CH688513A5 - Membrantrennverfahren zur Reinigung von Wasser. - Google Patents

Description

  
 



  Die Erfindung betrifft ein Membrantrennverfahren sowie zugehörige Vorrichtungen zur annähernd verlustfreien Reinigung von wässrigen Lösungen, insbesondere zur praktisch abwasserfreien Gewinnung von Reinwasser mittels Ultrafiltration, Nanofiltration oder Umkehrosmose. 



  Bei der Membranfiltration werden wässrige Lösungen als Rohwasser auf eine Membran geleitet und an dieser entlang geführt. Steht auf der Rückseite der Membran ein geringerer Druck an, so wandert Wasser durch die Membran. Dabei lässt es den Grossteil der in ihm gelösten Inhaltsstoffe zurück und wird dadurch zu Reinwasser. Der Volumenstrom des Rohwassers wird somit reduziert, nachdem er der Membran entlang geströmt ist, und verlässt diese als sogenanntes Retentat mit einer gegenüber dem Rohwasser höheren Konzentration an Inhaltsstoffen. 



  Für die zuverlässige Betriebsweise einer Membranfiltration ist es entscheidend, dass die Konzentration von Inhaltsstoffen, die im Retentat nicht unbeschränkt löslich sind, bestimmte Werte nicht überschreiten, um eine Belegung der Membran mit Präzipitat zu vermeiden. Diese Einschränkung limitiert die zulässige Aufkonzentrierung des Retentats, d.h. das Verhältnis der Reinwasserrate zur Rohwasserrate, welches als WCF (water conversion factor) bezeichnet wird. Die Betriebssicherheit einer Membranfiltrationsanlage sinkt mit steigendem Konversionsfaktor. Auf der anderen Seite verlangen steigende Wasserkosten eine bessere Nutzung des Wassers, d.h. Anlagen, die mit dem kleinstmöglichen Abwasseranfall und dazu mit dem maximal möglichen WCF arbeiten. 



  Diese Voraussetzungen führen dazu, dass Anlagen grösserer Leistungen, die, obwohl sie mit konstanter Leistung betrieben werden, unter grossem Steuerungs- und Überwachungsaufwand nahe dem maximal zulässigen WCF betrieben werden, wogegen Kleinanlagen, bei denen die Kosten der vor Belegung zu schützenden Membran weniger ins Gewicht fallen, in einfachster Technik mit variablem WCF betrieben werden und dabei häufig den für einen störungsfreien Betrieb zulässigen WCF überschreiten. 



  Die Wassereinsparung wird bei der Wasserreinigung mittels Membrantrennverfahren dann nicht mehr relevant, wenn das Retentat noch für Verwendungszwecke eingesetzt werden kann, die an die Qualität des Wassers geringere Ansprüche stellen, d.h. wenn das Reinwasser aus Rohwasser gewonnen werden kann, das ohnehin von Verbrauchern konsumiert wird, die auch mit Wasser einer etwas geringeren Qualität versorgt werden können. Dazu wird bei Anlagen grösserer Leistungen das Retentat zwischengelagert und mittels Pumpen und einem separaten Verteilsystem zu seinen Verbrauchern geführt. Für kleinere Leistungen sind mehrere Vorrichtungen bekannt, die aber alle mit variablem, und auch zumindest zeitweise mit "verbotenem" WCF betrieben werden, und bei denen das Reinwasser auch nicht mit der gewünschten Konstanz des Druckes zur Verfügung steht. 



  Ein Verfahren und zugehörige Vorrichtungen, bei dem ein zeitlich variabler Rohwasserstrom bei annähernd konstantem WCF aufgeteilt wird in einen Reinwasserstrom und einen weniger reinen Brauchwasserstrom, ist bekannt aus der EP-A 0 600 825. Wiewohl diese Einrichtung die Aufgabe löst, die Separation eines Rohwasserstroms in einen Reinwasserstrom und einen Brauchwasserstrom unter Vermeidung von Wasserverlusten und mit günstigem Konversionsfaktor zu realisieren und daher als eine Bereicherung zum Stand der Technik angesehen werden kann, wurde nunmehr gefunden, dass eine weitere, besonders vorteilhafte Schaltung existiert, welche die gleiche Aufgabe in besserer Weise löst.

