DE102004051695A1

DE102004051695A1 - Verfahren zur Erzeugung von Brauch- und Trinkwasser aus salzhaltigen Wässern

Info

Publication number: DE102004051695A1
Application number: DE102004051695A
Authority: DE
Inventors: Robert Prof. Dr. Fleischmann
Original assignee: A C S AQUA CARE SYSTEMS GmbH; Acs-Aqua-Care-Systems GmbH
Current assignee: A C S AQUA CARE SYSTEMS GmbH; Acs-Aqua-Care-Systems GmbH
Priority date: 2004-10-23
Filing date: 2004-10-23
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Brauch- und Trinkwasser aus salzhaltigen Wässern, vornehmlich See- und Brackwasser beschrieben, bei dem das zu reinigende Wasser zunächst vorbehandelt wird, indem es durch einen elektrochemischen Reaktor geleitet wird, anschließend die gelösten und noch suspensionsgängigen Wasserinhaltstoffe mit Aktivkohle absorbiert und aufoxidiert werden, sodann in einem Durchflussreaktor mittels UV-Bestrahlung die aufoxidierten und organischen Schadstoffe weitgehend abgebaut und pyrogene Keime zerstört werden und das derart vorbehandelte Wasser sodann einer umgekehrten Osmose unterzogen wird, um einen niedrigen Salzgehalt zu erhalten und das derart salzverarmte Wasser sodann durch Zusatz von vorbehandeltem salzenthaltenem Wasser auf eine Leitfähigkeit von weniger als 200 muSiemens x cm·-1· und ein Verhältnis zwischen einwertigen und zweiwertigen Ionen (Na und K zu Ca und Mg von 5 : 1 bis 1 : 2) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Brauch- und Trinkwasser aus salzhaltigen Wässern, vornehmlich aus See- und Brackwassern mittels Umkehrosmose in Kombination mit weiteren Trenn- bzw. Reinigungsverfahren.
Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Erzeugung von Brauch- und Trinkwasser bekannt, bei denen sich die verschiedensten Vorgänge abspielen, so gibt es physikalische, physikalisch-chemische und biologische Verfahren. Sehr häufig wird für die Herstellung von Brauch- und Trinkwasser bestimmter Qualität eine Kombination von verschiedenen Verfahren angewandt.
Zu entsprechenden Reinigungsverfahren gehören unter anderem Filtrationsverfahren wie Mikro-, Ultra-, aber auch Nano- und Hyperfiltration und umgekehrte Osmose. Ferner sind zu nennen Chlorierung, Behandlung mit Ozon, UV-Bestrahlung usw.

Ein Verfahren, bei dem eine Kombinationstechnik zum Einsatz kommt, wird z. B. in der DE 195 30 086 A1 beschrieben, das mit einem Vorfilter mit leitfähiger Kohlenstoffstruktur arbeitet, bei dem ionenstabilisierte Suspensionen ausgefällt und nicht suspensionsgängige Teilchen ausgefiltert werden, in einem nachfolgenden Reaktor mit Aktivkohle die gelösten und dann noch suspensionsgängigen Wasserinhaltstoffe adsorbiert und aufoxidiert werden. In einem Durchflussreaktor am Ende der Anlage werden über UV-Bestrahlung die aufoxidierten organischen Schadstoffe weiter abgebaut bzw. die pyrogenen Keime zerstört, und je nach Qualitätsanforderung an das Brauchwasser wird der Durchfluss über einen oder mehrere Sensoren, vornehmlich einem Photosensor, am UV-Brenner gesteuert.

Ein weiteres Verfahren wird in der DE 100 01 911 A1 beschrieben, das insbesondere die eigen- und korrosionssichere sowie nebenreaktionsarme Reduktion von Carbonat- bzw. Carbonat-Metalloxid-Mischkristallbildung an Wärmeaustauscherflächen und Rohrleitungen in Wässern zum Ziel hat und das mit Hilfe von Stromimpulsen im Bereich von 10⁴ Hz (kHz) bis 10^–3 Hz (mHz) zwischen zwei Elektroden arbeitet.

