Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasseraufbereitungsanlage zur Reinigung einer Schmutzflüssigkeit mit Hilfe eines Filterelementes.

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkeiten aller Art, sie wird aber im Folgenden anhand der Aufbereitung von Wasser erläutert, da dieser Bereich ein wesentliches Einsatzgebiet ist.

Die Aufbereitung von Wasser ist zum einen für Brauchwasser und Wasser, das in Teichen oder Aquarien eingesetzt wird sowie insbesondere für die Bereitstellung von Trinkwasser notwendig. Ein wesentliches Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist aber die Aufbereitung von Oberflächenwasser zur Bereitstellung von Trinkwasser, weswegen die nachfolgende Beschreibung auf diesem Einsatzgebiet aufbaut.

Eine moderne Wasseraufbereitung soll Trinkwasser liefern, das qualitativ einem natürlichen Trinkwasser entspricht. In einer Trinkwasseraufbereitungsanlage wird Rohwasser bzw. Schmutzwasser prozeßmässig mit physikalischen, biologischen und chemischen Wirkmechanismen so behandelt, dass am Ende der Aufbereitung Trinkwasser entsprechend den geforderten Vorgaben zur Verfügung steht. Eine naturnahe Trinkwasseraufbereitung sollte sich an den Prozessen orientieren, die auch in der Natur zur Reinigung des Wassers ablaufen. Sehr verbreitet ist die deswegen auch die Filtration mittels Filterelementen. Je nach Ausführung des Filterelementes kann eine grobe, feine oder feinste Filtration erreicht werden.

Neben der Filtration von Feststoffen ist auch die Keimfreiheit in Regionen mit Wasserknappheit, wie beispielsweise im Mittelmeerraum oder in Afrika, ein erhebliches Problem, so dass eine dort übliche Nachbehandlung des jeweils an der Zapfstelle zur Verfügung stehenden Trinkwassers mit Hilfe eines Aktivkohlefilters nur dann ausreichend ist, wenn das gefilterte Wasser anschließend abgekocht wird. Aktivkohle hat auch den Nachteil, das Bakterien darin gute Wachstumsbedingungen vorfinden, so dass eine starke Vermehrung der im Filter zurückhaltenden ggf. gesundheitsschädlichen Bakterien zu befürchten ist, was den Einsatz dieses Filtermaterials für die Trinkwasseraufbereitung einschränkt bzw. verhindert.

Eine Alternative ist der Einsatz so genannter Umkehrosmoseverfahren. Umkehrosmose ist ein Filtrationsverfahren, welches ermöglicht, Stoffe im Molekularbereich auszufiltern. Wie bei der normalen Filtration wird z.B. verunreinigtes Wasser gegen ein Filterelement oder -material gepresst. Die Verunreinigungen bleiben vor dem Filter zurück und die Wassermoleküle dringen durch das Filterelement hindurch. Als Filtermedium dient eine durchlässige oder semipermeable Membran mit einer Porengröße von weniger als einem zehntausendstel Mikrometer. Da Bakterien zwischen etwa einem und vier Mikrometer und Viren zwischen 0,02 und 0,4 Mikrometer groß sind, werden auch diese zurückgehalten. Das gilt auch für die allermeisten anderen Fremdstoffe im Wasser. Die Membran funktioniert also wie ein feines Sieb. Sie entfernt aus dem Wasser alle Schwebstoffe wie z.B. Asbest, Rost, Algen und so gut wie alle Bakterien, Viren, Schwermetallkomplexe, Pestizide, Herbizide und alle organischen Moleküle mit einem Molekulargewicht über 300. Daher ist Wasser, welches durch eine Umkehrosmose gelaufen ist, zu etwa 90 % von allen Stoffen befreit, die sich vorher noch im Wasser befanden.

Ein Problem bekannter Wasseraufbereitungsanlage ist, dass diese oftmals einen sehr hohen Energiebedarf aufweisen. Dies gilt insbesondere für Wasseraufbereitungsanlage die sich das Prinzip der Umkehrosmose zunutze machen, da der sich durch Osmose entwickelnde Gegendruck stets überwunden werden muss. Üblicherweise wird das Roh- oder Schmutzwasser durch eine Pumpe derart unter Druck gesetzt, dass es die Membran passieren kann. Es sind etwa 6 bis 7 kW für eine Filtration von ungefähr 1000 l Wasser notwendig. Hierfür werden 2 l Diesel pro Stunde benötigt.

Der Energiebedarf ist aber gerade im Bereich von Krisengebieten, Flüchtlingslagern oder auch nach Naturkatastrophen oftmals schwierig. Es ist zwar kurzfristig möglich, durch Filtration aus nahezu jedem Rohwasser Trinkwasser zu gewinnen, jedoch ist dadurch eine langfristige Versorgung mit Trinkwasser nicht gewährleistet.

Ein weiteres Problem besteht auch darin, dass oftmals Mikroorganismen nicht vollständig abgetötet werden, dass gereinigte Wasser ist bei vielen bekannten Anlagen nicht ausreichend keimarm oder keimfrei. Dies ist gerade dann der Fall, wenn oberflächennahes Wasser aufbereitet werden soll, dieses weist beispielsweise aufgrund von Fäkalien hohe Keimraten auf. Weiterhin eignen sich einige Anlagen nicht zur Ausfilterung von Schwermetallen, die aber ebenfalls gesundheitsschädlich sind oder sein können. Schließlich sind bekannte Aufbereitungsanlagen, die eine ansprechende Reinigungs- oder Filtrationsleistung aufweisen in der Regel groß und sperrig. Es ist nicht möglich, solche Anlagen mobil einzusetzen bzw. in kurzer Zeit auf- und abzubauen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wasseraufbereitungsanlage zu schaffen, die mit geringem Energieaufwand betreibbar ist. Sie soll einfach aufgebaut sein und trotzdem einen maximalen Reinheitsgrad gewährleisten. Außerdem soll die Wasseraufbereitungsanlage möglichst geringe Abmessungen aufweisen und schnell und einfach auf- und abzubauen sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Wasseraufbereitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsanlage eignet sich allgemein für eine Flüssigkeitsdesinfektion, zum Beispiel für die Reinigung von Trink-, Prozess- oder Abwasser.