  Die Erfindung löst dabei auch die Aufga benstellung, gemäss der die Anzahl benötigter Armaturen sowie der Aufwand an Mess- und Steuertechnik möglichst klein sein sollte, und weiterhin, dass an Zapfstellen für Brauchwasser und für Reinwasser praktisch derselbe Druck herrschen sollte, wie in der Rohwasser-Zuleitung. Die Vorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb sollen kostengünstig sein und ausserdem soll die Produktion von nicht weiter verwendetem Abwasser minimal sein. 



  Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäss dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 bis 5 sowie Vorrichtungen gemäss dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 11 bis 14. 



  Das erfindungsgemässe Verfahren umfasst einen grossen Anwendungs- und Leistungsbereich. 



  Die grosse Breite seines Anwendungsbereichs ergibt sich aus der Vielzahl der in natürlichem Wasser und in Trinkwasser enthaltenen Inhaltsstoffe und den vielfältigen Verwendungszwecken des Wassers und ihren immer höheren Anforderungen an die Qualität des Wassers. In der Regel wird das erfindungsgemässe Verfahren entweder zur Reinigung von Wasser zwecks seiner Aufbereitung zu Trinkwasser oder zur weitergehenden Reinigung von Trinkwasser zwecks seiner Nachbehandlung für spezifische technische Verbraucher eingesetzt. 



  In der Labortechnik werden Kleingeräte mit Leistungen um 1 bis 50 l/h eingesetzt und in der Haustechnik, z.B. in Gemeinschaftsverpflegungsstätten und Spitälern, kommen Anlagen mit Leistungen zwischen rund 50 und 5000 l/h und Tagesleistungen zwischen ca. 100 und 50 000 Litern zum Einsatz. Aber auch für noch grössere Leistungen kann das erfindungsgemässe Verfahren Vorteile bieten, denn je grösser die zu behandelnde Wassermenge ist, desto bedeutender werden die Abwasserkosten. 



  Die Erfindung wird näher erläutert anhand der Fig. 1, welche eine Schaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Nachbehandlung von Trinkwasser darstellt. 



  An der Rohwasserleitung 10, die vom Rohwasseranschluss 1 bis zur Leitungsverzweigung 5 führt, ist bei der Leitungsverzweigung 3 die Rohwasserspeiseleitung 11 zur Membran 24 (darunter soll generell eine in einem druckfesten Membranmodul eingebaute Membran oder eine Gruppe von solchen Membranmoduln verstanden werden) angeschlossen, die über eine optionale Vorreinigungsstufe 21 (Filter, Enthärtungsanlage etc.) und die Pumpe 22 zur Membran 24 führt. Die Pumpe 22 erhöht den Druck des Rohwassers um den zur Reinwassergewinnung notwendigen transmembranen Druckunterschied in der Grössenordnung von 5 bis 30 bar.

  Das Retentat, welches die Membran 24 verlässt, strömt über die Retentatleitung 12, die Restriktion 25, die den durch die Pumpe 22 aufgebauten Druck wieder auf den Rohwasserdruck reduziert und eine optionale Retentatnachbehandlungsstufe 26 (z.B. eine Entkalkungsstufe) zur Verzweigungsstelle 5. Das an dieser Stelle durch Mischung von Retentat mit mehr oder weniger Rohwasser sich bildende Brauchwasser fliesst über die Brauchwasserleitung 15 zu den Brauchwasserzapfstellen 7.

   Das durch die Membran 24 gepresste Reinwasser fliesst über die optionale Nachbehandlungsstufe 27, welche für Enthärtung, Entsalzung, Entkeimung und dergleichen vorgesehen werden kann, über die Reinwasserleitung 13 zu den Reinwasserzapfstellen 9 und ist an der Leitungsverzweigungsstelle 17 mit dem Reinwasserspeicher 28 verbunden, der an der seinem Reinwasseranschluss entgegengesetzten Seite über die Druckausgleichsleitung 14 mit der Leitungsverzweigungsstelle 4 in der Rohwasserleitung 10 verbunden ist. 



  Die Förderleistung und die Förderhöhe der Pumpe 22 werden mittels der Restriktion 25, die wahlweise fest oder verstellbar ausgeführt wird, so einreguliert, dass der für die Membran 24 optimale Konversionsfaktor resultiert. Die Pumpe wird mittels der Durchflussmessvorrichtung 23 nur in Betrieb genommen,  wenn der Rohwasserdurchfluss an der Messstelle 2 einem minimalen Wert, mindestens der Rohwasserzuflussrate zur Membran 24, entspricht, die sich durch die Einregulierung von Pumpe 22 und die Restriktion 25 ergibt. Damit wird in Abhängigkeit des Rohwasserzuflusses oder gleichbedeutend in Abhängigkeit der Summe des Brauchwasserkonsums und des Reinwasserkonsums Reinwasser produziert. 



