DE10001737C1

DE10001737C1 - Vorrichtung zur Wasseraufbereitung

Info

Publication number: DE10001737C1
Application number: DE2000101737
Authority: DE
Inventors: Mohan Noronha; Horst Chmiel; Valko Mavrov
Original assignee: UMWELTKOMPATIBLE PROZESTECHNIK
Current assignee: UMWELTKOMPATIBLE PROZESTECHNIK
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-01-18

Abstract

Das Patent betrifft eine Vorrichtung für eine Fest/Flüssig-Phasentrennung zur Aufbereitung von verunreinigten Flüssigkeiten, insbesondere Oberflächen- oder Grund- oder Prozeßwasser (siehe Abbildung). DOLLAR A Zunächst erfolgt eine Siebung des Wassers, um grobe Partikel, Schwebstoffe und dergleichen abzutrennen. Eine an sich bekannte alkalische Kalk-Konditionierung geschieht ohne vorgeschaltete Reaktionsbecken, in denen üblicherweise unter Zugabe von Lauge (NaOH), Koagulanten (Eisensalze) und Flockungshilfsmitteln die Ausfällung von mehrwertigen Metallhydroxiden und Metallcarbonaten bei einem pH-Wert > 10 erfolgt. Hierbei werden die Chemikalien direkt in die Rohrleitung dosiert. Dadurch entfallen die Reaktionsbecken, insbesondere das dem Sedimentationsbecken unmittelbar vorgeschaltete Becken, in dem durch Zugabe von Flockungshilfsmitteln bewußt Makroflocken gebildet werden sollen, die kürzere Absetzzeiten aufweisen. Gleichzeitig erfolgt eine Adsorption von Silikaten und organischen Kolloiden an den Mikroflocken aus CaCO¶3¶, Magnesium- und Eisenhydroxid. DOLLAR A Die in der Rohrleitung gebildeten Mikroflocken werden in einer gesonderten Vorrichtung von dem Wasser abgetrennt. Die Vorrichtung besteht aus einem zyklonartigen Gehäuse, in dem Rohr- oder Kapillarmembranen axial angeordnet sind. Durch den tangentialen Einlaß in das Gehäuse kommt es zu einer Ausbildung einer Kreisströmung. Die Partikelverteilung nimmt in Richtung der Gehäusewand zu. Durch die Fliehkraft werden die Partikel in ...

Description

Das Patent betrifft eine Vorrichtung für eine Fest/Flüssig-Phasentrennung zur Aufbereitung von verunreinigten Flüssigkeiten, insbesondere Oberflächen- oder Grund- oder Prozeßwasser.

Das in der Regel zur Verfügung stehende Wasser enthält neben suspendierten, d. h. ungelösten anorganischen und organischen Bestandteilen zahlreiche gelöste ein- und mehrwertige Ionen. Die Verwendung solcher Wässer in der Technik als Prozeßwässer setzt daher die Reduzierung dieser ungelösten und gelösten Verunreinigungen auf unkritische Werte im jeweiligen Zuläs sigkeitsbereich voraus.

Bei der Erreichung bestimmter meist vorgegebener Wasserqualitäten haben sich Membran verfahren in vielen Anwendungsfällen aufgrund der selektiven Wirkung etabliert. Die Wirt schaftlichkeit und Verfügbarkeit der Membranverfahren ist dabei um so höher einzuordnen, je besser die Zulaufqualität ist. Daher hat der vorgelagerte Prozeßschritt, die sogenannte Vorbe handlung, einen entscheidenen Einfluß auf die Betriebsstabilität und damit die Wirtschaftlich keit des Membranverfahrens.

Stand der Technik bei der Vorbehandlung

Die Vorbehandlung von Oberflächenwasser, wie z. B. Talsperren- oder Flußwasser setzt sich in der Regel aus mehreren Separationsschritten zusammen. Das Flußwasser wird zunächst über Rechen und Schwerkraftkiesfilter grob gereinigt. Danach erfolgt häufig eine Fällung mit einer Dosierung von Koagulanten sowie eine Kalk-Konditionierung zur Entcarbonisierung und Teilenthärtung durch Zugabe von Alkalien - zumeist Kalkmilch Ca(OH)₂ - (Schnellent carbonisierung). Dabei werden Metallhydroxide und Calciumcarbonat zum größten Teil aus gefällt. Gleichzeitig erfolgt eine Mitfällung organischer Kolloide durch Adsorption. Die Ab sinkzeit der gefällten Carbonate und Hydroxide läßt sich durch die Zugabe von Flockungs mitteln, z. B. organischer Polyelektrolyte verbessern. Der Sedimentation nachgeschaltet ist eine Bettfiltration zur Entfernung der Resttrübe. Die Vorbehandlung schließt mit einem Fein filter (ca. 1-5 µm Porenweite) ab.