In der WO 98/03252 wird eine Vorrichtung zur Behandlung von Wasser beschrieben, bei der das zu behandelnde Wasser nach dem Einlass in zwei verschiedene Linien aufgeteilt wird, in welchen die Wasser unterschiedlich behandelt werden und bei der die so behandelten Wasserströme vor dem Auslass wieder zusammen geführt werden. Die dort beschriebene Apparatur arbeitet mit Filterpatronen und Membranen. Es kommen Vorgänge wie Mikrofiltration oder Ultrafiltration als auch Nanofiltration und Umkehrosmose zur Anwendung. Mit dieser Vorrichtung ist jedoch eine zufriedenstellende Herstellung von Brauch- und Trinkwasser aus salzhaltigen Wassern nicht zu erreichen.

Die Patentanmeldung DE 198 05 317 A1 beschreibt ein Wasseraufbereitungsverfahren, das mit mehreren Umkehrosmoseeinheiten arbeitet, wobei zwischen der ersten der zweiten Umkehrosmoseeinheit ein Harzbett angeordnet ist, das zur Verringerung der Kohlendioxydkonzentration vor dem Eintritt in die zweite Umkehrosmoseeinheit dient.

In der DE 101 06 242 A1 wird eine Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser mit der Umkehrosmose beschrieben, bei der die mit Salzwasser oder Salzwasserkonzentrat in Berührung kommenden Oberflächen der Vorrichtung wenigstens teilweise eine Beschichtung aufweisen. Dadurch wird versucht mittels Verstärkung der hydrophoben Eigenschaften der Trennmembranen eine längere Lebensdauer der Anlage zu erreichen.

Weitere Patentanmeldungen wie die DE 101 127 19 A1 und DE 102 08 655 befassen sich ebenfalls mit der Verbesserung von Anlagen, die auf dem Prinzip der Umkehrosmose arbeiten.

Obwohl bereits eine ganze Reihe von Verfahren bekannt sind, um aus salzhaltigen Wässern Brauch- oder Trinkwasser zu erzeugen, besteht noch ein Bedürfnis nach einem verbesserten Verfahren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Brauch- und Trinkwasser aus salzhaltigen Wässern zur Verfügung zu stellen, das eine hohe Wasserausbeute ergibt und das wirtschaftlich arbeitet, insbesondere was den Energieverbrauch betrifft. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das über längere Zeit kontinuierlich durchgeführt werden kann, ohne dass Kontaminationen Teile der Anlage bereits nach kurzer Zeit funktionsuntüchtig machen. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das Brauch- und Trinkwasser liefert, das den deutschen bzw. europäischen und US-amerikanischen Normen und den geschmacklichen Anforderungen des Verbrauchers entspricht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren Verfahren zur Erzeugung von Brauch- und Trinkwasser aus salzhaltigen Wässern, vornehmlich See- und Brackwasser mit einer spezifischen Leitfähigkeit über 2 000 μ Siemens/cm, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das zu reinigende salzhaltige Wasser zunächst vorbehandelt wird, indem es durch einen elektrochemischen Reaktor geleitet wird, dessen Elektroden eine leitfähige Kohlenstoffstruktur aufweisen und der mehrere Elektroden in kaskadenartiger Anordnung aufweist, wobei in den Elektroden ionenstabilisierte Suspensionen ausgefällt und nicht suspensionsgängige Teilchen ausgefiltert werden, und sodann in einem nachfolgenden Reaktor mit Aktivkohle die gelösten und jetzt noch suspensionsgängigen Wasserinhaltsstoffe adsorbiert und aufoxidiert werden, sodann in einem Durchflussreaktor am Ende der Anlage mittels UV-Bestrahlung die aufoxidierten organischen Schadstoffe weiter abgebaut und pyrogene Keime zerstört werden und das derart behandelte Wasser sodann auf einen Salzgehalt von 50 bis 200 mg Na und 40 bis 100 mg Magnesium und Calciumionen pro l Wasser mittels Umkehrosmose gereinigt wird und sodann dieses einen so niedrigen Ionengehalt aufweisendes Wasser mit gereinigtem Salzwasser auf einen Salzgehalt von 700 bis 900 mg/l eingestellt wird, wobei das Verhältnis zwischen einwertigen und zweiwertigen Ionen (Na und K zu Ca und Mg) auf 5:1 bis 1:2 eingestellt wird sowie die Gesamtleitfähigkeit des erhaltenen Brauch- bzw. Trinkwasser auf eine Gesamtleitfähigkeit von weniger als 2 000 μ Siemens × cm^–1 eingestellt werden.

Die Vermischung von dem durch die Osmose weitgehend entsalztem Wasser sowie dem gereinigten Salzwasser erfolgt leitfähigkeitsgesteuert.