  Das produzierte Reinwasser fliesst zu den Reinwasserzapfstellen 9. Wird an diesen weniger Reinwasser gezapft als produziert wird, fliesst der Reinwasserüberschuss in den Speicher 28 und verdrängt daraus Rohwasser über die Druckausgleichsleitung 14 zurück in die Rohwasserleitung 10. Schliesslich, wenn dieser Betriebszustand länger andauert und der Speicher mit Reinwasser gefüllt ist, fliesst Reinwasser nach und vermischt sich mit dem Brauchwasser. Wenn anderseits Reinwasser an den Zapfstellen 9 nur in einer Momentanmenge entnommen wird, die zur Inbetriebnahme der Pumpe 22 nicht ausreicht, fliesst umgekehrt Rohwasser über die Druckausgleichsleitung 14 in den Reinwasserspeicher 28 und verdrängt Reinwasser daraus. 



  Eine wichtige Funktion des Reinwasserspeichers 28 ist im erfindungsgemässen Verfahren der Druckausgleich zwischen der Brauchwasserleitung 15 und der Reinwasserleitung 13 über die Druckausgleichsleitung 14. Brauchwasserleitung 15 und Reinwasserleitung 13 stehen damit praktisch unter dem Druck unter dem das Rohwasser an seinem Anschluss 1 zur Verfügung steht. 



  Der nutzbare Inhalt des Reinwasserspeichers 28 richtet sich nach dem Programm des Reinwasserkonsums, in der Regel nach dem grössten innerhalb einer kurzen Periode zu erwartenden Bedarf. Wenn im Spezialfall immer nur soviel Reinwasser konsumiert wird, wie gleichzeitig produziert wird, kann der Reinwasserspeicher 28 sich auf den Inhalt der Druckausgleichsleitung 14 reduzieren, die nur noch den Druck in der Reinwasserleitung 13 halten muss. 



  In der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird der Reinwasserspeicher 28 ohne Trennvorrichtung zwischen den beiden Wasserqualitäten verwendet. Durch geeignete Formgebung des Speichers und durch über den ganzen Speicherquerschnitt möglichst gleichmässige Einführung und Entnahme des Wassers werden Pfropfenströmungen angestrebt, bei denen sich Reinwasser und Brauchwasser nicht nennenswert vermischen. Im Rahmen der Erfindung ist damit aber nicht ausgeschlossen, dass für Anwendungen, die eine vollständige Trennung der beiden Wasserqualitäten erfordern, die bekannten handelsüblichen Speicher mit flexiblen, wasserundurchlässigen Trennfolien eingesetzt werden. 



   Wenn der Brauchwasserkonsum nicht immer ausreicht, um die benötigte Reinwassermenge zu produzieren,und es verhindert werden soll, dass Rohwasser über die Druckausgleichsleitung 14 zu den Reinwasserzapfstellen gelangt, kann der Brauchwasserfluss durch grosszügigere Versorgung von Brauchwasserverbrauchern, die daraus Nutzen ziehen, wie z.B. Kühlanlagen, Zierteiche etc., oder ausnahmsweise auch durch Ableitung in den Abwasserkanal erhöht werden. Diese zusätzliche Brauchwasseroder Abwasserproduktion kann über eine Leitfähigkeitsmessvorrichtung 29, 30, die den Füllgrad des Reinwasserspeichers 28 erfasst, und die damit gesteuerte Armatur 31 kontrolliert werden. Die Armatur 31 kann in Kombination mit der Durchflussmessvorrichtung 2, 23 so geregelt werden, dass der Rohwasserzufluss gerade ausreicht, um die Pumpe 22 in Betrieb zu halten. 

