DE10102700A1 - Verfahren zur Reinigung ölhaltiger Abwässer - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren zur Abtrennung einer flüssigen diskontinuierlichen Nebenphase aus einer flüssigen Hauptphase, insbesondere zur Abtrennung von Ölanteilen aus Abwässern, erfolgt in einem ersten Reinigungsschritt eine mechanische Druckentölung, anschließend wird das derart vorgereinigte Flüssigkeitsgemisch in einem zweiten Reinigungsschritt einer Membranfiltration unterzogen, wobei das entstehende Retentat erneut der mechanischen Druckentölung zugeführt wird. Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einer Kombination eines mechanischen Druckentölungssystems und eines diesem nachgeschalteten Membranmoduls, wobei die in diesem Membranmodul eingesetzten Membranen als Hybridmembran aufgebaut sind, bei denen auf einen keramischen Träger eine Beschichtung aufgebracht ist und die Trennwirkung im Zwischenbereich von Mikro- und Ultrafiltration liegt. Das mechanische Druckentölungssystem besteht aus einem Vorentöler mit einem Mehrphasen-Trennprofil, in den ein mechanischer Emulsions- und Schaum-Brecher integriert ist. Dem Membranmodul ist ferner eine Reinigungseinheit in Form einer Rückspüleinrichtung zugeordnet. Außerdem sind eine frequenzgeregelte Förderpumpe für den Transport des zu reinigenden Abwassers in den Vorentöler sowie zur Erzeugung der für den Prozeß erforderlichen Überströmgeschwindigkeit im Membranmodul eine nachgeschaltete Kreiselpumpe vorgesehen. Eine Kontrolleinheit dient unter anderem zur Prozeßüberwachung, zur Ansteuerung der Pumpen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung einer flüssigen diskontinuierlichen Nebenphase aus einer flüssigen Hauptphase, insbesondere zur Abtrennung von Ölanteilen aus Abwässern. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Die Reinigung von Abwässern, wie beispielsweise dem Bilgewasser von Schiffen oder den Brauch-, Kühl- und Waschwässern industrieller Anwendungen, kann im Prinzip entweder mittels physikalischer, chemischer oder aber thermischer Verfahren erfolgen. Während die beiden letztgenannten Verfahren häufig Sekundärkontaminationen in Form einer zusätzlichen Befrachtung des Abwassers mit Chemikalien, einer verstärkten Schlammproduktion oder einer Übertragung des Abwasser- auf ein Abluftproblem nach sich ziehen, stellen physikalische Verfahren eine sehr umweltfreundliche Alternative dar. Dies gilt insbesondere unter dem Aspekt, daß schärfere Umweltauflagen zunehmend höhere Anforderungen an die Trennqualität der eingesetzten Verfahren stellen.

Es sind bereits eine Reihe von Verfahren zur Abtrennung von Ölanteilen aus Abwässern bekannt, bei denen Vorrichtungen, die auch als Entöler bezeichnet werden, nach dem Prinzip der Schwerkraft die unterschiedlichen Dichten von Ölen einerseits und Wasser andererseits nutzen. In diesem Zusammenhang stellt es eine bereits bekannte Maßnahme dar, die Effektivität derartige Vorrichtungen durch den Einbau von sogenannten Demistern, Filtern, Wellplatten oder Phasentrennern, die als Koaleszierhilfen dienen, zu verbessern. In all diesen Fällen sind die abscheidbaren Öltropfen jedoch hinsichtlich ihrer Größe begrenzt, so daß beispielsweise bei einem Einsatz von Tensiden und anderen Mitteln, die die Grenzflächenspannung herabsetzen oder gar vollständig aufheben, keine ausreichende Entölung mehr stattfinden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das sich zur Reinigung beliebiger Mengen und Konzentrationen ölhaltiger Abwässer eignet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patenanspruchs 1. Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patenanspruchs 5. Erfindungsgemäß werden mehrere Verfahrensschritte so kombiniert, daß große Ölkontaminationen mit einem Ölanteil von bis zu 100 Prozent ebenso sicher abgetrennt werden können wie kleinste Ölbestandteile im ppm-Bereich. Die solchermaßen aufbereiteten Wässer können anschließend umweltgerecht in Gewässer oder Böden eingeleitet oder aber sie können erneut dem Wirtschaftskreislauf zugeführt werden.