Es ist vorteilhaft, sowohl den Osmosevordruck als auch die Regelung des Mischungsverhältnisses von osmotisch gereinigtem Wasser und noch salzhaltigem gereinigtem Wasser mittels der Strom- und Spannungswerte des Elektrochemiereaktors zu steuern.

Es war überraschend, dass es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, salzhaltiges Wasser der verschiedensten Provenienzen zu reinigen, um gutes Brauch- bzw. Trinkwasser zu erhalten. So kann man reines Meerwasser einfach und preiswert zu brauchbarem Trink- und Brauchwasser aufarbeiten. Es ist weiterhin möglich Rohwasser aus Niederschlagsoberflächenwasser und Meerwasser zu behandeln, auch kann man Mischungen von Grundwasser, Brunnenwasser aus Kalksteinschichten und Meerwasser sowie aufgesalzenem Brunnenwasser sehr wirtschaftlich aufarbeiten.

Ferner Rohwässer, die mit der Umkehrosmose alleine nicht günstig gereinigt werden können wegen des sehr variablen Salzgehaltes, wie es z. B. in meernahen Bereichen und Gebieten mit extensiver Tiefbrunnenbenutzung der Fall ist, insbesondere auch bei starker landwirtschaftlicher Bodenbelastung und starker Düngerverwendung.