Demnach wird eine erhebliche Energieeinsparung dadurch erreicht, dass das Schmutzwasser zunächst in einen Druckbehälter geleitet wird. An diesen Druckbehälter schließt sich eine Druckleitung an, über die Druckluft ebenfalls in den Druckbehälter geleitet wird. Somit wird im Inneren des Behälters ein Überdruck erzeugt, der das Schmutzwasser durch das innerhalb des Druckbehälters angeordnete Filterelement drückt. Im Gegensatz zu bekannten Filteranlagen wird also nicht das Schmutzwasser selbst gepumpt, sondern es wird über das Medium Luft durch das Filterelement getrieben. Demnach reicht ein Luft- oder Gasverdichter aus, der wesentlich weniger Energie benötigt, als eine herkömmliche Flüssigkeitspumpe. Bei einer Druckerzeugung von 20 bar reichen etwa 300 W/m³ aus, bei einer Druckerzeugung von 50 bar sind nur 600 W/m³ notwendig. Im Gegensatz aber zur Verwendung von Flüssigkeitspumpen also eine erhebliche Energieeinsparung möglich. Es hat sich zum Beispiel gezeigt, dass bei der Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine Umkehrosmose eine um den Faktor 10 günstigere Energiebilanz erreichbar ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante wird das Schmutzwasser von oben in den Druckkessel hineingeleitet und dann durch das vorzugsweise am Boden des Druckbehälters angeordnete Filterelement wieder abgeleitet. Auch die Druckleitung ist im oberen Bereich des Druckbehälters angeschlossen.

Vorzugsweise ist der Druckbehälter als teilbarer Druckbehälter ausgeführt, d.h. dass er beispielsweise über eine Flanschverbindung in seinem mittleren Bereich in zwei Teile getrennt werden kann. Dies ermöglicht zum einen die Wartung, zum anderen auch die Reinigung des Filterelementes.

Je nach Ausführung des Filterelementes ist eine grobe und eine feine Filtration (Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration) und auch eine Umkehrosmose durchführbar.

Vorteilhafterweise bietet sich eine Reihenschaltung mehrerer Druckbehälter an, die jeweils andere Filterelemente aufweisen. In einem ersten Behälter kann beispielsweise eine Vorfiltration erfolgen, dass aus diesem ersten Druckbehälter heraustretende Wasser wird über eine Zuleitung einem oder zwei nachgeschalteten Druckbehältern zugeleitet.

In jedem der Druckbehälter kann ein Filterelement oder es können auch mehrere Filterelemente vorgesehen sein. Dies ist vom jeweiligen Anwendungsfall und von den Größenverhältnissen der Wasseraufbereitungsanlage abhängig.

Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsvariante wird also das Schmutzwasser zunächst grob vorgefiltert und dann in einen Druckbehälter geleitet. Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn nicht nur ein Druckbehölter vorgesehen ist, sondern einem Vorfilter-Druckbehälter zwei Haupt-Druckbehälter nachgeschaltet sind. Dies hat den Vorteil, dass das vorgereinigte Schmutzwasser auf zwei Druckbehälter verteilt werden kann, da ein zwischenzeitliches Reinigen und Ablassen von nicht gefiltertem Wasser notwendig ist. Dies bedeutet, dass die Druckbehälter jeweils nahezu vollständig mit Schmutzwasser befüllt jedoch anschließend nur bis zur Hälfte leer gefahren werden. Dies ist notwendig, da durch das Zurückhalten von Schmutzpartikeln die Verschmutzung des im Druckbehälters verbleibenden Schmutzwassers stetig zunimmt. Insofern ist es notwendig, den Druckbehälter stets mit neuem Wasser zu befüllen, also dass über die Maßen verschmutzte Wasser zwischenzeitlich abzulassen. Infofern ist es sinnvoll, wenn ein Vorfilter zwei Hauptfilter mit vor gereinigtem Schmutzwasser versorgt und die letzteren jeweils im Wechsel befüllt werden. Es kann dann ein Haupt-Druckbehälter gereinigt bzw. geleert werden, während der andere Haupt-Druckbehälter weiterhin gefiltertes Wasser liefert. Die Größenverhältnisse der unterschiedlichen Druckbehälter sollten so gewählt sein, dass stets ein Haupt-Druckbehälter gefiltertes Wasser liefert.

Die Beaufschlagung der einzelnen Druckbehälter mit Druckluft und mit Schmutzwasser wird über in den verschiedenen Leitungen angeordnete Regelventile gesteuert.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn innerhalb der Haupt-Druckbehälter Verwirbelungsvorrichtungen vorgesehen sind, die dass in den Behältern befindliche Wasser in Bewegung versetzen, wodurch günstigere Strömungsverhältnisse an den Filterelementen geschaffen werden.

An die Haupt-Druckbehälter schließt sich eine Rohwasserleitung an, über die das gereinigte Schmutzwasser (Rohwasser) abgeleitet wird. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist ein Rohwasserbehälter vorgesehen, der über die Rohwasserleitung befüllt wird. Das in diesem Rohwasserbehälter befindliche Wasser dient der Rückspülung des Filterelementes oder der Filterelemente in den ersten Druckbehältern. Vom Rohwasserbehälter führt zu diesem Zweck eine Leitung zum Ablauf des ersten Druckbehälters und eine weitere Leitung vom Luftverdichter zum Rohwasserbehälter. Werden nun die Regelventile entsprechend geschlossen, kann der Reiwasserbehälter mit Druck beaufschlagt werden und drückt Rohwasser durch den Ablauf des ersten Druckbehälters in das über die darin befindlichen Filterelemente und reinigt diese.