Ein wichtiges Element des Verfahrens nach der Erfindung stellt dabei die Verwendung einer Membran dar, die die zu reinigende Lösung in ein Permeat, in diesem Fall bestehend aus Wasser und niedermolekularen gelösten Stoffen, sowie ein Retentat auftrennt, wobei letzteres die aufkonzentrierten höhermolekularen Substanzen sowie dispergierte flüssige und feste Stoffe enthält. Dabei wird durch einen auf der Konzentratseite aufgeprägten Überdruck das Wasser zusammen mit den gelösten niedermolekularen Substanzen gegen den sich aufbauenden osmotischen Druck auf die Permeatseite gefördert.

In anderen Anwendungsbereichen der Trenntechnik stellt die Verwendung von Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen zur Stofftrennung eine im Prinzip bereits bekannte Maßnahme dar. Die Separationswirkung basiert dabei auf dem Stoffdurchgang durch eine geeignete Membran, welche die zu trennenden Stoffströme unterschiedlich gut passieren läßt. Während bei der Mikrofiltration die Größe der Teilchen, welche die Membran passierend können, zwischen etwa 1000 Angstöm und einem Mikrometer liegt, beträgt diese Teilchengröße bei der Ultrafiltration zwischen etwa 100 und 1000 Angstöm. Trennverfahren auf der Basis von Membranen weisen häufig jedoch vergleichsweise geringe Durchsatzleistungen auf. Darüber hinaus gelten sie als nicht geeignet, um auch größere Ölanteile aus dem Wasser zu trennen, da die dabei eingesetzten Membranen sehr leicht zum Verblocken neigen.

Das zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Trennaufgabe erfindungsgemäß vorgesehene Membransystem besteht in der bevorzugten Ausführungsform aus einer als Hybridmembran aufgebauten Mehrkanalmembran, bei der auf einen keramischen Träger eine Beschichtung, aufgebracht ist, wobei die Trennwirkung dieser Beschichtung dem Zwischenbereich von Mikro- und Ultrafiltration zuzuordnen ist. Diese Trennwirkung besteht in einer reinen Siebfiltration, bei der die Membran undurchlässig für höhermolekulare gelöste Stoffe sowie für kolloidale und suspendierte Stoffe ist.

Aufgrund der hohen Molekulargewichte der abzutrennenden Öle entstehen auf der Retentatseite nur geringe Molkonzentrationen, so daß sich der von der Permeat­ zur Retentatseite hin aufbauende osmotische Druck als vernachlässigbar angesehen werden kann. Dies macht es möglich, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit niedrigen Arbeitsdrücken im Bereich von 1 bis 10 bar betrieben werden kann, wodurch zugleich erhebliche Energieeinsparungen möglich werden. Begünstigt werden diese niedrigen Betriebsdrücke auch durch die Tatsache, daß die erfindungsgemäß vorgesehene Membran im Vergleich zu Verfahren der reinen Ultra- oder Nanofiltration oder auch der Umkehrosmose eine höhere Wasserdurchlässigkeit aufweist.

Dadurch, daß bei dem Verfahren nach der Erfindung der Membrantrennung ein erster Reinigungsschritt mittels eines mechanischen Druckentölungssystems vorgeschaltet ist, wird der Anfälligkeit von Membranen gegen höhere Bestandteile an freien Ölen entgegengewirkt. In diesem Vorentöler werden durch Strömungs-, Gravitations- und/oder Koaleszenseffekte freie Öle und Öltropfen mit einem Durchmesser von bis zu 20 Mikrometern ebenso abgeschieden wie auch Feststoffe, die - je nach ihrer Dichte - mit Durchmessern von bis zu wenigen Mikrometern abgetrennt werden und damit nicht mehr die nachgeschaltete Membran belasten.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Verfahrens zur Entölung von Bilgenwasser bzw. von Brauch-, Kühl- oder Waschwasser und

Fig. 2 den Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 1.