Bei einem bekannten Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser erfolgt anstatt des Bettfil ters eine Mikro-/Ultrafiltration [1]. Damit können Resttrübe bzw. kolloidal gelöste Stoffe zuverlässig zurückgehalten werden. Die in der Prozeßwasseraufbereitung oftmals verwendete Umkehrosmose zeigt dabei aufgrund der gegenüber der Bettfiltration verbesserten Zulauf werte eine höhere Verfügbarkeit. Hierfür muß jedoch der höhere Energieeinsatz für den Be trieb der Anlage in Kauf genommen werden.

Weiterhin ist bekannt, daß das Absetzbecken durch eine Mikro-/Ultrafiltration ersetzt wird [2]. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß das Rohwasser einer Vorfiltration unterzogen wird. Bei der Aufbereitung von Oberflächenwasser wird z. B. die Bodenpassage ("Uferfiltration") genutzt. Unter der Uferfiltration versteht man die Gewinnung von Wasser aus einem oberirdi schen Gewässer, das natürlich oder künstlich beeinflußt durch das Gewässerufer oder die Ge wässersohle in den Untergrund (Grundwasserbereich) gelangt. Bei der Passage des Oberflä chenwassers durch die Uferschichten (Filterkörper) werden Schwebstoffe, abbaubare gelöste Substanzen und ein großer Teil der Schwermetalle (durch Adsorption oder chemische Bin dungen an Bodenpartikel) aus dem Wasser entfernt.

Dieses sogenannte Uferfiltrat weist eine stark verbesserte Qualität auf und kann direkt ultra filtriert werden. Mit der Mikro-/Ultrafiltration können zwar gegenüber der konventionellen Technologie Kolloide und suspendierte Stoffe zurückgehalten werden; der Fällungsprozeß kann jedoch nicht im gleichen Arbeitsschritt realisiert werden, da die heute verfügbaren Fil trationsmodule sich mit dem ausgefällten Material zusetzen bzw. verblocken würden. Gegen stand der Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei der die Ausfällung im Filtrationsmodul stattfinden kann, ein Zusetzen jedoch durch geeignete Strömungsführung und getrennten Austrag von Schlamm und Wasser vermieden wird.

Bei der bisher üblichen Prozeßwasseraufbereitung entstehen weitere Nachteile, indem vor der Umkehrosmose Chemikalien (Inhibitoren und Biozide) zudosiert werden müssen, um Scaling und Fouling zu vermeiden. Dadurch bedingt ergeben sich entsprechend niedrige Ausbeuten von bis zu 75%. Ausbeuten beschreiben das relative Verhältnis von Filtrat (Produkt) zu Feed (Vorlage). Das Retentat ist desweiteren mit den Inhibitoren, Bioziden und Salzen belastet und nicht wiederverwertbar. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher, durch geeignete Zugabe der Chemikalien diesen Nachteil zu vermeiden, d. h. Ausbeuten über 85% zu erzielen.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung nach der Lehre der Patentansprüche gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Zunächst erfolgt eine in Fig. 1 nicht dargestellte Siebung des Wassers, um grobe Partikel, Schwebstoffe und dergleichen abzutrennen. Eine an sich bekannte alkalische Kalk- Konditionierung geschieht ohne vorgeschaltete Reaktionsbecken, in denen üblicherweise un ter Zugabe von Lauge (NaOH), Koagulanten (Eisensalze) und Flockungshilfsmitteln die Aus fällung von mehrwertigen Metallhydroxiden und Metallcarbonaten bei einem pH-Wen < 10 erfolgt. Hierbei werden die genannten Chemikalien 1 direkt in die Rohrleitung dosiert. Da durch entfallen die Reaktionsbecken, insbesondere das dem Sedimentationsbecken unmittel bar vorgeschaltete Becken, in dem durch Zugabe von Flockungshilfsmitteln bewußt Ma kroflocken gebildet werden sollen, die kürzere Absetzzeiten aufweisen. Gleichzeitig erfolgt eine Adsorption von Silikaten und organischen Kolloiden an den Mikroflocken aus CaCO₃, Magnesium- und Eisenhydroxid.