Die Haupt-Druckbehälter sind vorteilhafterweise derart ausgeführt, dass mit diesen eine Filtration nach dem Prinzip der Umkehrosmose durchgeführt werden kann, die Filterelemente und auch die Leistung des Luftverdichters müssen hierfür entsprechend ausgelegt sein.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante kann im Bodenbereich des Druckbehälters eine Öffnung bzw. ein Ablauf vorgesehen sein, der durch eine Membran abgedeckt ist, so dass das Schmutzwasser diese passieren muss und gefiltert wird. Die Membran kann derart ausgeführt sein, dass sie eine Umkehrosmose ermöglicht.

Als Filterelement eignet sich insbesondere ein Filterelement, mit einem Rohr, das verbunden ist mit einem hohlen Filterkörper, der gebildet ist aus

• – einem innen angeordneten, einen Hohlraum ausbildenden und mit dem Rohr verbundenem Tragegerüst,
• – einer Grundschicht aus relativ grobkörnigem Material, dass das Tagegerüst umgibt und mit diesem verbunden ist,
• – einer Außenschicht aus relativ feinkörnigem Material, dass die Grundschicht umgibt und mit dieser verbunden ist,

Das Filterelement stellt eine Abkehr von bekannten Filterelementen dar, da die Filterschichten genau andersherum als üblich angeordnet sind. Die Flüssigkeit passiert zunächst die feinkörnige Außenschicht und passiert erst dann die grobkörnige Grundschicht zum Beispiel aus Split, um schließlich durch den Tragekörper in das Innere des Rohres zu gelangen und aus diesem abgeleitet zu werden. Vorteilhafterweise weist die Außenschicht eine Körnung von unter 1 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 0,2 mm auf. Die DE 103 52 937, ebenfalls von den Erfindern, beschreibt ein solches Filterelement, die Offenbarung der bereits veröffentlichten DE 103 52 937 soll deswegen vollumfänglich in diese Anmeldung einbezogen sein.

Die Filterelemente können Porenweiten von 100 bis 1 &mgr;m aufweisen.

Das Rohr kann einen Innendurchmesser vom 62 mm und einen Außendurchmesser von 65 mm aufweisen und z.B. aus Kunststoff oder Metall gebildet sein. An das Rohr schließt sich das Tragegerüst an, das sich in den Filterkörper hinein erstreckt. Dieses kann vorzugsweise durch einzelne Metall- oder Kunststoffstäbe gebildet sein, die aus einem Netz mit Metall oder Kunststoff umwickelt sind.

Die angegebenen Größenordnungen sind je nach individueller Anforderung frei wählbar, die angegebenen Abmessungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Auch ist es möglich, das Filterelement mit nur einer Schicht aufzubauen, also sozusagen auf die Grobschicht zu verzichten.

Ein wesentlicher Vorteil des Filterelementes besteht darin, dass es rückspülbar ist. Die Reinigung des Filterelementes und das Lösen von Porenverstopfungen sind somit durch Spülen von Innen nach außen leicht möglich.

Je nach Ausführung kann ein Filterelement ausreichen, es können aber innerhalb des Druckbehälters mehrere Filterelemente angeordnet sein. Hierzu kann erfindungsgemäß eine rahmenartige Tragekonstruktion gebildet sein, die durch eine Abdeckung abgedeckt sein kann. In der Tragekonstruktion bzw. in der Abdeckung befinden sich Öffnungen, in die die Rohre der Filterelemente eingesteckt werden können. Somit können eine Vielzahl Filterelemente in eine solche Tragekonstruktion nebeneinander eingesteckt werden. Je nach Gegebenheiten reicht eine klemmende Befestigung in der Tragekonstruktion aus, es kann aber auch vorteilhaft sein, die Rohre beispielsweise mit einem Gewinde auszustatten, dass dann in die Öffnung eingeschraubt wird. Auch können diese mit Hilfe einer Schraube oder einem Splint an der Rückseite der Abdeckung befestigt werden. Um die nutzbare Filterfläche weiter zu erhöhen, ist vorgesehen, eine Schicht aus Filterelementen mit relativ kurzen Rohren und eine weitere Schicht aus Filterelementen mit relativ langen Rohren zu bilden, die in Wechsel angeordnet sind. Beispielsweise können die Filterelemente mit kurzen Rohren matrixmäßig, also nach Art eines Schachbrettmusters nebeneinander angeordnet sein. Daraus ergibt sich, dass in der Mitte von vier Filterelementen ein relativ großer Freiraum entsteht. Der Abstand der vier Filterelemente zueinander wird so bemessen, dass sich ein Rohr eines Filterelementes mit langem Rohr zwischen den vier Filterkörpern hindurch bis in eine Öffnung der Tragekonstruktion erstrecken kann.

Messungen haben ergeben, dass durch eine solche Anordnung bis zu 250 l pro Sekunde pro Quadratmeter geleitet und gefiltert werden können. Die Messungen wurden mit einer Filterwand mit 98 Filterelementen an einer etwa ein Meter breiten und 5 cm hohen Strömungsstufe durchgeführt. Die Durchflussrate ist unter anderem deshalb so hoch, weil sich hinter den Filterelementen nach einer gewissen Zeit ein Sog einstellt.

Je nach Ausführung der Korngröße und des freien Porenraumes der Feinschicht ist es möglich, das Filterelement für eine Filtration nach dem Prinzip der Umkehrosmose einzusetzen.