Claims (13)

1. Membrantrennverfahren zur Reinigung von Rohwasser mittels eines Membranmoduls, welches mit einer Zuleitung für Rohwasser, einer Entnahmeleitung für Retentat und einer Entnahmeleitung für Reinwasser versehen ist, und unter Verwendung eines Reinwasserspeichers, womit ein zeitlich variabler Rohwasserstrom aufgeteilt wird in einen Reinwasserstrom, der für Zwecke bestimmt ist, die höhere Anforderungen an die Reinheit des Wassers stellen, und einen weniger reinen Brauchwasserstrom, der für weniger anspruchsvolle Zwecke bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer dem Membranmodul (24) vorgeschalteten Pumpe (22) und einer dem Membranmodul (24) nachgeschalteten Restriktion (25) über dem Membranmodul (24) eine transmembrane Druckdifferenz aufgebaut wird zur Gewinnung von Reinwasser aus Rohwasser.

2.

Membrantrennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (22) nur dann aktiviert wird, wenn der Rohwasserzufluss dem eingestellten Fördervolumen der Pumpe (22) entspricht oder grösser ist.

3. Membrantrennverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreiten des Reinwasserfüllgrads im Reinwasserspeicher (28) unter einen vorgegebenen Grenzwert eine Brauchwasserableitarmatur (31) mindestens soweit geöffnet wird, dass die für die Inbetriebnahme der Pumpe (22) notwendige Mindest-Rohwasserzuflussrate erreicht wird.

4.

Membrantrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Reinwasser und Brauchwasser mit praktisch demselben Druck zur Verfügung gestellt werden, mit dem das Rohwasser zur Verfügung steht, unter Verwendung eines Reinwasserspeichers (28), welcher über eine Druckausgleichsleitung (14) mit der Rohwasserleitung (10) und der Brauchwasserleitung (15) in Verbindung steht.

5. Membrantrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb des Reinwasserspeichers (28), insbesondere beim Einleiten von Rohwasser oder Reinwasser keine oder nur eine geringe Vermischung separat vorhandener Wasserqualitäten stattfindet.

6. Membrantrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohwasserspeiseleitung (11) zur Membran (24) Wasserbehandlungseinrichtungen (21) betrieben werden.

7.

Membrantrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reinwasserleitung (13) Wassernachbehandlungsvorrichtungen (27) betrieben werden.

8. Membrantrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Retentatleitung (12) Wasserbehandlungsvorrichtungen (26) betrieben werden.

9. Membrantrennverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Brauchwasser eine Mischung aus Retentat und Rohwasser abgegeben wird.

10.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit mindestens einem Membranmodul und einem Reinwasserspeicher, gekennzeichnet durch eine Rohwasserleitung (10) und einer von dieser abzweigenden Rohwasserspeiseleitung (11), welche an den Saugstutzen einer Pumpe (22) angeschlossen ist und welche vom Druckstutzen der Pumpe (22) zu einem ersten primärseitigen Anschluss eines Membranmoduls (24) führt, von dessem zweiten primärseitigen Anschluss eine Retentatleitung (12) zu einer Restriktion (25) und ausgehend von dieser zum Endpunkt der Rohwasserleitung (10) führt, der gleichzeitig den Anfangspunkt der Brauchwasserleitung (15) darstellt, und eine sekundärseitig an das Membranmodul (24) angeschlossene Reinwasserleitung (13),

die zu Reinwasserzapfstellen führt und die über eine Verzweigungsstelle (17) an den Anschluss eines Reinwasserspeichers (28) angeschlossen ist, der an der diesem Anschluss gegenüberliegenden Seite über eine Druckausgleichsleitung (14) mit einer Verzweigungsstelle (4) der Rohwasserleitung (10) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (22) durch ein Durchflussmessgerät (23) mit einem in der Rohwasserleitung (10) vor der Abzweigung (3) für die Rohwasserspeiseleitung (11) angebrachten Sensor (2) bei einer grösseren als einer vordefinierten Durchflussrate in Betrieb setzbar ist und bei Absinken der Durchflussrate unter diesen oder einen geringfügig tieferen Wert diese Pumpe abschaltbar ist.

12.

Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinwasserspeicher (28) mit einer Leitfähigkeitsmesssonde (29) ausgerüstet ist zur \ffnung einer Brauchwasserableitarmatur (31) mittels des Leitfähigkeitsmessgerätes (30), wenn der Füllgrad des Reinwasserspeichers (28) mit Reinwasser unter einen vorgegebenen Wert abgesunken ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer in der Rohwasserspeiseleitung (11) befindlichen Wasservorreinigungsvorrichtung (21) oder einer in der Reinwasserleitung (13) befindlichen Wassernachbehandlungseinrichtung (27) oder einer in der Retentatleitung (12) befindlichen Wasserbehandlungsvorrichtung (26).