Die in der Rohrleitung gebildeten Mikroflocken werden in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 von dem Wasser abgetrennt. Die Vorrichtung besteht aus einem zyklonartigen Ge häuse, in dem Rohr- oder Kapillarmembranen 3 axial angeordnet sind. Durch den tangentialen Einlaß 4 in das Gehäuse kommt es zu einer Ausbildung einer Kreisströmung 5. Die Partikel verteilung nimmt in Richtung der Gehäusewand zu. Durch die Fliehkraft werden die Partikel in den Bereich der Gehäusewand transportiert (Fig. 2). Die Membranen sind in dem Bereich installiert, in dem eine geringere Partikelkonzentration vorherrscht 7. Bei Instal lierung der Membranen im Ringspalt 8 sollten die Membranen vorteilhafterweise in der Nähe des Tauchrohres 9 (Fig. 3) angebracht werden (Variante 1). Neben der Partikelabtrennung durch die Membranen erfolgt zusätzlich aufgrund der Kreisströmung eine Partikelverteilung 6 innerhalb des Ringspalts und eine sedimentative Partikelabtrennung im unteren Teil des Ge häuses. Das von größeren Partikeln befreite Wasser verläßt das Gehäuse aufgrund der Strö mung durch das zentrisch angeordnete Tauchrohr. Somit kann in einer zweiten Variante auch eine Vorrichtung mit innerhalb des Tauchrohrs angeordneten Membranen von Vorteil sein (Fig. 4). Sie trennen die Mikroflocken aus dem Wasser ab und erzeugen ein Filtrat (Permeat) 10 und ein Retentat 11. Das Retentat beinhaltet die Ausfällungen sowie die adsorbierten Stof fe und wird in der ersten Variante im unteren Teil des Zyklongehäuses sedimentativ zu einem Konzentrat 12 weiter eingedickt. Bei der zweiten Variante verläßt das Retentat das Gehäuse durch das Tauchrohr und wird über eine Zirkulationspumpe dem Gehäuseeinlaß zugeführt. Das sedimentativ eingedickte Konzentrat bzw. der Schlamm wird zum Teil rückgeführt 13 und vor der Abtrennvorrichtung fein dispers in die Rohrleitung dosiert 14 (Kontaktschlamm flockung). Der größere Teil des Schlamms 15 wird einer Nachbehandlung (Eindickung) zuge führt und in üblicher Weise entsorgt.

Das Filtrat wird der nächsten Aufbereitungsstufe zugeführt.

[1] Kiepke, Dautzenberg, WdKA Aachen; "Membranfiltration und Talsperrenwasseraufbereitung Teil I und II", BMBF-Statusseminar Membranfiltration in der Trinkwasseraufbereitung 1999;
[2] Hager + Elsässer Stuttgart, Gebicke, Nagel; "Ultrafiltration zur Flußwasseraufbereitung als Vorbehandlungsstufe - Konzepte und Betriebserfahrungen", 2. Aachener Tagung Siedlungs wasserwirtschaft und Verfahrenstechnik 1998.

Bezug zu folgenden Patenten:
Patent DE 196 03 494: Mavrov, Chmiel; Heitele, Rögener; "Verfahren zur Teilentsalzung von Was ser";
Patent JP 6178908: Yanagihara; "Device for separating liquid from gas by utilizing cyclone and permeable membrane";
Patent US 5391211: Alliston, Wu, Sinn, Lato; "Integral cylindrical cyclone and loopseal".

Claims

1. Vorrichtung zur Aufbereitung von verunreinigten Flüssigkeiten, umfassend ein zyklonartiges, mit Flüssigkeitsauslaß und tangentialem Flüssigkeit seinlaß (4) versehenes Gehäuse, das im Bereich der Achse der Zyklon strömung wenigstens eine axial angeordnete Filtrationsmembran aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß als zentrisch an geordnetes Tauchrohr ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtrationsmembranen im Ringspalt zwischen Tauchrohr und Gehäusewand in der Nähe des Tauchrohres an geordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen rohrförmig sind und im Tauchrohr angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umwälzpumpe vorgesehen ist, die das über das Tauchrohr entnommene Retentat ganz oder zumindest teil weise zurückführt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entnahmeöffnung im Boden des Ge häuses für die Entnahme des sedimentativ eingedickten Schlamms vor gesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhreinrichtung für die Dosage von Chemikalien für die Fällung/Flockung von Metallionen und organischen Stoffen direkt mit einer mit dem Einlaß verbundenen Rohrleitung ange ordnet ist.

7. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Auf bereitung von Oberflächen-, Grund- und Prozesswasser.