Alternativ kann die Korngröße und der Korngröße und des freie Porenraum auch derart eingestellt sein, dass lediglich ein Zurückhalten von gröberen Partikeln erfolgt, die für eine Umkehrosmose notwendige Filtration über eine zusätzliche Folie bzw. Membran erfolgt. Diese kann beispielsweise das Filterelement umgeben oder ummanteln, sie kann aber auch in das Filterelement integriert sein. Die erste Lösung hat den Vorteil, dass die Folie separat gereinigt oder ausgetauscht werden kann, die zweite Lösung hat dagegen den Vorteil, dass die Folie, dann, wenn sie innerhalb des Filterelementes angeordnet ist, gegen mechanische Beschädigungen geschützt ist. Möglich ist aber auch eine Ummantelung des Filterelementes mit der Folie, wobei diese dann selbst wiederum von einem widerstandsfähigem Netz oder Gitter umgeben ist, dass eine mechanische Beschädigung der Folie verhindert. Beispielsweise bietet sich ein Netz oder Gitter aus Stahl an.

Vorteilhafterweise sind die Filterelemente so angeordnet, dass die Hauptfließrichtung sich quer zur Membrane befindet. Der Abfluss an Konzentrat bewirkt bei diesem Aufbau, dass sich vor dem Filterelement nur ein sehr geringer Filterkuchen aufbauen kann. Dieser lässt sich durch eine kurzzeitige Erhöhung der Konzentrat-Fließgeschwindigkeit von Zeit zu Zeit wieder entfernen (Spülung).

Die Schicht, die eine Osmoseumkehr ermöglichen soll, kann durch jedes geeignete Material gebildet sein. Es bietet sich zum Beispiel auch ein Vlies (woven oder nonwoven) an.

Schließlich eignet sich die erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsanlage auch für eine reine Grobstofffiltration, bei der der Bakterien und Viren nicht zurückgehalten werden. Diese können dann durch weitere sich anschließende Aufbereitungsschritte abgetötet werden. Zum Beispiel ist erfindungsgemäß eine Nachschaltung eine UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung sinnvoll.

Zur Abscheidung von Schwermetallen wird das Rohwasser anschließend einer Zentrifuge zugeführt. Diese ist vorzugsweise konisch aufgebaut, wobei das Rohwasser am unteren, den geringeren Durchmesser aufweisenden Ende zugeführt wird. Die drehbar gelagerte Zentrifuge nutzt die Zentrifugalkraft zum Abscheiden von Festkörpern aus dem Rohwasser. Die Schleuderziffer, welche die Beschleunigungskräfte, die auf das Zentrifugiergut ausgeübt werden, beschreibt, kann je nach Anforderung und Verschmutzungsgrad variiert werden. Das Rohwasser wird in der Zentrifuge nach oben getrieben, wo es in ein sich an die Zentrifuge anschließendes Fallrohr geleitet wird. Das Fallrohr selbst dreht sich nicht und dient lediglich dem Ableiten des aufbereiteten Rohwassers.

Im Anschluss an die Filtration ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Rohwasser über eine Rohwasserleitung einem Belüftungselement zugeführt wird. Dieses Belüftungselement ist durch einen Behälter gebildet, in dem das Rohwasser feinstperlig mit Luft angereichert wird. Das Rohwasser wird dabei durch ein Sieb mit einer Porenweite von weniger als drei Mikrometer, vorzugsweise weniger als einem Mikrometer gepresst. Die Luftzufuhr erfolgt über einen dafür vorgesehenen Kompressor, der über eine Pressluftleitung mit dem Belüftungselement verbunden ist.

Das mit Luft oder Sauerstoff angereicherte Rohwasser wird dann erfindungsgemäß einer Ultraschallbehandlung zugeführt. Die Erzeugung von akustischen Feldern hoher Intensität in Flüssigkeiten führt zu Kavitationseffekten. Darunter versteht man das Entstehen, Wachsen und Oszillieren von Blasen, von denen die Schadstoffe mitgenommen werden. Durch diese Art der Schadstoffentfernung werden Zellwände von Bakterien aufgebrochen. Die Ultraschallwellenbeaufschlagung ist ein sehr wirkungsvolles Mittel gegen Legionellen. Viele Legionellen verbergen sich in Schutzräumen, wie z.B. Amöben oder Hartmanellen. Die Zellzerstörung von Amöben durch Ultraschall wird durch das zuvorige Einbringen von feinstperliger Luft erheblich verbessert.

Ultraschallwellen öffnen diese Schutzräume und setzen somit die Legionellen für die folgende UV-Bestrahlung frei, in der die nun freiliegenden Legionellen in der erfindungsgemäßen UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung sicher abgetötet werden.

Insbesondere eignet sich erfindungsgemäß eine UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung mit einer Lichtquelle, die ultraviolettes Licht aussendet, und einer kaskadenförmigen Wasserführung, die derart angeordnet ist, dass über die Wasserführung geleitetes Wasser mit von der Lichtquelle ausgesendetem Licht bestrahlt wird.

Die Dosierung und Wellenlänge der UV-Strahlung und die Anordnung der Lichtquelle zur Wasserführung sind derart ausgewählt, dass Mikroorganismen im Wasser abgetötet werden.

Wesentlich ist also zu klären, welcher Mikroorganismus abgetötet werden soll, welcher Inaktivierungsgrad (Entkeimung) erreicht werden soll, welche Durchflussrate realisiert werden soll und welche Abmessungen zur Verfügung stehen. Beispielsweise hat sich gezeigt, dass für einen Inaktivierungsgrad von 99,9 % bei Kolibakterien in Wasser eine Leistung von 6,2 mW × s/cm² als minimale Bestrahlungsdosis gewählt werden sollte. Die Leistung einer UV-Strahlenquelle in einer Dünnschichtkaskade kann je nach Anwendung zwischen 20 W und 650 W betragen.

Die erfindungsgemäße UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung weist vorteilhafterweise eine kaskadenförmige Wasserführung auf. Dies bedeutet, dass das zu reinigende Wasser nicht wie im Stand der Technik mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit an der Lichtquelle vorbeigeführt wird, sondern dass es aufgrund der kaskadenförmigen Wasserführung in jeder Stufe gebremst und verwirbelt wird. Somit ist die Dauer, die das Wasser mit UV-Licht bestrahlt wird, entsprechend länger.