Bei dem in den Figuren anhand eines Fließschemas gemäß Fig. 1 sowie einer Anlage zur Entölung von Bilgenwasser gemäß Fig. 2 dargestellten System zur Abtrennung von Ölanteilen aus Abwässern wird das von einem Verursacher 1, in diesem Fall der Antriebsmaschine eines Schiffes, stammende ölhaltige Abwasser in einen Vorlagetank 2 geleitet bzw. es sammelt sich in einer als Vorlagetank dienenden Bilge. Von diesem Vorlagetank 2 gelangt das Abwasser in einem ersten Reinigungsschritt in ein mechanisches Druckentölungssystem 3, im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels ein Vorentöler mit einem Mehrphasen-Trennprofil, in den zugleich ein mechanischer Emulsions- und Schaum-Brecher integriert ist. In diesem Vorentöler 3 werden durch Strömungs-, Gravitations- und Koaleszenseffekte freie Öle und Öltropfen mit einem Durchmesser von bis zu 20 Mikrometern abgeschieden, zusätzlich werden Feststoffe mit, je nach ihrer Dichte, Durchmessern von bis zu wenigen Mikrometern abgetrennt. Diese abgetrennten Komponenten werden anschließend in einen Ölsammelbehälter 4 bzw. einen Schlammsammler ausgeschleust.

Das solchermassen vorgereinigte Abwasser wird im zweiten Schritt des Reinigungsprozesses in einen Membranmodul 5 gefördert. Die in diesem Modul eingesetzten Membranen bestehen in der hier beschriebenen Ausführungsform aus einer als Hybridmembran aufgebauten Mehrkanalmembran, bei der auf einen keramischen Träger eine Beschichtung aus einem Polymer aufgebracht ist, deren Trennwirkung dem Zwischenbereich von Mikro- und Ultrafiltration zuzuordnen ist. Die Trennwirkung besteht dabei in einer reinen Siebfiltration, bei der die eingesetzten Membranen undurchlässig für höhermolekulare gelöste Stoffe sowie für kolloidale und suspendierte Stoffe sind.

Das hier erzeugte Permeat, das praktisch aus reinem Wasser besteht, wird zum größten Teil entweder an die Umgebung abgegeben oder in einem Sammelbehälter 6 aufgefangen. Zu einem geringen Teil wird dieses Reinwasser in einem Vorratsbehälter 7 gespeichert, um bei einer in regelmäßigen Intervallen vorgesehen Rückspülung des Membranmoduls 5, die der Reinigung dieser Anordnung von Ablagerungen dient, eingesetzt zu werden. Für diesen Rückspülprozeß wird zudem in einem weiteren Vorratsbehälter 8 eine speziell auf die eingesetzte Membran abgestimmte Reinigungssubstanz bereitgehalten. Wie in Fig. 1 weiterhin angedeutet, wird das im Membranmodul 5 anfallende Retentat zurück in den Vorentöler 3 geleitet. Hier wird dieses Konzentrat noch einmal in Öl und Wasser gebrochen und letzteres wird erneut durch den Membranmodul 5 geleitet.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anlage zur Entölung von Bilgenwasser nach dem anhand von Fig. 1 erläuterten Fließschema wird das zu reinigende Abwasser von einer frequenzgeregelten Förderpumpe 9 in den Vorentöler 3 transportiert und dadurch der für eine Permeation erforderliche Transmembrandruck aufgebaut. Eine nachgeschaltete Kreiselpumpe 10 erzeugt die in den Membranen benötigte Überströmgeschwindigkeit. Um eine Überlastung der Membranen zu verhindern, werden der Transmembrandruck und die Durchsatzleistung der Förderpumpe 9 elektronisch überwacht und die Daten in einer Kontrolleinheit 11, in diesem Fall einer speicherprogrammierbaren Steuerungsanlage, verarbeitet. Diese Kontrolleinheit 11 steuert außerdem die Ausschleusung des Konzentrats aus dem Druckentöler 3 und löst bei Erreichen vorgegebener Grenzwerte die automatische Rückspülung der im Membranmodul 5 angeordneten Membranen aus. Zu diesem Zweck wird ein hydropneumatischer Zylinder 7 mit Permeat aus dem Membrankreislauf aufgefüllt und mit Druckluft vorgespannt.

