Verfahren zur Reinigung von Oberflächenwasser und Betriebswasser durch Klärung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klärung von Oberflächenwasser bzw. Betriebswasser, wodurch Trinkwasser hergestellt werden bzw. Betriebswasser vor dem Abfliessenlassen behandelt werden kann.
Die Erhöhung der Kapazität und Wirtschaftlichkeit der bekannten Wasserklärungssysteme vertikaler Strömung stellt eine wichtige technische Aufgabe dar. In der Praxis kommt es oft vor, dass die Menge des gereinigten Wassers nach Bedarf geregelt werden muss, und die bekannten Verfahren sind zur Regelung des Wasserdurch satzes nicht genügend ausreichend geeignet. Eine andere wichtige Aufgabe ist, die verwendeten relativ toxischen und kostspieligen synthetischen Chemikalien bei der Trinkwasserherstellung zu beseitigen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt einerseits die Ausarbeitung einer neuen Methode zur Klärung von Oberflächenwasser und Betriebswasser mittels eines Verfahrens, welches wirtschaftlicher als die bekannten Verfahren ist. Die neue Methode ermöglicht ferner, den Wasserdurchsatz jeweils dem Wasserbedarf anzupassen und gleichzeitig die bei der Wasserklärung verwendeten synthetischen Polyelektrolyte durch billigere Stoffe natürlicher Herkunft zu ersetzen.
Das vorliegende Verfahren zur Reinigung von Oberflächenwasser und Betriebswasser durch Klärung unter Verwendung von dreiwertigen Metallsalzen ist dadurch gekennzeichnet, dass die Klärung des zu reinigenden Rohwassers in Gegenwart von dreiwertigen Metallsalzen und eines festen körnigen Klärhilfsmittels mit einer Korngrösse von 10 bis 200 Mikron und einer spezifischen Oberfläche von 100 bis 500 cm%g durchgeführt wird, worauf nach Gewinnung des gereinigten Wassers das Klärhilfsmittel von in den im Rohwasser enthaltenen Fremdstoffen abgeschieden und gegebenenfalls im Wasserklärungssystem in Zirkulation gehalten wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens sieht vor, dass die Klärung des zu reinigenden Rohwassers in Gegenwart von dreiwertigen Metallsalzen und einem festen körnigen Klärhilfsmittel der definierten Korngrösse und spezifischen Oberfläche sowie von Stoffen natürlicher Herkunft und von höherem Molgewicht durchgeführt wird. Als Klärhilfsmittel wird ein fester, bevorzugt mineralartiger Stoff verwendet, dessen Korngrösse 10-200 Mikron, spezifische Oberfläche 100-500 cm$!g beträgt (nach Lea Nurse).
Als Klärhilfsmittel wird vorzugsweise Quarzsand entsprechender Korngrösse verwendet.
Eine günstige Ausführungsart zur Trennung der im Rohwasser enthaltenen Fremdstoffe von den festen körnigen Klärhilfsmitteln ist die Verwendung einer Hydrozyklonbatterie.
Als Stoffe natürlicher Herkunft und von höherem Molgewicht werden vorzugsweise Karboxymethyl-Stärken, Alginate oder Pektine verwendet. Die Menge des Klärhilfsmittels wird im allgemeinen innerhalb der Grenzwerte von 0,1 und 15 g/l eingestellt.
Der Erfindung liegt jene Erkenntnis zugrunde, dass der stabile, von Qualftätsschwankungen freie Betriebsgang der Wasserklärungsreaktoren bzw. Wasserreinigungsanlagen durch die Gegenwart des zusammen mit den traditionellen, wasserklärenden Chemikalien beigemengten und auf optimale Konzentration eingestellten, körnigen, mineralartigen Hilfsstoffen gesichert wird, welcher Stoff fast verlustfrei zurückgewonnen werden kann. Nebst Sicherung der gleichmässigen Qualität wurde überraschenderweise festgestellt, dass mittels Kombination der anorganischen, hydrolysierenden Metallsalze und eines körnigen, mineralartigen Hilfsstoffes, z.B.
Quarzsandes, die Kapazität, d. h. die Leistung, der bekannten Wasserreinigungsanlagen um 100-120 % erhöht werden kann. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht bei günstigen Selbstkosten die gute Ausnützung des Wasserwerkes und sichert gleichzeitig auch, dass im Falle zunehmenden Wasserbedarfes durch die Anwendung von weiteren Zusatzstoffen natürlicher Herkunft vom Polysaccharid-Typ die Leistung des Wasserwerkes mit einfachen Mitteln erhöht bzw. geregelt werden kann.