Vorteilhafterweise ist die Lichtquelle röhrenförmig ausgeführt und kann aufrecht, also vertikal stehend angeordnet. Um diese röhrenförmige Lichtquelle, die in alle Richtungen radial UV-Licht aussendet, ist die kaskadenförmige Wasserführung hüllenförmig angeordnet. Das heißt, dass die kaskadenförmige Wasserführung vorteilhafterweise an der Innenwand eines ebenfalls röhrenförmigen Gehäuses angeordnet ist, das sich um die Lichtquelle herum erstreckt.

Zu reinigendes Wasser wird von oben möglichst über den gesamten Umfang in das Gehäuse eingeleitet. Die kaskadenförmige Wasserführung weist untereinander angeordnete Kaskadenstufen auf, die ausgehend von einem oberen Ende des Gehäuses einen jeweils geringeren Abstand zur Lichtquelle aufweisen. Das zugeführte Wasser fließt also zunächst über den gesamten Umfang die erste Kaskadenstufe auf die dann folgende zweite Kaskadenstufe, dann auf die nächste Kaskadenstufe und nähert sich dabei stetig der Lichtquelle.

Die kaskadenförmige Wasserführung hat zum einen den Vorteil, dass die Fließgeschwindigkeit des Wassers verringert wird, zum anderen wird aber vorteilhafterweise auch der zu bestrahlende Wasserfilm verdünnt (Dünnschichtbestrahlung). Dies ergibt sich daraus, dass zum einen das zugeführte Wasser über den gesamten Umfang verteilt wird und zum anderen aufgrund der Abrisskanten der einzelnen Kaskadenstufen ein dünner Film erzeugt wird.

Vorteilhafterweise weist jede Kaskadestufe ein Becken auf, in das das Wasser von der oberen Stufe hineinfließt und sich dort sammelt. Erst wenn das Becken vollständig gefüllt ist, fließt das Wasser über eine der Lichtquelle zugewandte Frontwand hinüber und weiter nach unten in das Becken der darunterliegenden nächsten Kaskadenstufe. Die Becken führen dazu, dass der Fluss des Wassers deutlich verlangsamt wird und somit das Wasser dem ultravioletten Licht länger ausgesetzt ist.

Vorteilhafterweise können die einzelnen Kaskadenstufen schräg abfallend in Richtung der Lichtquelle ausgeführt sein, so dass gewährleistet ist, dass das Wasser aus dem Becken stets über die Frontwand weiter hinab läuft. Dies kann dann wichtig sein, wenn das Gehäuse, in dem sich die Wasserführung befindet, auf unebenem Untergrund aufgestellt wird. Würden die Kaskadenstufen waagerecht verlaufen, wäre es notwendig, die gesamte Anlage in der Horizontalen sehr genau auszurichten. Bei schräg verlaufenden Kaskadenstufen kann eine gewisse Fehlstellung aus der Horizontalen heraus in Kauf genommen werden.

Um zu verhindern, dass sich in Becken stehendes Wasser sammelt, kann der Boden eines Beckens eine kleine Öffnung, also ein Loch aufweisen, durch das ein geringer Anteil des im Becken befindlichen Wassers direkt in die darunter liegende Kaskadenstufe abgeleitet wird. Diese Öffnung befindet sich vorteilhafterweise an der tiefsten Stelle des Beckens, also dann, wenn das Becken in Richtung der Lichtquelle schräg abfallend ausgerichtet ist, im Bereich der Frontwand. Es hat sich gezeigt, dass es ausreicht, wenn durch die Öffnung etwa 1% des zufließenden Wassers abfließen kann. Auch hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Öffnungen von untereinander angeordneten Kaskadenstufen nicht unmittelbar untereinander, sondern auf dem Umfang verteilt angeordnet sind. Dies führt dazu, dass das Wasser auch auf einer Kaskadenstufe stets in Bewegung bleibt.

Es hat sich gezeigt, dass eine UV-Lampe besonders geeignet ist, die Licht in Wellenlängenbereich von 240–280 nm, vorzugsweise mit einer Hauptquelle von 265 nm aussendet. Die Erfindung ist aber nicht auf diesen Wellenlängenbereich festgelegt, vielmehr bezieht sie sich auf alle geeigneten Wellenlängen.

Anstelle einer vertikal aufgestellten UV-Lampe ist auf die Verwendung von horizontal ausgerichteten UV-Lampen möglich, die parallel zu mehreren Zwischenböden, über die das Rohwasser fließt, ausgerichtet sind. Bei einer solchen Kaskade wird das Rohwasser von oben auf einen ersten Zwischenboden eingeleitet, fließt auf diesem in nur eine Richtung bis zu dessen Ende, wo es auf einen darunter angeordneten zweiten Zwischenboden herabfällt. Das Rohwasser fließt auf diesem dann anschließend in die entgegengesetzte Richtung, um an dessen Ende wieder auf einen darunter liegenden Zwischenboden herabzufallen. Der Vorgang wiederholt sich, so dass das Rohwasser s-Linien – oder sinusförmig von oben nach unten durch die Aufbereitungsvorrichtung geleitet wird. Zwischen die Zwischenböden sind horizontal ausgerichtete UV-Lampen eingeschoben, die aufgrund einer wasserdichten Ummantelung sogar mit dem Rohwasser in Kontakt kommen können. Es ist möglich, nur eine UV-Lampe einzusetzen, eine höhere Beaufschlagung mit UV-Licht wird allerdings erreicht, wenn mehrere Lampen hintereinander eingesetzt sind. Eine geeignete Kaskade ist etwa einen Meter hoch, weist einen Durchmesser von 40 cm und etwa 33 Zwischenböden auf.