Da entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren oxidationsreaktive Substanzen deaktiviert werden und Wirkstoffe auf Kohlenwasserstoffbasis adsorbiert und im Elektrochemiereaktor Magnesiumhydroxid ausgefällt wird, werden die Membranen in der umgekehrten Osmosestufe sehr geschont, sodass die Gesamtanlage lange Zeit kontinuierlich arbeiten kann, ohne dass es zu Unterbrechungen kommen muss.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren und der folgenden Beispiele näher erläutert:
01 zeigt bei einer gleichmäßigen Abgabe von 600 l/h an Brauchwasser den Übergang von dem Halbzeittaktbetrieb zum Vollzeitbetrieb einer Umkehrosmose bei 70 % bis 90 % Regenwasser (Oberflächenwasser) anteil. Der Zusatzwasseranteil ergibt sich aus der Differenz zwischen Brauchwasser und Permeatwasser.
In 02 werden beispielhaft 500 l/h Brauchwasser aus kalkhaltigem Brunnenwasser mit teilweisem Brack- bzw. Meerwassereinbruch erzeugt. Ein niedriger Meerwassereinbruch von 5 Prozent reduziert den Energieaufwand der Umkehrosmose um 80 %, entsprechend ist der Zusatzwasseranteil der drucklosen Reinigungsstufe hoch. Bei 30 % Meerwassereinbruch entsprechend einem nahezu hundertprozentigem Brackwasser läuft die Umkehrosmose unter dem vollen Zeittakt.
03 Die Kurven in 03 zeigen die Zusammenhänge für Salzgehalte von 2000 bis 400 mg/l auf. Hier liegt das Beispiel der oberen Grenze bei 2000 mg/l, Brauchwasserstrom 500 l/h, Rohwassereinsatz 547 l/h und Konzentratverlust 47 l/h. Die energetische Belastung der Osmose variiert dabei von 0 bis 80 %.
Die 04 stellt den realen Energieverbrauch von sogenannten Kombinationsanlagen dar. Sie zeigt den hohen Energieverbrauch der Umkehrosmose und den energetischen Vorteil einer Zweistufenosmose mit angepassten Wirkungsgraden und Flussausbeuten. Trotz höherer Anfangsinvestitionen ist eine solche Anlage bei Belastung z. B. der zweiten Stufe mit 60 % (Zudosierung 600 l/h, 90 % Trennungswirkungsgrad) langfristig günstiger einzusetzen. Die Verwendung von Mischwasser geringeren Salzgehaltes und damit die Kombination mit der beschriebenen niederenergetischen Reinigung ist allerdings wesentlich günstiger (Beispiel 60% bis 90 % kalkhaltiges Wasser bzw. Oberflächen- oder Regenwasser).
05 Großanlagen der Umkehrosmose arbeiten unter sehr gleichmäßigen Bedingungen; dies ist für kleinere Anlagen mit Brauchwassererzeugung zwischen 10 und 100 Tageskubikmeter erheblich schwieriger zu bewerkstelligen. Eine Vorgabe hierfür ergibt sich aus modularer Konzeption und dem Betrieb unter Zumischungsrelationen, wie in der 05 skizziert. Modellmäßig läuft unter entsprechend reduzierten Drücken eine Anlage (20) mit zwei hintereinandergeschalteten Umkehrosmosemodulen (21, 22) in der Stufe I mit z. B. 500 l/h und in der Stufe II mit 250 l/h. Die Ausgangswassermenge von 500 l/h wird dabei über die Vorreinigung (10) mit Elektrochemiereaktor (02), Aktivkohlekaskaden (05) und UV-Reaktor (06) geleitet. Im Einzelnen schützt ein Grobfilter (01) die Anlage vor Blockierung bei hohen Sedimentanteilen, die speziell ausgefertigten Elektroden (03) setzen über Folgereaktionen oxidations- bzw. reduktionssensible Stoffe um. Die Adsorptions- oder Reaktionskaskade (5) hält mit oder ohne Zwischenreaktionen entsprechend den Verteilungskoeffizienten Schadstoffe zurück. Ein Zwischenfilter (04) schützt den UV-Reaktor (06). Die gesamte gereinigte Wassermenge fließt über eine Druckerhöhung (24) in die erste Umkehrosmosestufe (22); es entsteht dabei eine Teilmenge von 300 l/h eine mit 1300 mg NaCl-Gehalt. 240 l/h werden dann in der zweiten Stufe (21) mittels weiterer Druckerhöhung (25) auf 20 bar gebracht und 190 l Reinwasser pro Stunde mit 65 mg NaCl pro Liter generiert. Die Mischung über ein motorgetriebenes Ventil (23) mit 60 l Wasser aus der ersten Stufe führt zu einem physiologisch einwandfreien Trinkwasser mit einem NaCl-Gehalt von 350 bis 400 mg/l im Ablauf (26). Der Energieaufwand liegt bei etwa 1 kWh pro 250 Liter Brauchwasser.
06 Die Anlage nach 05 ist in 06 als gekoppeltes System mit Wassereingang im Bereich (10) und Wasserausgang nach der/den Umkehrosmoseeinheit(en) (20) skizziert. Zur Vervollständigung sind zwei Pufferbehälter (27, 28) vorgesehen, wobei im zweiten Behälter (28) eine Leitfähigkeitszelle (LF) (34) das motorbetriebene Mischventil (23) beeinflusst.
07 Die Darstellung der Sensorik in 07 betrifft die Photostrombestimmung (32) im UV-Reaktor (06), eine Vorleitfähigkeitsfixierung (35) durch den Stromwert des potentiostatisch gefahrenen Elektrochemiereaktor (02) über die Elektroden (03). Der Vorfilter (01) schützt wie vorher den Elektrochemiereaktor vor frühzeitiger Sedimentkontamination der sogenannten Volumenelektroden. Eine Kationenanalyse (33) und die Bestimmung von Permeatflüssen (31) der Umkehrosmoseeinheiten (22) können nach Bedarf eingefügt werden.
Beispiel 01: Reinigung von aufgesalztem Brunnenwasser
Die Versalzung von Brunnenwässern und artesischen Wasseranlagen geschieht durch Übernutzung und temporärem leichten Einbruch eines Salzwasserstromes. Diese Wässer müssen mit hoher Ausbeute gereinigt werden, da Süßwasser in Grenzregionen aufgrund dieser Salzwassereinbrüche nur temporär und begrenzt zur Verfügung steht. Deshalb ist eine Umkehrosmose mit 95 Trennwirkungsgrad (20 bar) und 90 % Permeatleistung anzustreben.
Im Jahresverlauf haben wir beispielhaft ein Wasser mit 2000 mg/l an absolutem Salzgehalt im Maximum zu behandeln. Bei einem beispielhaften Gesamtdurchsatz durch die Vorreinigung (10, beschrieben in Beispiel 04) von 550 l/h wird ein Wasserteilstrom von 470 l/h durch die Umkehrosmosestufe geleitet. Diese Umkehrosmosestufe hat bei 20 bar einen Trennwirkungsgrad von 95 % und einen Permeatwirkungsgrad von 90 %. Sie erzeugt 420 l/h Osmosewasser mit einem Salzgehalt von 100 ml/l, bei völliger Reduktion der Ca- und Mg-Anteile. Die Zugabe von 80 l/h Wasser aus der Vorreinigung erhöht den Salzgehalt wieder auf geschmacklich optimale 400 mg/l mit etwa 40 mg/l physiologisch wichtigen Erdalkalisalzen.
Die Osmose selbst ist leistungsbezogen mit einer Reserve von 20 % auf diesen oberen Betriebspunkt ausgerichtet, d. h. sie kann mit einem Maximaldurchsatz etwa 500 l/h betrieben werden. Bei Rückgang der Versalzung wird der Einsatzzeittakt verändert, die fehlende Brauchwassermenge aus der Vorreinigung entnommen und damit der Energiebedarf für die Hochdruckpumpe vermindert. Die Anlage ist aus dieser Kombination heraus enorm flexibel:

– Die Erhöhung des Salzgehaltes über die langjährig vorausgesagte Höchstmenge, kann durch Ausnutzung der Leistungsreserve und darüber hinaus durch weitere Reduktion des Salzwasserzusatzes aufgefangen werden,
– Anlage fährt zeitgetaktet bis hin zu einer hohen Zugabe an vorgereinigtem Wasser, sie wird so eingestellt, dass die Osmose nicht über längere Zeit 24 Stunden) ohne Spülung still steht, da
– die Nachverkeimung und Schichtablagerung auf den Trennmembranen der Umkehrosmose durch die Vorreinigung stark reduziert werden.

Beispiel 02: Mischung von Grundwasser, Brunnenwasser aus Kalksteinschichten und Meerwasser
Im vorliegenden Fall wird die spezifische Leitfähigkeit durch die Salze der zweiwertigen Kationen Mg und Ca stärker beeinflusst. Die Leitfähigkeiten liegen hier je nach Jahreszeit und Gezeitenstand bzw. Wetterlage bei 10 000 bis 1 000 μSiemens·cm^–1, der zu reduzierende Hauptanteil des NaCl bzw. KCl variiert von 5 000 bis 600 mg/l. Hier macht sich verstärkt der Elektrochemiereaktor mit nachgeschalteter Aktivkohlekaskade (10, beschrieben in Beispiel 04) durch leichte Absenkung des Magnesium- und Calciumgehaltes bemerkbar, diese Salze verbleiben als homogene Kristallkeime im gereinigtem Rohwasser und führen daher nicht durch Ausfällung an der Osmosemembran zu deren Kontamination.
Im Vergleich zum vorhergehenden Beispiel kann unter den genannten Verhältnissen von ausreichenden Wassermengen ausgegangen werden; lediglich die temporären Salzwassereinbrüche erfordern einen hohen Trennwirkungsgrad. Die Osmose arbeitet bei diesen Anlagen gleichmäßig mit 75 % Permeatwirkung und 95 % Trennwirkung wie vorher unter Zeittaktung. Die obere Grenze sind dabei Salzgehalte von 6 000 mg/l, die unter diesen Bedingungen auf 300 mg/l reduziert werden können. Bei einer Vorgabe für 500 l/h Brauchwasser müssen 660 l/h durch die Osmose gepumpt werden. Die Zugabe von vorgereinigtem Salzwasser mit etwa 10 l/h beschränkt sich hier nur auf eine Geschmacksverwässerung und leichte Erhöhung der Erdalkaliionenkonzentration.
Unter Normalbedingungen wird die Einsatzzeit der Hochdruckpumpe in der Umkehrosmose halbiert:

– Osmosereduktion 1 000 mg/l auf 50 mg/l,
– 250 l/h Zusatz von vorgereinigtem Salzwasser mit 1 000 mg/l, davon 250 mg/l Ca- und Mg-Salze,
– Wasserverlust etwa 80 l/h,
– Stabilisierung der Osmosemembran wie vorher durch Spülung im 24-Stundentakt.