Das sich auf der Retentatseite des Membranmoduls 5 sammelnde Konzentrat wird in den mit einem mechanischen Emulsions- und Schaum-Brecher ausgerüsteten Druckentöler 3 zurückgeschleust. Hier wird, wie erwähnt, dieses Konzentrat noch einmal in Öl und Wasser gebrochen und der Ölanteil steigt in einem dafür vorgesehenen Ölsammeldom 17 auf. Letzterer wird mittels einer Ölstandselektrode überwacht, die in Zusammenwirken mit der Kontrolleinheit 11 eine . automatische Ausschleusung des aufkonzenrierten, aus dem Abwasser entfernten Öles, das einen Restgehalt von weniger als 5 Prozent Wasser aufweist, in den Ölsammelbehälter veranlaßt. Das im Membranmodul 5 erzeugte Permeat, das zum größten Teil aus praktisch reinem Wasser besteht, wird entweder an die Umgebung abgegeben oder, sofern sein Restgehalt an Ölen mehr als eine vorgegebene Obergrenze von beispielsweise 5 ppm überschreitet, zurück in die Bilge befördert.

Das in Fig. 2 dargestellte System kann sowohl manuell als auch halb- bzw. vollautomatisch betrieben werden. Zu diesem Zweck sind diverse ansteuerbare Ventile 12 bis 15 vorgesehen, die über die Kontrolleinheit 11 beaufschlagbar sind. Die Überwachung des gereinigten Abwassers erfolgt über einen Monitor 16, der in die Anlage integriert ist. Wie in der Figur weiterhin angedeutet, ist das gesamte System zu einer kompletten Einheit zusammengefaßt und kann in sogenannter "skid mounted"-Bauweise montiert werden, wobei alle Ver- und Entsorgungsleitungen auf einer der Außenflächen zusammengefaßt angeordnet sind. Dadurch eignet sich diese Anordnung insbesondere auch für eine Nachrüstung bereits installierter Anlagen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Abtrennung einer flüssigen diskontinuierlichen Nebenphase aus einer flüssigen Hauptphase, insbesondere zur Abtrennung von Ölanteilen aus Abwässern, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Reinigungsschritt eine mechanische Druckentölung erfolgt und daß das entstehende vorgereinigte Flüssigkeitsgemisch in einem zweiten Reinigungsschritt einer Membranfiltration unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im zweiten Reinigungsschritt entstehenden Retentat erneut der mechanischen Druckentölung zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Reinigungsschritt freie Öle und Öltropfen mit einem Durchmesser von bis zu 20 Mikrometern abgeschieden werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das im ersten Reinigungsschritt zusätzlich Feststoffe mit Durchmessern von bis zu einigen Mikrometern abgetrennt werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Kombination eines mechanischen Druckentölungssystems (3) sowie eines diesem nachgeschalteten Membranmoduls (5).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Membranmodul (5) eingesetzten Membranen jeweils als Hybridmembran aufgebaut sind, wobei auf einen keramischen Träger eine Beschichtung aufgebracht ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwirkung der Membranen im Zwischenbereich von Mikro- und Ultrafiltration liegt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Druckentölungssystem (3) aus einem Vorentöler mit einem Mehrphasen-Trennprofil besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in das mechanische Druckentölungssystem (3) ein mechanischer Emulsions- und Schaum-Brecher integriert ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Membranmodul (5) eine Reinigungseinheit in Form einer Rückspüleinrichtung (7, 8) zugeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den Transport des zu reinigenden Abwassers in den Vorentöler (3) eine frequenzgeregelte Förderpumpe (9) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der für den Prozeß erforderlichen überströmgeschwindigkeit im Membranmodul (5) eine nachgeschaltete Kreiselpumpe (10) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontrolleinheit (11) zur Prozeßüberwachung und Ansteuerung wenigstens einer Pumpe (9, 10) sowie von Schaltventilen (12-15) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückspüleinrichtung (7, 8) über die Kontrolleinheit (11) ansteuerbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des gereinigten Abwassers wenigstens ein Monitor (16) vorgesehen ist.