Die gesamte Wasseraufbereitungsanlage kann mit einfachen Bauteilen gefertigt werden und nimmt nur sehr geringen Raum ein. Es ist möglich, die gesamte Wasseraufbereitungsanlage auf einer Europalette unterzubringen, wobei das aus der Wasseraufbereitungsanlage austretende Reinwassers Trinkwasserqualität aufweist.

Die Wasseraufbereitungsanlage kann vorzugsweise vollautomatisch, beispielsweise über eine SPS-Steuerung gesteuert werden, es ist aber auch ein Betrieb von Hand möglich. Das aus der Wasseraufbereitungsanlage austretende Reinwasser kann in einem Reinwassertank gesammelt und vorzugsweise mit keimfreier Luft versorgt werden. Dadurch wird die Haltbarkeit bzw. dauerhafte Reinheit des Reinwassers verbessert. Jeder Aufbereitungsschritt kann nur einmal oder auch mehrmals durchgeführt werden. Die Energieversorgung ist erfindungsgemäß auch mit Umwandlungssystemen möglich, die beispielsweise Wind-, Sonne- oder Wasserkraft in Elektrizität umwandeln.

Für beide Ausführungen gilt, dass in besonders vorteilhaften Ausführungsvarianten die Beckenböden aus einem UV-Licht durchlässigen Material, beispielsweise Quarzglas gefertigt sind, so dass sich das UV-Licht optimal im Behälter verteilt und das Rohwasser über einen möglichst langen Zeitraum mit UV-Licht sowohl von unten als auch von oben beaufschlagt wird. Die Innenwand der Behälter ist mit einer reflektierenden Beschichtung, beispielsweise eloxiertem Aluminium, versehen. Dies führt dazu, dass das ausgesandte Licht reflektiert wird und somit von den jeweiligen reflektierenden Schichten zurück in das Wassers hineingeworfen wird. Auf diese Weise wird eine deutlich erhöhte Strahlungsintensität erreicht, was wiederum zu einer höheren Entkeimung führt. Beide Ausführung können hängend angeordnet werden, um eine selbstausrichtend Ausrichtung zu ermöglichen.

Nach Durchströmen der UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung können sich vorteilhafterweise eine biologische Reinigung, z.B. unter Zuführung von Sauerstoff und ein Steinfilter anschließen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen nur dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht begrenzen. Es zeigen:

1: ein Filterelement in einer Prinzipdarstellung im Schnitt,

2: eine erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsanlage in einer Prinzipdarstellung,

3: eine Prinzipdarstellung der Anordnung mehrerer Filterelemente innerhalb des Druckkessels,

4: eine erfindungsgemäße UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung in einer Prinzipdarstellung,

5: eine zweite Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung in einer Prinzipdarstellung,

Zum besseren Verständnis wird zunächst ein für die Erfindung besonders vorteilhaftes Filterelement 10 beschrieben (vgl. 1). Diese weist ein Rohr 12 und einen Filterkörper 14 auf. Das Rohr 12 und der Filterkörper 14 sind vorzugsweise zylinderförmig und konzentrisch um eine Längsachse X-X angeordnet. Das Rohr 12 weist ein freies Ende 16 und ein filterkörperseitiges Ende 18 auf. An dem filterkörperseitigen Ende 18 ist ein Tragegerüst 20 befestigt. Dieses kann aus Stäben 22 gebildet sein, die von einer Netzstruktur überzogen sind. Als Netzstruktur kann beispielsweise ein Gitternetz 24, aber auch ein Strumpf vorgesehen sein. Innerhalb des Tragegerüstes 20 ist ein Hohlraum ausgebildet.

Das Tragegerüst 20 ist von einer Grundschicht 26 umgeben, die mit dem Tragegerüst 20 verbunden ist. Um die Grundschicht 26 ist wiederum eine Außenschicht 28 angeordnet, die mit der Grundschicht verbunden ist. Sowohl die Grundschicht 26 als auch die Außenschicht 28 können Epoxydharz als Binde- und Verbindungsmittel aufweisen. Anstellen von Epoxydharz kann jedes andere geeignete Klebe- oder Bindemittel verwendet werden, es ist jedoch darauf zu achten, dass dieses keine Giftstoffe absondern darf.

Der Filterkörper 14 weist eine Stirnfläche 30 und eine Rückseite 32 auf. Die Rückseite 32 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht von der Außenschicht 28 bedeckt, die Rückseite 32 kann entweder undurchlässig oder aber auch mit der Außenschicht 28 bedeckt sein.

Der Filterkörper 14 kann eine leicht konische Form auf, um ihn bei der Herstellung leichter aus seiner Form entfernen zu können. Es hat sich aber gezeigt, dass im vorliegenden Fall eine stark konische Form (Tannenbaumform) deswegen sehr geeignet ist, weil diese eine optimal Anströmrichtung gewährleistet. Eine möglichst große Oberfläche bewirkt ein besseres und schnelleres Durchströmen des Filterelementes 10. Eine Oberflächenerhöhung kann beispielsweise durch eine unregelmäßige Außenoberfläche, Z. B. ein Stern-, Wellen- oder Lamellenform erreicht werden.

Die Stäbe 22 sind vorteilhafterweise durch Querstäbe 34 an den dem Rohr 12 abgewandten Enden miteinander verbunden.

Das Gitternetz 24 ist in 1 nur teilweise dargestellt, es erstreckt sich über die gesamte Länge der Stäbe 22. Die Stäbe 22 treten im dargestellt Ausführungsbeispiel aus der Rückseite 32 des Filterkörpers 14 hervor, auch dies ist nur beispielhaft zu verstehen, auch andere Befestigungsmöglichkeiten für den Filterkörper sind denkbar.

Die dargestellten Pfeile verdeutlichen, dass die Flüssigkeit von außen allseitig durch die Außenschicht 28 und die Grundschicht 26 in den Hohlraum des Tragegerüstes 20 eindringen und durch das Rohr 12 abgeleitet werden kann.