Beispiel 03: Oberflächenwasser und Meerwasser
Mischungen von Oberflächenwässern aus Niederschlägen und Salzwässer haben einen breiten Bereich der spezifischen Leitfähigkeit von 1 500 bis 14 000 μSiemens·cm^–1. In der Regel liegen die Anteile der einwertigen Kationen (Na/K) über 90 %. D. h. im Extremfall müssen 9 000 mg NaCl pro Liter auf 400 mg reduziert werden. Das bedeutet für eine einstufige Umkehrosmose einen notwendigen maximalen Rückhaltewirkungsgrad von etwa 96 % (40 bar) und eine Permeatgewinnung von 500 l/h bei Einsatz von 720 l/h Rohwasser (70 % Flusswirkungsgrad) und 100 % Auslegung bzw. Belastung der Umkehrosmose. Fällt die Leitfähigkeit ab, gelten in die in 01 dargestellten Zusammenhänge. Die Umkehrosmose wird dabei gleichmäßig belastet im Hinblick auf Rückhaltewirkungsgrad und Permeat/Rohwasserrelation. Der Energieverbrauch und die zeitgetaktete Auslastung verringern sich jedoch entsprechend.
Durchschnittliche Salzgehalte liegen hierbei 4 000 mg/l. Eine Testanlage mit 500 l/h Trinkwasserleitung erzeugt im kontinuierlichen Betrieb 470 Liter Permeat pro Stunde mit 160 mg/l Salzanteil, die Zugabe von 30 Litern vorgereinigtem Salzwasser mit 4 000 mg/l führt zu einem Gesamtgehalt von 390 mg pro Liter Trinkwasser. Der Gesamtwasserverbrauch beträgt 700 l/h, der Gesamtenergieeinsatz fällt von 2 kWh auf 1,7 kWh.
Beispiel 04: Behandlung von reinem Meerwasser
Meerwasser mit einem durchschnittlichen NaCl-Gehalt von 28 000 mg pro Liter, Na-Anteil um 10 000 mg (400 – 450 mmol), Ca/Mg-Anteil etwa 2 000 mg (etwa 40 – 60 mmol Mg, 5 – 20 mmol Ca) wird im Elektrochemiereaktor (02) der Vorreinigung (10) mit etwa 15 As pro Liter behandelt. Dieser Elektrochemiereaktor in seiner technischen Ausführung als Wickelelement oder in Filterpressenbauweise besteht aus den Elektroden Kathode und Anode, die zur Einreichung einer hohen Leistungsfähigkeit aus einem leitfähigen Material mit hoher Oberfläche gefertigt sind. Die notwendige optimale Trennung in Ionen- und Elektrodenleitung übernimmt eine dünne, aber formstabile Trennschicht mit Kanälen für das Medium Wasser, das aufgrund des Salzgehaltes die Ionenleitung garantiert.
Bei Anlegen einer Kleinspannung (2 bis 5 Volt) werden Kathoden- und Anodenreaktionen gestartet. Es sind dies z. B. Sauerstoffreduktion zum OH^– und nachfolgende Magnesiumhydroxidausfällung bzw. Hydrogencarbonatreduktion so wie die anodische Oxidation reaktiver und damit schädlicher Substanzen bis hin zur Kohlendioxiderzeugung (Carbonatausfällung). Damit wird die Kontamination der Umkehrosmose durch Substanzen mit einem hohen und aggressiven chemischen Potential erheblich reduziert. Nachgeschaltete Reaktionskaskaden (05) stabilisieren die entsprechenden Gleichgewichte und entfernen weitere reaktive Substanzen wie Hypochlorite, Schwermetalle, Arsenate, Kohlenwasserstoffe usw. Diese Reaktionskaskaden sind bevorzugt als Reaktionsbetten im Blockaufbau oder Flaschenform mit differenzierter Einström- bzw. Überströmvorrichtung zur Steuerung der in Serienschaltung berücksichtigt, dass bei den meisten Reaktionen eine erste Adsorptionsstufe den weiteren Reaktionen vorgelagert ist und den Verteilungskriterien nach W. Nernst unterliegt. Im vorliegenden Fall beträgt das Volumen vier hintereinandergeschalteter Flaschen jeweils 60 Liter, gefüllt mit 30 kg Aktivkohle. Die Einzelverweilzeiten sind bei 1 200 l/h Rohwasser etwa 2,5 Minuten pro Kaskadenabschnitt. Der UV-Bestrahlungsreaktor (06) ist ausgelegt auf einen maximalen Durchfluss von 2 500 l/h und eliminiert die Keim- und Biofilmaktivität.
