Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das zu entwickelnde kalte Sanitisierungsverfahren soll durch die direkte elektrochemische Produktion von Ozon im Wasser die Vermehrung von Mikroorganismen im Rein- und Reinstwassersystem verhindern und vorhandene abt\u00f6ten. Zus\u00e4tzlich soll untersucht werden, ob sich das Verfahren f\u00fcr die Reduktion oder Beseitigung von vorhandenen Biofilmen anwenden l\u00e4sst. Im Vordergrund stehen die Vermeidung von Chemikalienzus\u00e4tzen, der Wegfall der Sp\u00fclprozesse und der Ausfallzeiten sowie die Reduktion von Energieverbr\u00e4uchen. Anlass ist die hohe Zahl an Rein- und Reinstwassersystemen, die bisher mit hohem Aufwand und herk\u00f6mmlichen Mitteln wie UV-Desinfektionsanlagen, Chemikalien, Sp\u00fclprozessen zu desinfizieren sind und bei denen dadurch teilweise erhebliche Ausfallzeiten und Umweltbelastungen auftreten.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenArbeitspaket 1:
\nDurchf\u00fchrung von Vorversuchen mit Anwendung der statistischen Versuchsplanung am Fraunhofer IST zur Ermittlung der Parameterbereiche f\u00fcr ein optimiertes Zelldesign und der Betriebsparameter f\u00fcr die Sanitisierung von Rein- und Reinstwasseranlagen mit Ozon. Daf\u00fcr wurde ein Testsystem f\u00fcr das Fraunhofer IST entwickelt und gebaut. F\u00fcr den Nachweis von Ozon wurden zwei Online-Sensoren verschiedener Hersteller auf ihre Verwendbarkeit getestet. Die Versuchspl\u00e4ne f\u00fcr die nachfolgenden Untersuchungen im Technikum von MTJ wurden auf der Basis dieser Vorversuche gemeinsam von MTJ und Fraunhofer IST aufgestellt.<\/p>\n
Ziel AP1: Entwicklung und Bau einer optimierten elektrochemischen Zelle (Prototyp Ozon-Generator) f\u00fcr den Einsatz in der Versuchsanlage der MTJ. Ermittlung der Einflussgr\u00f6\u00dfen sowie der Stromeffizienz (Stromausbeute) f\u00fcr die Generierung von gel\u00f6stem Ozon. <\/p>\n
Arbeitspaket 2:
\nDas hauseigene Technikum der MTJ wurde mit einer Rein- und Reinstwasseraufbereitung mit Entnahmestellen und einer Leitungsl\u00e4nge von ca. 200 m mit Messtechnik f\u00fcr Durchfluss, Leitwert, Temperatur, pH-Wert und Ozon-Online-Sensorik ausger\u00fcstet. F\u00fcr die Beurteilung der Reinwasserqualit\u00e4t wurde ein kalibrierf\u00e4higes Analyseverfahren zur TOC-Messung nachger\u00fcstet und auf Einsetzbarkeit getestet. Mit der TOC-Online-Messung kann die gesamte Organik im Reinwasser als Summenparameter erfasst werden. Damit stand ein realit\u00e4tsnahes Modellsystem f\u00fcr Wasseraufbereitungsanlagen und den dazugeh\u00f6rigen Hausinstallationen (Verteiler bzw. Ringleitung im Geb\u00e4ude) f\u00fcr die weiteren Untersuchungen zur Verf\u00fcgung. <\/p>\n
Ziel AP2: Auswahl und Beschaffung der entsprechenden Online-Messtechnik und Integration in die Versuchsanlage der MTJ. Anpassung der Messsysteme f\u00fcr den st\u00f6rungsfreien Dauerbetrieb. <\/p>\n
Arbeitspaket 3:
\nInbetriebnahme der Testsysteme Ozongenerator und UV-Referenzsystem (UV-Strahler) der Reinwasseranlage (Technikum MTJ) inklusive aller dazugeh\u00f6rigen Anlagenkomponenten. Die Integration des Testsystems Ozongenerator wurde so ausgef\u00fchrt, dass es in herk\u00f6mmlichen Ringleitungssystemen (Krankenh\u00e4user, Labore, Forschungseinrichtungen, Produktionsst\u00e4tten) eingesetzt werden kann.<\/p>\n
Ziel AP3: Inbetriebsetzung der gesamten Anlage und \u00dcberpr\u00fcfung der Betriebsparameter unter simulierten praxisnahen Bedingungen bei t\u00e4glicher Entnahme. Tests zur \u00dcberpr\u00fcfung der Qualit\u00e4t des Reinwassers (siehe auch Arbeitspaket 4).<\/p>\n
Arbeitspaket 4:
\nDurchf\u00fchrung der in Arbeitspaket 1 und 3 erarbeiteten Versuchspl\u00e4ne und Analyse der Wasserproben vor und nach der Behandlung. Dabei wurden Modellw\u00e4sser mit bekannter Keimbelastung eingesetzt. Unter anderem wurden auch Untersuchungen zum Abbau von Biofilmen durchgef\u00fchrt. Bestimmt wurde die Gesamtkeimzahl KBE\/ml im Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen (22 u. 36\u00b0C) nach den Vorschriften und Regelungen der TrinkwV von 2001, in der Novellierung von 2011. F\u00fcr die Bestimmung wurde ein unabh\u00e4ngiges und nach \u00a7 19 der Trinkwasserverordnung zugelassenes Pr\u00fcflabor beauftragt. <\/p>\n
Kriterien zur \u00dcberpr\u00fcfung der Wirksamkeit des Verfahrens:<\/p>\n
\u0095 Erzeugung und Aufrechthaltung festgelegter Ozonkonzentrationen (50, 100, 200 \u00b5g\/l \u00fcber 360min) zur Realisierung von erforderlichen Kontaktzeiten bis zur vollst\u00e4ndigen Abt\u00f6tung der Keime.
\n\u0095 \u00dcberpr\u00fcfung der Wirksamkeit an einem definierten Keim: Pseudomona aeruginosa <\/p>\n
Ziel AP4: \u00dcberpr\u00fcfung der Wirksamkeit des neuen Verfahrens bei unterschiedlichen Keimbelastungen des Reinwassers und variierten Betriebsweisen des Ozongenerators.<\/p>\n
Arbeitspaket 5:
\nBewertung der Ergebnisse hinsichtlich der Effektivit\u00e4t bei der Reduktion der Keimzahlen und der Biofilme unter Ber\u00fccksichtigung der eingesetzten Energie. Dar\u00fcber hinaus wurden Erkenntnisse zum Langzeitverhalten der kalten Sanitisierung gewonnen. Die Ergebnisse wurden mit dem als Referenz mitgetesteten UV-Verfahren verglichen und auch in Bezug zu den beiden anderen Sanitisierungsverfahren (chemische Sanitisierung und Hei\u00dfsanitisierung) gesetzt. Bewertet wurden neben den wirtschaftlichen Aspekten insbesondere die Energieeffizienz und \u00f6kologische Aspekte wie z.B. der Einsatz umweltrelevanter Chemikalien. <\/p>\n
Ziel AP5: Bewertung von Wirksamkeit und Effizienz des Verfahrens. Einsch\u00e4tzung der Praxistauglichkeit des Verfahrens f\u00fcr einen Einsatz bei den Anwendern. Einsch\u00e4tzung des Einsparpotenzials mit Hinblick auf eingesetzte Energie, den vermeidbaren Chemikalieneinsatz, entfallende Verbrauchsmaterialien, Sp\u00fclprozesse und Ausfallzeiten.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
1)\tOzongenerator <\/p>\n