Aus 2 ergibt sich ein beispielhafter Aufbau einer erfindungsgemäßen Wasseraufbereitungsanlage 34.

Schmutzwasser wird zunächst über eine erste Pumpe 36 angesaugt und einem Druckbehälter 38 zugeführt. Ein Kompressor 40 beaufschlagt den Druckbehälter 38 mit Druck. Innerhalb des Druckbehälters 38 sind Filterelemente 10 angeordnet, die eine entsprechende Filtration, beispielsweise eine Umkehrosmose, ermöglichen.

Das aus dem Druckbehälter 38 austretende Wasser (im Folgenden Rohwasser) wird einer Zentrifuge 42 zugeleitet oder kann zum Rückspülen des Filterelementes 10 verwendet werden.

In der Zentrifuge 42 werden weitere Festkörper, insbesondere Schwermetalle abgeschieden. Das zentrifugierte Rohwasser tritt über ein Fallrohr 43 aus der Zentrifuge 42 aus und wird an ein Belüftungselement 44 gepumpt. Das Belüftungselement 44 wird ebenfalls vom Kompressor 40 mit Luft oder Sauerstoff versorgt. Ausgehend vom Belüftungselement 44 wird das Rohwasser an eine Ultraschallvorrichtung 46 weitergeleitet. Dort werden Wirtskörper von Viren und z.B. Legionellen aufgebrochen und die Viren, Legionellen und Pilze usw. vereinzelt und vollständig freigelegt.

Das so vorbehandelte Rohwasser wird dann an erfindungsgemäßen UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 48 zugeführt. Über ein Verteilelement 50 wird das Rohwasser einer ersten Stufe einer kaskadenförmigen UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 48 zugeführt. In dieser werden die Mikroorganismen abgetötet, indem das in einer dünnen Schicht durch die Kaskade laufende Rohwasser mit UV-Licht beaufschlagt wird.

Anschließend wird das nun in Reinwasser überführte Rohwasser in einen Reinwassertank 52 geleitet. Ggf. kann das Reinwasser aus dem Reinwassertank 52 nochmals der UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 48 zugeführt werden.

3 verdeutlicht weiterhin eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Anordnung mehrerer Filterelemente 10 beispielsweise im Bodenbereich des Druckbehälters 38. Es sind Filterelemente 10 mit langen Rohren 12 und Filterelemente 10 mit kürzeren Rohren 12 vorgesehen. Die Filterelemente 10 sind derart angeordnet, dass sich im Prinzip zwei Schichten ergeben, nämlich eine vordere und eine hintere Schicht. Die Filterelemente 10 können zur Ausbildung dieser beiden Schichten beliebig angeordnet sein, 3 verdeutlicht aber eine besonders vorteilhaf- te Anordnungsmöglichkeit. Zwischen vier Filterelementen 10 mit kurzen Rohren 12 ist mittig ein Filterelement 10 mit einem langen Rohr 12 angeordnet. Dabei können die Filterkörper 14 der Filterelemente 10 mit langem Rohr 12 beabstandet von den Filterkörpern 14 der Filterelemente 10 mit kurzem Rohr 12 angeordnet sein, sie können aber auch bis auf Kontakt aufgeschoben werden.

4 zeigt eine erfindungsgemäße UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 60. Diese weist eine im Inneren aufrecht also vertikal stehende Lichtquelle 62 auf, die UV-Licht radial in alle Richtungen aussendet. Es hat sich gezeigt, dass besonders gute Wirkungen im Wellenlängenbereich zwischen 240–280 nm erreicht werden, wobei die Hauptwelle bei etwa 260 nm liegen sollte.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die röhrenförmige Lichtquelle 62 in einem Gehäuse 65 angeordnet, das ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, also ebenfalls röhrenförmig ausgeführt ist. An einer Innenwand 63 des Gehäuses 65 ist eine erfindungsgemäße kaskadenförmige Wasserführung 64 vorgesehen, die sich um die Lichtquelle 62 herum erstreckt. Die Wasserführung 64 ist vorzugsweise konzentrisch um die Lichtquelle 62 angeordnet.

Die Wasserführung 64 ist durch Kaskadenstufen 66 gebildet, die derart angeordnet sind, dass ihr Abstand zur Lichtquelle 62 von oben nach unten, also in Fließrichtung des Wassers stetig abnimmt. Das Wasser wird also auf eine oberste Kaskadenstufe 66 geleitet und fließt über deren Rand hinab auf die nächste Kaskadenstufe 66 usw.

Erfindungsgemäß weist jede Kaskadenstufe 66 vorteilhafterweise ein Stufenbecken 68 auf. Dieses ist durch einen Zwischenboden 70, eine Frontwand 72 und eine Rückwand 74 gebildet. In diesem Stufenbecken 68 wird das Wasser zunächst gesammelt, bis es über die Frontwand 72 hinüber abwärts in das Stufenbecken 68 der darunterliegenden Kaskadenstufe 66 fließt.

Die Frontwand 72 verjüngt sich vorteilhafterweise in Richtung ihres freien Endes, so dass sich eine möglichst scharfe Abrisskante ergibt. Dies führt dazu, dass der an der Frontwand 72 auf der der Lichtquelle 62 zugewandten Seite hinablaufende Wasserfilm sehr dünn ist. Dies wiederum hat den Vorteil, dass das auftreffende UV-Licht Partikel im Wasser besser erreichen kann, da diese sich nicht gegenseitig abschatten.

Je nach Ausführung der UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 60 bzw. je nach ihrer gewünschten Höhe kann es sinnvoll sein, mehrere Kaskadenabschnitte 76 vorzusehen, die aufeinander aufgestellt werden können. Diese sind entweder durch Verschweißen, Verkleben, Verschrauben, Vernieten o.ä. miteinander verbindbar, es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn diese lediglich aufeinander gestellt werden. Es muss nicht unbedingt notwendig sein, die Kaskadenabschnitte 76 fest miteinander zu verbinden.