Hinsichtlich der Flockungswirkung kommen die Polysaccharid-Produkte auf natürlicher Rohstoffbasis der Wirkung der synthetischen Chemikalien, z. B. vom Polyakryl-Typ, nahe oder übertreffen diese, wobei sie hinsichtlich Hygiene - den strengsten Vorschriften entsprechen.
Es wurden die folgenden Verbindungs gruppen vom Polysaccharid-Typ zwecks Steigerung der Flockungswir- kung verwendet:
Alginate (Polyalginsäure und deren Salze, z. B. Ca-,
Na-, K- und NH-Salze)
Zellulose-Derivate:
Karboxymethylzellulose (CMC) und deren Säure amid
Zellulosephosphat
Zellulosesulfat
Stärke-Derivate:
Karboxymethyl-Stärke und deren Säureamid
Stärke-Sulfat
Stärke-Phosphat
Pektin (Polygalakturonsäure und deren Derivate)
Ausser all diesen Verbindungen üben natürlich auch sonstige Polysaccharid-Derivate eine ähnliche Wirkung aus, vorausgesetzt, dass ihre funktionellen Gruppen mit den erwähnten identisch sind. Ausser den Verbindungen vom Polysaccharid-Typ wirken auch Leim und Gelatine günstig.
In den folgenden Versuchen wurde die Wirksamkeit des erfindungsgemässen Verfahrens mit bekannten Verfahren verglichen.
Bei Versuchen wurde die folgende Verbindung vom Polysaccharid-Typ erzeugt: Kartoffelstärke wurde mittels 30 % iger Natriumhydroxydlösung behandelt und die gewonnene Lösung mit Monochloressigsäure oder mit dem Natriumsalz derselben in Reaktion gebracht, und der somit gewonnene Stärke-Äther (Karboxymethylstärke) wird als Zusatzmittel verwendet. In ähnlicher Weise kann Karboxymethylzellulose durch die Reaktion von Natronzellulose und Monochloressigsäure erzeugt werden.
Die Klärungsproben wurden laut Vorschriften des Jar-Testes durchgeführt: in elf Gläser, die mit Rührwerken veränderlicher, niedriger Drehzahl versehen waren, wurde je 1 Liter rohes Donauwasser eingemessen.
Den mit Nummern 1-11 bezeichneten Proben wurden Chemikalien und Hilfsstoffe laut der untenfolgenden Tabelle beigemengt: Probe Nr. 1: rohes Donauwasser, ohne Chemikalien Probe Nr. 2: 30 mg/1 Aluminiumsulfat Probe Nr. 3: 30 mg/1 Aluminiumsulfat, 5 mg/l Ferri chlorid, 1,5 mg/1 Stärke-Äther Probe Nr. 4: 30 mg/l Aluminiumsulfat, 5 mg/l Ferri chlorid, 1,8 mg/l Stärke-Ather Probe Nr. 5: 30 mg/l Aluminiumsulfat, 5 mgp Ferri chlorid, 2 mg/t Stärke-Äther Probe Nr. 6: 30 mg/l Aluminiumsulfat, 5 mg/l Ferri chlorid, 2,2 mg/l Stärke-Äther Probe Nr. 7:
30 mg/l Aluminiumsulfat, 5 mg/l Ferri chlorid, 2,5 mgp Stärke-Äther Probe Nr. 8: 30 mg/i Aluminiumsulfat, 5 mg/1 Ferri chlorid, 1,7 mg/l Stärke-Äther sowie
4 g/l 20-100 Mikron Korngrösse auf weisender Quarzsand Probe Nr. 9: 30 mg/l Aluminiumsulfat, 0,2 mg/l Poly akrylamid, 4 g/l 20-100 Mikron Korn grösse aufweisender Quarzsand Probe Nr. 10: 40 mg/l Aluminiumsulfat, 4 g/l 20 bis
100 Mikron Korngrösse aufweisender
Quarzsand Probe Nr. 11: 30 mg/i Aluminiumsulfat, 5 mgp Ferri chlorid, 1 mg/i Alginat, 4 g/l 20-100
Mikron Korngrösse aufweisender Quarz sand.
