübung und Sedimentierung der Wässer mit geringstem Energieverbrauch für die elektrokatalytische Elektrolyse realisiert werden kann. Eine einfache Integration der elektrisch leitfähigen Titanoxidanoden in vorhandenen Wasserspeichern oder deren Leitungssystemen ist nachträglich möglich. Mit diesem System kann bei kontinuierlichem Betrieb langfristig eine Keimstabilisierung in Wasserbehältern und angeschlossenen Leitungssystemen auf niedrigem Niveau gehalten werden. Das Verfahren bietet in Kombination mit der Solartechnik die Möglichkeit in Gebieten ohne große Infrastruktur keimgemindertes Wasser für die dortigen Menschen erzeugen zu können, womit gegenüber den jetzigen Situationen eine wesentliche Verbesserung der Lebensbedingungen entstehen würde.

Zusätzlich zu diesen Effekten kann bei Wasserspeichern mit metallischen Wandungen ein Korrosionsschutz neben der Entkeimung realisiert werden. Indem die metallische Wandung als Kathode und die elektrisch leitfähige Titanoxidkeramik als Anode geschaltet wird, womit diese mit der Wirkung einer „Opferanode" vergleichbar ist, jedoch mit dem Unterschied, dass diese chemisch inert ist.

Bei Wasserspeichern die keine metallischen Wandungen aufweisen können durch zusätzliches Einbringen metallischer Kathoden in den Behältern vergleichende entkeimende Wirkungen realisiert werden.

Nachfolgend sind zwei Anwendungsbeispiele dargestellt, die eine entkeimende Wirkung für natürliche Wässer aufzeigen.

Bild 1 zeigt eine Wasserzisterne 2 die mit natürlichem Wasser im Zulauf 1 gespeist wird und für Trinkwasserzwecke als Zwischenspeicher genutzt wird. Unabhängig des Fließverhaltens des Wassers in der Zisterne 2 und deren Beckengröße kann eine Entkeimung realisiert werden, wobei die Anordnung der Edelstahlkathoden 4 und der elektrisch leitfähigem Titanoxidkeramikanoden 5 am Boden des Beckens 2 unbedeutend sind. Die Stromzuführung erfolgt mittels einer zweipoligen elektrischen Zuleitung 6, die an der Stromversorgung 7 angeschlossen wird. Diese wird wiederum von einem angeschlossenen Solarsystem 8 gespeist.

Mit kontinuierlicher Einspeisung der elektrischen Energie wird eine elektrokatalytische Elektrolyse zwischen den Elektroden 4 und 5 betrieben, die unabhängig des Fließverhaltens und eventueller Trübungen bzw. Ausfällungen am Boden der Zisterne eine Entkeimung des Wassers realisiert.

Bild 2 zeigt einen Heißwasserkessel 9, dessen metallische Kesselwand als Kathode 4 an die Stromversorgung 7 angeschlossen ist. Im Inneren des Kessels 9. sind die elektrisch leitfähigem Titanoxidkeramiken als Anode zusammengeschaltet und mit einer elektrischen Zuleitung 6 an die externe Stromversorgung 7 angeschlossen. Durch eine kontinuierliche elektrokatalytische Elektrolyse zwischen den Elektroden 4 und 5 wird dabei nicht nur das umlaufende Wasser in der Zirkulationsleitung 11 und 12 sowie das eingespeiste Trinkwasser 10 auf einen minimalen Keimanzahl reduziert, sondern auch das stehende Wasser in angeschlossenen Verbrauchs- und Stichleitungen. Damit kann ein schleichender Keimanstieg innerhalb von „Totzonen" des Systems verhindert werden. Weiterhin ist ein ständiger Betrieb der Heisswasseranlage über 60 °C für die entkeimende Wirkung nicht erforderlich. Zusätzlich wird durch die Beschaltung der metallischen Wände des Systems ein zusätzlicher Korrosionsschutz realisiert, was die Betriebsdauer der Anlage und deren Leitungen wesentlich erhöht.

1Wasserzulauf für Zisterne 2Zisterne 3Wasserablauf Zisterne 4Kathode aus Edelstahl oder metallische Kesselwand 5Anode aus elektrisch leitfähige Titanoxidkeramikscheiben 6Elektrische Zuleitung für Elektroden 7Stromversorgung bzw. Netzteil 8Solarsystem 9Heißwasserkessel 10Trinkwasserzulauf 11Rücklauf Zirkulationsleitung 12Vorlauf Zirkulations- bzw. Verbraucherleitung

Anspruch[de]
  1. Elektrokatalytisches Entkeimungsverfahren mit elektrisch leitfähigem Titanoxidmaterial welches als Anode gegenüber einer metallischen Kathode geschaltet wird, wobei keine direkte Umströmung des zu behandelnden Wassers an den Elektroden zwingend gegeben ist, eine räumliche Anordnung und Größe der Elektroden im Gesamtsystem beliebig sind und deren elektrolytische Wirkung zur Keimstabilisierung bzw. Keimminderung von Mikroorganismen in Wasserspeichern und angeschlossenen Leitungssystemen führt.
  2. Verfahren nach Tz.1 gekennzeichnet, dass für die Behandlung des Wassers immer ein indirekter Kontakt der Elektroden zwischen umströmenden und nicht umströmenden Wasser gegeben ist
  3. Verfahren nach Tz 1 bis 2, dass kontinuierlich eine elektrokatalytische Elektrolyse mit mindestens einer Anode aus elektrisch leitendem Titanoxidmaterial betrieben wird
  4. Verfahren nach Tz 1 bis 3, dass keine zusätzlichen Stoffe zur Entkeimung in das zu behandelnde Wasser eingebracht werden
  5. Verfahren nach Tz 1 bis 4, dass von der Anode umgebende metallische Wandungen von Behältern oder angeschlossenen Rohren oder Leitungen als Kathode geschaltet einen zusätzlichen elektrischen Korrosionsschutz erhalten
  6. Verfahren nach Tz 5, dass die Anode aus elektrisch leitendem Titanoxidmaterial die zusätzliche Funktion einer sogenannten Opferanode erfüllt.
  7. Verfahren nach Tz 1 bis 6, dass eine Entkeimung unabhängig der Trübung und der Fließeigenschaften des Wassers erfolgt
  8. Verfahren nach Tz 1 bis 7, dass die Effizienz des Entkeimungsverfahrens vom Grad der Verkeimung und der zu behandelnden Wassermenge je Zeiteinheit abhängig ist und durch die Kombination mit anderen Entkeimungsverfahren weiter erhöht werden kann.
  9. Verfahren nach Tz 1 bis 8, dass unter optimierten Bedingungen nach Tz. 8 eine Kopplung mit umweltfreundlichen Energiesystemen, wie zum Beispiel der Solartechnik, zur effizienten Wasseraufbereitung gegeben sind.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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