Das sich in einer untersten Kaskadenstufe 66 befindliche Wasser fließt aufgrund eines entsprechend ausgeführten Zwischenbodens 70 nicht in Richtung der Lichtquelle 62, sondern zurück in Richtung der Innenwand 63. Eine Rückwand 74 ist auf diesen untersten Kaskadenstufen 66 nicht vorgesehen. Durch eine Öffnung 80 gelangt es dann in eine obere Kaskadenstufe 66 des darunter liegenden Kaskadenabschnitts 76.

Vorteilhafterweise können in den Beckenböden 70 Öffnungen 80 vorgesehen sein, die dazu führen, dass ein geringer Anteil des Wassers nicht über die Frontwand 72, sondern direkt durch die Öffnung 80 in das darunter liegende Stufenbecken 80 fließen kann. Dadurch wird verhindert, dass sich in den Stufenbecken 68 stehendes Wasser mit erhöhter Keimbelastung bildet.

Das Gehäuse 65 der UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 60 kann vorteilhafterweise eine Überlauföffnung 82 aufweisen, durch die das Wasser dann austreten kann, wenn es durch einen Ablauf 56, der sich im Bereich eines Bodens 44 der UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 60 befindet, nicht mehr abfließen kann.

Es hat sich gezeigt, dass eine besonders gute Wirkung des keimtötenden UV-Lichtes dann erreicht wird, wenn der Lichtquelle 62 zugewandte Flächen der Wasserführung 64 und/oder des Gehäuses 42 reflektierende Oberflächen aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass dann, wenn die Frontwand 72, die Rückwand 74 und der Zwischenboden 70 reflektierend beschichtet sind, der erreichbare Reinheitsgrad deutlich erhöht ist.

Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Stufenbecken 68 beheizbar sind, insbesondere derart, dass das zu reinigende Wasser Temperaturen von über 60° erreicht, um somit die Keimtötung weiter zu unterstützen.

Die Stufenbecken 68 weisen vorteilhafterweise einen schräg geneigten Zwischenboden 70 auf, der in Richtung der Lichtquelle 62 abfällt. Dadurch ist gewährleistet, dass das Wasser stets in Richtung der Lichtquelle 62 und über die Frontwand 72 strömen kann. Entsprechend sind die Öffnungen 80 in den Beckenböden 70 im Bereich der Frontwände 72 angeordnet.

Das Stufenbecken kann aus verschiedenen geeigneten Materialien hergestellt sein. Erfindungsgemäß bietet sich aber eine Ausführung aus Keramik oder Ton oder einem anderen Naturstoff an. Keramik oder Ton ist kostengünstig und kann oftmals auch in Ländern der dritten Welt verarbeitet werden. Selbstverständlich ist auch eine Ausführung aus Stahl oder Aluminium für geeignet.

5 zeigt eine zweite Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 48. Das eingeleitete Rohwasser wird ebenfalls über ein Verteilelement 50 in eine kaskadenförmige UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 48. Innerhalb des Gehäuses sind im Wesentlichen horizontal ausgerichtete Zwischenböden 90 untereinander angeordnet. Das Rohwasser gelangt zunächst auf einen Zwischenboden 90 und fließt in Pfeilrichtung entlang des Zwischenbodens 90 bis zu seinem freien Ende. Dort fällt es herab auf den nächsten Zwischenboden 90 und fließt in die entgegengesetzte. Richtung, ebenfalls bis zum freien Ende dieses Zwischenbodens 90. Die Zwischenböden 90 sind zu diesem Zweck entsprechend abfallend angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Lichtquellen 62 gezeigt, die sich parallel zu den Zwischenböden 90 erstrecken. Die Zwischenböden 90 sind vorteilhafterweise aus einem UV-Licht durchlässigem Material gefertigt, so dass das Rohwasser sowohl von unten als auch von oben mit UV-Licht beaufschlagt wird.

Die gesamte Wasseraufbereitungsanlage 34 kann derart ausgeführt sein, dass sie problemlos auf einer Europalette transportierbar ist. Es hat sich aber auch gezeigt, dass die gesamte Wasseraufbereitungsanlage 34 derart klein ausgeführt sein kann, dass sie bequem als Küchengerät, beispielsweise in der Größe einer Mikrowelle, einsetzbar ist. Je nach Auswahl geeigneter Materialien, kann sie auch derart leicht ausgeführt sein, dass sie in Koffergröße in entsprechenden Regionen mitgeführt werden kann. Die Abmessung kann in jeder Richtung weniger als 1m betragen.

Die Lichtquelle 62 benötigt 60 W. Die gesamte Energie kann entweder durch Ausnutzung von Sonnenenergie, durch Muskelkraft, beispielsweise durch Antreiben eines Dynamos, oder durch Ausnutzung von Strömungsenergie der genutzten Wasserquelle gedeckt werden.

Um einen problemlosen Betrieb der Wasseraufbereitungsanlage 34 bzw. der UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung 48 zu gewährleisten, kann es je nach Ausführung notwendig sein, dass die jeweiligen Geräte in der Horizontalen ausgerichtet sind.

Dies kann mit Hilfe entsprechender Messgeräte erreicht werden, wobei höhenverstellbare Füße vorgesehen sein können. Auch ist es möglich, die gesamte Wasseraufbereitungsanlage oder auch nur die UV-Licht-Aufbereitungsvorrichtung an einer Art Galgen zentral aufzuhängen.

Alle Komponenten der Wasseraufbereitungsanlage 34 sind äußerst einfach zu bedienen und weisen aufgrund der wenigen bewegten Teile eine sehr lange Lebensdauer auf. Somit eignet sich die Wasseraufbereitungsanlage 34 hervorragend für einen Einsatz in Gebieten, in denen langfristig Wasserknappheit vorherrscht, und in denen Fachpersonal nicht ohne weiteres verfügbar ist.