Die Entwicklung eines geeigneten Ozongenerators zur Herstellung von gel\u00f6stem Ozon im Rein- und Reinstwasser war erfolgreich. Die Stromeffizienz (Stromausbeute) des Ozongenerators bei gel\u00f6stem Ozon lag bei maximal 19,6%. Zum Nachweis des gel\u00f6sten Ozons wurde der Sensor der Firma SWAN eingesetzt, der nach der DPD-Methode arbeitet. Das gleichzeitig gebildete gasf\u00f6rmige Ozon wurde nicht erfasst. Die Betriebsparameter des Ozongenerators konnten mit der f\u00fcr das Fraunhofer IST entwickelten Versuchsanlage nachgestellt und die Einflussgr\u00f6\u00dfen (Faktoren, Wechselwirkungen) mathematisch beschrieben werden. Den gr\u00f6\u00dften Einfluss als Einzelfaktor hatte hierbei die Temperatur.<\/p>\n
2)\t Testanlage MTJ<\/p>\n
Das Testsystem bew\u00e4hrte sich bei der Nachstellung praxisnaher Zust\u00e4nde, um die Einflussgr\u00f6\u00dfen auf die Sanitisierung unter realen Bedingungen von der Erzeugung des Reinwassers (Enth\u00e4rter, Osmose, Ionenaustauscher) bis zur Lagerung (Tank) und Verteilung (Ringleitung mit 200m L\u00e4nge) zu untersuchen. Die mit der Versuchsanlage beim IST gefundenen Einflussgr\u00f6\u00dfen (Faktoren, Wechselwirkungen) konnten auch mit der Testanlage mathematisch beschrieben werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass das gesamte System mit ausreichend Ozon \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum (Kontaktzeiten von Ozon mit der Keimspezies) beaufschlagt werden kann, so dass eine erfolgreiche Sanitisierung m\u00f6glich ist und wiederholt durchgef\u00fchrt werden kann. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse ist ein Scale-up der Verfahrenstechnik auf leistungsf\u00e4higerer Sanitisierungssysteme f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Reinwasseranlagen mit l\u00e4ngeren Ringleitungssystemen m\u00f6glich.<\/p>\n
3)\tSanitisierung mit gel\u00f6stem Ozon<\/p>\n
Das entwickelte Verfahren erreicht einen vollst\u00e4ndigen Abbau (0 KBE\/ml) vorhandener Keimpopulationen die typischerweise in Rein- und Reinstwasseranlagen vorkommen. Bei den Versuchen im Versuchsplan VP4 wurde ein vollst\u00e4ndiger Abbau bei einer Ausgangskeimzahlen von 350 KBE\/ml mit einer Ozondosis von I1 = 36 mg\/l*min erreicht. <\/p>\n
F\u00fcr den Abbau des Pr\u00fcfkeimes Pseudomona aeruginosa mit einer Ausgangskeimzahl von 380 KBE\/ml war nur eine Zieldosis (Ozondosis) von I1 = 2 mg\/l*min n\u00f6tig. Das Verfahren ist in der Lage, gel\u00f6stes Ozon in konstanten Konzentrationen \u00fcber lange Zeitr\u00e4ume zur Verf\u00fcgung zu stellen. Bei einer Zieldosis von I1 = 36 mg\/l*min fallen daf\u00fcr Energiekosten von ca. 1,37 ct an. <\/p>\n
Das Verfahren erreichte bei einem Feldtest an einer realen Reinstwasseranlage eines renommierten Institutes in Berlin den Abbau eines Biofilmes in der Wasseraufbereitungsanlage. Durch das Erreichen und Halten von >0,2 mg\/l Ozon \u00fcber 200 min gelang der vollst\u00e4ndige Abbau des Biofilmes. Der Energieverbrauch lag bei 0,137 kWh und die Energiekosten bei 3,28 ct.<\/p>\n
