DE102006051116A1 - Filteranordnung zur Wasseraufbereitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung zur Wasseraufbereitung mit wenigstens einem zwischen Wasserzu- und -ableitung angeordneten Filterkörper. Hierbei ist vorgesehen, dass der Filterkörper zur katalytischen Entfernung von zumindest Teilen im Zulauf vorhandener, unerwünschter Spurenelemente ausgebildet ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und befasst sich somit mit der Wasseraufbereitung.
• Die Wasseraufbereitung gewinnt zunehmend an Bedeutung, um für eine wachsende Bevölkerung bei gleichzeitig abnehmenden Wasserressourcen die Versorgung mit Trinkwasser sicherzustellen; daneben besteht auch in anderen Fällen der Bedarf nach Wasseraufbereitung, etwa, um Mineralwasser aufzubereiten, Prozesswasser und dergleichen. In vielen Fällen ist nun die Verwendbarkeit einer Wasserquelle oder aber die Wiederverwendbarkeit von Prozesswässern beeinträchtigt durch Spurenelemente. Diese können zum einen die Genießbarkeit verringern, was von einer geschmacklicher Note bis hin zu gesundheitlichen Gefährdungen durch Überschreitung zulässiger Spurenelement konzentrationen reicht; zum anderen können aber auch die zur Leitung des Wassers verwendeten Rohrsysteme und Geräte durch die Zusammensetzung beeinträchtigt sein, was bei Kalkablagerungen allgemein bekannt ist, aber in gleicher Weise z. B. auch durch einen zu hohen Eisengehalt usw. gegeben sein kann. Korrosion wie übermäßige Ablagerungen sind also in der Regel bedingt durch die Wasserzusammensetzung.
• Bei der Behandlung von Wasser kommt es vor diesem Hintergrund fundamental darauf an, dass diese kostengünstig und zugleich betriebssicher ist, da in vielen Fällen weder ein Betriebsausfall noch eine auch nur temporäre Wasserverunreinigung tolerierbar ist.
• Um die unerwünschten Bestandteile zu entfernen, wird schon seit langem Wasser aufbereitet. Es ist insbesondere vorgeschlagen worden, Ionenaustauscher zu verwenden, um unerwünschte Wasserbestandteile zu entfernen, vgl. Nachrichten aus dem Institut für Technische Chemie-, Geo- und Wassertechnologie, 1. Jahrgang, Heft 3, 21-39 (2002) „Entfernung von Schwermetallen mit Selektiv-Kationenaustauschern bei der Trinkwasseraufbereitung" von O. Dördelmann. Weiter ist bekannt, durch Zugabe von Chemikalien eine Fällung unerwünschter Bestandteile vorzunehmen und die ausgefällten Substanzen abzufiltern oder absinken zu lassen.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
• Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht; bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
• Die vorliegende Erfindung schlägt somit in einem ersten Grundgedanken eine Filteranordnung zur Wasseraufbereitung mit wenigstens einem zwischen Wasserzu- und ableitung angeordneten Filterkörper vor, bei welcher vorgesehen ist, dass der Filterkörper ein Filtermittel zur katalytischen Entfernung zumindest von Teilen im Zulauf vorhandener unerwünschter Spurenelemente umfasst, wobei diese katalytische Entfernung von Spurenelementen zwar im Einzelfall bzw. temporär wie bei Einsatz als Polizei- oder Notfilter als alleinige Filterung dienen kann, gleichwohl aber typisch stromabwärts eines Ionentauschers vorgenommen wird. Filterkörper im vorliegenden Sinne sind dabei Mittel zur Entfernung unerwünschter Stoffe oder zur Einstellung gewünschter Eigenschaften, ohne dass es auf ein mechanisches Herausfiltern von z. B. Grobstoffen wenigstens primär ankommt.
• Eine erste wesentliche Erkenntnis liegt somit darin, dass an Stelle des oder zusätzlich zu dem in Ionenaustauschern oder dergleichen stattfindenden Austausch von Substanzen auch eine schlichte Umsetzung von störenden Substanzen ohne Zugabe von Chemikalien in ökonomischer Weise und sicherer Form möglich ist. Dies wurde als möglich und vorteilhaft erkannt, weil zwar ein Teil der Spurenelemente in Rohwässern nicht in ionogener Form, sondern als Aquokomplexe vorliegen, die großenteils elektrisch positiv geladen sind und damit wie Ionen dem direkten-Austausch an einem Ionentauscher zugänglich sind, wobei jedoch ein anderer, ebenfalls nicht unerheblicher Teil bereits in hydrolisierter bzw. hydratisierter Form als elektrisch neutrale Hydroxikomplexe vorliegt, was vor allem in stark belasteten Rohwässern auch die Entfernung dieses Teils sinnvoll macht; der Wunsch, auch diesen Teil zu entfernen, wird mit der Erfindung durch katalytische Überführung, in be vorzugter Weise in schwerlösliche Hydroxide, erfüllt, die adsorptiv gebunden werden können. Zugleich sind dafür weder teure Fällungschemikalien zuzugeben noch andere Substanzen, die teuer sind und zu regelmäßigen Wartungsarbeiten führen. Es wurde erkannt, dass die Anwendung eines vorgeschalteten Ionenaustauscherfiltermittels die Entfernbarkeit der in hydrolisierter bzw. hydratisierter Form als elektrisch neutrale Hydroxikomplexe vorliegenden störenden Elemente nicht beeinträchtigt, sondern begünstigt.