Die Qualität (der Schwebstoffgehalt) des Rohwassers sowie die Qualität (Reinheit) der in verschiedener Weise behandelten Versuchsproben wurden mit einem mit Trübungsmessaufsatz versehenen Pulfrichphotometer gemessen und die Resultate in relativem Trübungsgrad angegeben. Der Trübungsgrad des Ausgangsrohwassers betrug 110. Die aus 11 Proben bestehende Serie wurde während 2 Minuten mittels Schnellumrührung und danach während 13 Minuten mittels langsamer Umrührung (50-60 U./Min.) konditioniert und 30 Minuten lang vorschriftsmässig - zwecks Absetzung - stehengelassen.
Nach Ablauf der Setzungsdauer war die Trübung der einzelnen Proben wie folgt:
Probe Nr. 1: 106
Probe Nr. 2: 47
Probe Nr. 3: 32
Probe Nr. 4: 30
Probe Nr. 5: 25
Probe Nr. 6: 17
Probe Nr. 7: 18
Probe Nr. 8: 10
Probe Nr. 9: 8
Probe Nr. 10: 36
Probe Nr. 11: 10
Eine ebensolche Versuchsserie wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren durchgeführt, mit dem Unterschied, dass anstatt Stärke-Äther Tylose bzw. handels übliche Karboxymethylzellulose und Alginat verwendet wurden. Die Ergebnisse stimmen praktisch mit den in der Tabelle enthaltenen Werten überein, mit der Abweichung, dass die optimale Menge an Karboxymethyl Zellulose 6 mg/l und diejenige an Alginat 1 mg/l betrug.
Auf Grund der Versuche ist festzustellen, dass eine während einer kurzen Verweilungsdauer stattfindende Schneliklärung mittels des erfindungsgemässen Verfahrens gesichert werden kann.
Bei der Probe Nr. 8 wurde ferner wahrgenommen, dass die Flockenbildung recht schnell vor sich geht und die zur Aufwärtsströmung neigenden Flocken von geringem spezifischem Gewicht sich auf die Wirkung von Quarzsandzusatz in sehr kurzer Zeit (innerhalb einer Minute) am Boden des Versuchsgefässes absetzen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wurde im induseriellen Massstab in der folgenden Weise durchgeführt: der Durchmesser des verwendeten Reaktors mit Ver tikalströmung und mit Kontaktschlamrnfilter (modifizierter Reaktor vom Graver-Typ) beträgt 17 m, sein Raumgehalt 1100 m3. Im Laufe des Betriebsversuches wurden 35 mgp Aluminiumsulfat, 5-7 g/m3 Ferrichlorid und 1,8 g/m3 Stärke-Äther zugemengt. Der Zusatz des Stärke-Äthers erfolgte in Form einer 1 % eigen Lösung.
Bei den Versuchen war der Trübungsgrad des eingesetzten Rohwassers annähernd 100, derjenige des ge lclärten Wassers annähernd 15. Der Trübungsgrad des filtrierten Wassers war 4. Die Leistung der Kläranlage betrug 36000 m3/Tag. Der Reaktor wurde mit einer Sandpumpe und einer Hydrozyklonbatterle versehen, und der eingeführte Quarzsand wurde im Kreislauf geführt. Die in der Kläranlage zirkulierende Quarzsand- menge betrug 8 Tonnen. In derselben Anlage wurden Versuche auch mit Alginatzusatz durchgeführt, und zwar wurden 1 g/m3 Alginat, 35 g/mS Aluminiumsulfat, 5 g/m3 Ferrichlorid und 8 Tonnen Quarzsand in der Klärungsanlage in Zirkulation gehalten. Die Leistung der Kläranlage betrug hierbei auch 36 000 ma/Tag.
Der Trübungsgrad des geklärten Wassers schwankte zwischen 13 und 20, der Trübungsgrad des Filterwassers war 4. Es ist zu bemerken, dass die obige Kläranlage, nach der bekannten Technologie betrieben (mit- tels Aluminiumsulfat und ohne Quarzsand), täglich nur 8-10 000 m3 Wasser erzeugte.
Ein weiterer Betriebsversuch wurde auch durchgeführt, um feststellen zu können, welche Leistung in der obigen Anlage durch Zusatz von Aluminiumsulfat- und Ferrichlorid-Chemikalien mittels Quarzsandzirkulation, ohne Beimengen von Polyelektrolyt, erreichbar sei. Im Laufe des Versuches wurde Wasser ebensolcher Qualität gewonnen, wie oben beschrieben, wobei die erzielbare Höchstleistung 24 000 m8/Tag betrug.