Im Vergleich zu anderen Verfahren, wie der chemischen Sanitisierung oder der Desinfektion mit UV-Brenner, ist das neu entwickelte Verfahren die wirkungsvollste und effizienteste Methode Rein- und Reinstwassersysteme zu sanitisieren. Das neue Verfahren erreicht die gesamte Anlage mit ihren Tot-r\u00e4umen. Die Energiekosten f\u00fcr einen m\u00f6glichen vollautomatischen Betrieb sind extrem niedrig. Sie lie-gen bei der Testanlage MTJ und t\u00e4glicher Anwendung einer Ozondosis von I1=10 mg\/l*min bei 1,64 \u0080 pro Jahr ohne Wartungskosten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Eine Kurzfassung zum Projekt wird im Jahresbericht 2015 des Fraunhofer IST ver\u00f6ffentlicht. MTJ wird auf seiner Homepage den Abschlussbericht ver\u00f6ffentlichen. Das Verfahren wird als Neuentwicklung pr\u00e4sentiert. MTJ sichert sich einen Markennamen f\u00fcr das Verfahren mit dem das Unternehmen in die Werbung geht. Weiterhin sind Pr\u00e4sentationen auf der Jahrestagung der Fa. Georg Fischer in Schaff-hausen sowie auf der Hausmesse der MLU (Martin-Luther-Universit\u00e4t Halle-Wittenberg) und des IPK (Leibnitz-Institutes f\u00fcr Pflanzenforschung) geplant, um das Verfahren bei Planern, Errichtern und Anwendern bekannt zu machen. Weitere Ver\u00f6ffentlichungen in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IST sind geplant.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
\u0095 Die energieeffiziente kalte Sanitisierung von Rein- und Reinstwasseranlagen mit gel\u00f6stem Ozon konnte erfolgreich dargestellt werden.
\n\u0095 Die Wirkungen der Einflussgr\u00f6\u00dfen auf die Ozonerzeugung sind bekannt und quantitativ beschreibbar.
\n\u0095 Stromausbeuten von ann\u00e4hernd 20% bei der Erzeugung von gel\u00f6stem Ozon im Reinwasser sind erreichbar.
\n\u0095 Das Verfahren zeichnet sich durch einfache Steuerbarkeit der Ozonkonzentration an die ben\u00f6tigte Sanitisierungsleistung aus. Daraus resultiert ein moderater Automatisierungsaufwand.
\n\u0095 Mit dem Verfahren k\u00f6nnen vorgegebene Ozonkonzentrationen im Rein- und Reinstwasser gezielt erreicht und \u00fcber l\u00e4ngere Zeitr\u00e4ume aufrecht gehalten werden, je nachdem welche Keimspezies abget\u00f6tet werden soll.
\n\u0095 Der Abbau eines Pr\u00fcfkeimes aus der Familie der Pseudomonaden konnte bis auf 0 KBE\/ml nachgewiesen werden.
\n\u0095 Die Anwendbarkeit des Verfahrens zum Abbau von Biofilmen in einem Feldtest konnte gezeigt werden.
\n\u0095 MTJ ist in der Lage, Sanitisierungssysteme auf Grundlage der erreichten Ergebnisse und gewonnen Erkenntnisse zu bauen und zu betreiben. Dies k\u00f6nnen Anlagen f\u00fcr den Dauerbetrieb als Festinstallation sowie Anlagen f\u00fcr den zeitlich begrenzten und ortsver\u00e4nderlichen Einsatz sein.
\n\u0095 MTJ sieht noch Entwicklungspotential beim Design des Ozongenerators. Hier besteht die M\u00f6glichkeit, durch weitere Modifikationen die Ozonleistung deutlich zu erh\u00f6hen und die Energieeffizienz zu steigern.
\n\u0095 Risiken bestehen noch bei der Best\u00e4ndigkeit und zum Langzeitverhalten der verbauten Materialien
\n\u0095 Es fehlen noch Informationen zur Anwendbarkeit auf Anlagen, die nicht der Anlagentechnik entsprechen, mit der im Projekt gearbeitet wurde. Zum Beispiel Anlagen, die \u00fcberwiegend aus Edelstahl- oder PVC- Komponenten bestehen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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