Bei einer mittleren Salzretentionswirkung von jeweils 95 % und einem Permeatwirkungsgrad von 60/75 % erzeugt die Umkehrosmose in zwei Stufen aus 1 200 l/h Rohwasser etwa 500 l Wasser pro Stunde mit etwa 100 Mg Salzanteil. Eine Zudosierung von etwa 10 l des gereinigten Salzwassers lässt den Salzanteil auf geschmacklich optimale Salzgehalte von etwa 400 mg/l einstellen.
Beispiel 05, 04 und 05: Anlagentechnik – Zweistufenosmose (20) mit Vorreinigung (10)
Großanlagen der Umkehrosmose arbeiten unter sehr gleichmäßigen Bedingungen; diese ist für kleinere Anlagen mit Brauchwassererzeugung zwischen 10 und 100 Tageskubikmeter erheblich schwieriger zu bewerkstelligen. Eine Vorgabe hierfür ist die modulare Konzeption und der Betrieb unter Zumischungsrelationen.
Modellmäßig läuft unter entsprechend reduzierten Drücken eine Anlage mit zwei hintereinandergeschalteten Umkehrosmosemodulen (21, 22) in der Stufe I mit 500 l/h und in der zweiten Stufe mit 250 l/h. Die Ausgangswassermenge von 500 l/h wird über den Elektrochemiereaktor mit hohem Faradaywirkungsgrad aufgrund der Anfangsleitfähigkeit von 35 000 bis 40 000 μSiemens/cm behandelt, über die Aktivkohlekaskaden (05) gereinigt und im UV-Reaktor (06) weitergehend biodesaktiviert. Die gesamte gereinigte Wassermenge fließt über eine Druckerhöhung (60 bar) in die erste Umkehrosmose; es entsteht dabei eine Teilmenge von 300 l/h eine mit 1 300 mg NaCl-Gehalt. 240 l/h werden dann in der zweiten Stufe auf 20 bar gebracht und 190 l Reinwasser pro Stunde mit 65 mg NaCl pro Liter generiert. Die Mischung von 190 l/h Reinwasser und 60 Liter Wasser pro Stunden aus der Zwischenstufe führen zu einem physiologisch einwandfreien Süßwasser mit einer NaCl-Gehalt zwischen 350 und 400 mg/Liter. Der Energieaufwand liegt bei etwa 1 kWh/250 Liter Trinkwasser.
Beispiel 06: Anlagentechnik – Mitteldruckosmose
Bei küstennaher Wassergewinnung fällt durch Mischung von See-, Regen- und Grundwasser der Anteil der Salze soweit ab, dass eine Einstufenosmose durchführbar ist. Diese ist dann allerdings höher belastet mit den entsprechenden suspendierten Anteilen aus dem Oberflächenwasser oder durch die Anteile an Erdalkaliionen, die nach Tab. 1 in der Reihenfolge Hydroxid/Carbonat/Hydrogencarbonat/Sulfat bei osmotischer Aufkonzentration ausfallen. Der elektrochemische Reaktor (02) erzeugt in der ersten Stufe bei 800 l/h und einer Stromstärke von 1 bis 10 A Hydroxid- und Carbonatanionen mit ausreichend homogener Ausfällungen von Kristallkeimen der Spezies Mg(OH)₂, CaCO₃ und MgCO₃. Gleichzeitig entsteht etwas Hypochlorit, das in der Adsorptionskaskade in verschiedenen Reaktionsabläufen biodeaktivierend umgesetzt wird und damit nicht bis zur Osmosemembran vordringt. Das noch mit Hilfe eines UV-Reaktors nachbehandelte Rohwasser kann in diesem speziellen Fall der Mitteldruckosmose nach 01 mit bis zu 270 l/h dem Osmosewasser zugesetzt werden, um, gesteuert über eine Leitfähigkeitsmesssonde (34), eine physiologisch optimale Trinkwasserzusammensetzung zu ergeben.
Beispiel 07, 06 und 07: Anlagentechnik – Brunnenwasseraufbereitung bei höchsten Gehalten an Erdalkalikationen
Ein hoher Anteil von Erdalkaliionen neben dem Kochsalzanteil NaCl erfordert nach Tab. 01 eine strenge Berücksichtigung der Löslichkeiten und die Vorausbildung von homogenen Kristallitkeimen im Rohwasser vor der Trennung in den Membranen. Ein überkritischer, metastabiler Zustand, der zu nicht ausspülbaren Ablagerungen in den Zuführungszonen (Kanälen und Taschenporen) vor der Löslichkeitsmembranschicht führt, muss vermieden werden. Dazu wird der elektrochemische Reaktor in der Vorreinigung, abhängig von einem ionenselektiven Sensor für Mg²⁺ bzw. Ca²⁺ oder in einer vereinfachten Weise bei nachlassendem Permeatstrom unter Konstantdruckbedingungen, folgendermaßen festgelegt:
Mg²⁺-Ausfällung:

2 000 mg/l aufkonzentriert bei 90%-Flusswirkungsgrad auf 18 200 mg/l. MgCO₃-Carbonatvorausfällung bis 100 mg/l (siehe Tab.).

Ca²⁺-Ausfällung:

2 000 mg/l aufkonzentriert bei 90%-Flusswirkungsgrad auf 18 200 mg/l. CaSO₄-Sulfatvorausfällung bis 2 000 mg/l (siehe Tab.).

Der Wirkungsgrad einer homogenen Kristallitkeimbildung mittels Vorausfällung von Mg(OH)₂, CaCO₃, MgCO₃ und CaSO₄ im elektrochemischen Reaktor beträgt nach Untersuchung etwa 80 bis 90 %, dies erfordert eine homogene Vorausfällung von 3 000 mg/l (30 mmol) oder rund 150 As/l, d. h. bei 20 A wird der Elektrochemiereaktor mit rund 500 l/h Rohwasser beschickt. Je nach Sensoranforderung kann bei geringerer Ausfällung bzw. geringerem Erdalkaligehalt die Leistung des Reaktors angepasst werden.
Die Anlage nach 06 wird vervollständigt durch den Vor- und Grobfilter (01) zur Sedimentreduktion, einen Feinfilter (04) zum Schutz der UV-Anlage (06) und einem Pufferbehälter (27). Die Sensorik (07) betrifft die Photostrombestimmung (32) im UV-Reaktor (06), eine Vorleitfähigkeitsfixierung durch den Stromwert des potentiostatisch gefahrenen Elektrochemiereaktor (02) über die Elektroden (03), einer optionalen Kationenbestimmung (33) und der Messung des Permeatflusses (31) der Umkehrosmose (21) neben der Fixierung des Brauchwasserstromes (35). Die Mischung wird gesteuert über eine selektive Leitfähigkeitskontrolle (34) im Puffergefäß (28).
Tabelle: Ausfällung der Erdalkalisalze bei OH-Erzeugung und Hydrogencarbonat/Carbonat-Verschiebung

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Brauch- und Trinkwasser aus salzhaltigen Wässern, vornehmlich See- und Brackwasser mit einer spezifischen Leitfähigkeit über 2 000 μ Siemens/cm, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das zu reinigende salzhaltige Wasser zunächst vorbehandelt wird, indem es durch einen elektrochemischen Reaktor geleitet wird, dessen Elektroden eine leitfähige Kohlenstoffstruktur aufweisen und der mehrere Elektroden in kaskadenartiger Anordnung aufweist, wobei in den Elektroden ionenstabilisierte Suspensionen ausgefällt und nicht suspensionsgängige Teilchen ausgefiltert werden, und sodann in einem nachfolgenden Reaktor mit Aktivkohle die gelösten und jetzt noch suspensionsgängigen Wasserinhaltsstoffe adsorbiert und aufoxidiert werden, sodann in einem Durchflussreaktor am Ende der Anlage mittels UV-Bestrahlung die aufoxidierten organischen Schadstoffe weiter abgebaut und pyrogene Keime zerstört werden und das derart behandelte Wasser sodann auf einen Salzgehalt von 50 bis 200 mg Na + und 40 bis 100 mg Magnesium und Calciumionen pro l Wasser mittels Umkehrosmose gereinigt wird und sodann dieses einen so niedrigen Ionengehalt aufweisendes Wasser mit vorbehandeltem Salzwasser auf einen Salzgehalt von 700 bis 900 mg/l eingestellt wird, wobei das Verhältnis zwischen einwertigen und zweiwertigen Ionen (Na und K zu Ca und Mg auf 5:1 bis 1:2 sowie die Gesamtleitfähigkeit des erhaltenen Brauch- bzw. Trinkwasser auf eine Gesamtleitfähigkeit von weniger als 2 000 μSiemens·cm^–1 eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung von dem durch die Osmose weitgehend entsalzten Wasser mit dem vorbehandeltem Salzwasser leitfähigkeitsgesteuert erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Osmosevordruck als auch die Regelung des Mischungsverhältnisses des osmotisch gereinigten Wassers und des noch salzhaltigen vorbehandelten Wassers mittels der Strom- und Spannungswerte des Elektrochemiereaktors gesteuert werden.