• Ganz prinzipiell ist die Erfindung einsetzbar und bevorzugt, wenn allgemein störende, vor allem toxische Metalle im aufzubereitenden Wasser enthalten sind, vor allem Antimon (Sb), Arsen (As), Zink (Zn), Blei (Pb), Cadmium (Cd), Chrom (Cr), Quecksilber (Hg), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Selen (Se) sowie Uran (U) und/oder weitere radioaktive Zufallsprodukte. In einer besonders bevorzugten Variante wird das katalytische Filtermittel daher auch eingesetzt, wenn in dem aufzubereitenden Wasser u. a. Eisen, Mangan, Arsen und/oder Uran bzw. Produkte aus der Uranzerfallsreihe enthalten sind. Es hat sich gezeigt, dass gerade bei diesen Stoffen die Entfernung von Spurenelementen, auch wenn sie nicht in ionogener Form vorliegen, möglich und vorteilhaft ist.
• Das Filtermittel des Filterkörpers wird bevorzugt mit Mangandioxid gebildet, das die Entfernung durch Überführung der störenden Spurenelemente in schwer lösliche Hydroxide katalysiert.
• Prinzipiell ist es in vielen Fällen zwar ausreichend, wenn der Filterkörper als alleiniger Filter eingesetzt wird. Dies gilt insbesondere in nur wenig eisenbelasteten Rohwässern, genauso wie in Haushalten oder bei Endverbrauchern, denen schon weitgehend aufbereitetes Wasser zugeführt wird. Auch kann ein Notbetrieb mit nur dem katalytischen Filter vorgesehen werden.
• Bevorzugt ist aber, gerade bei großtechnischen Anlagen, die quellnah angeordnet werden, dem katalytisch wirkenden Filtermittel einen Ionenaustauscher oder ein anderes Filterelement als weiteren Teil des Filterkörpers vorzuschalten, mit dem Eisen ausgetauscht wird. In einem solchen Fall ist die Menge an noch zu entfernendem Eisen besonders gering. Dies ist vorteilhaft, weil ein Mangandioxidfilter einerseits geringere Reaktionsgeschwindigkeiten als Ionenaustauscher besitzt und andererseits die Kapazität geringer als bei Ionenaustauschern ist. Von Kapazität ist hier deshalb die Rede, weil sich ungeachtet der katalytischen Umsetzung am Filter eine Blockierung der Filteroberfläche ergeben kann. Obwohl prinzipiell noch gute Ergebnisse erzielt werden, kann dies bei einem Dauerbetrieb zur Notwendigkeit recht groß dimensionierter Anlagen führen. Wird hingegen der katalytische Filter der vorliegenden Erfindung nur kurzfristig, etwa bei Wartungsarbeiten an einem vorgeschalteten Ionentauscherfilter oder anderen vorgeschalteten Filtern verwendet, um einen „Notbetrieb" unter Einhaltung aller erforderlichen Richtlinien zu gewährleisten, und/oder werden nur noch geringe Restmengen zu entfernen sein, so ist eine kleine Dimensionierung ohne Weiteres auch für langfristigen Betrieb ausreichend. Insbesondere dann, wenn ein solcher Notbetrieb beabsichtigt ist, aber auch in anderen Fällen, ist es vorteilhaft, wenn, wie es typisch und bevorzugt der Fall ist, mit dem katalytischen Filter auch jene toxischen Metalle adsorptiv gebunden werden können, die durch den jeweils per se vorgesehenen Ionentauscher auch ir reversibel zu binden wären. Spezifisch erwähnt seien diesbezüglich neben Eisen und Mangan insbesondere jene (Schwer-)Metalle, die in der TrinkWVO vom 21. Mai 2005 aufgeführt sind, insbesondere Antimon (Sb), Arsen (As), Blei (Pb), Cadmium (CD), Chrom (Cr), Quecksilber (Hg), Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Selen (Se), Uran (U) und/oder weitere radioaktive Metalle und Zink (Zn). Die Möglichkeit, den Filterkörper der vorliegenden Erfindung dergestalt ausbilden zu können, macht ihn besonders für speziell belastete Wässer interessant und vorteilhaft. während mit Mangandioxid als katalytischer Substanz allgemein hervorragende Ergebnisse für die aufgeführten Spuren erzielt werden können, ist es prinzipell alternativ und/oder zusätzlich möglich, eine Materialwahl für weiteres oder anderes katalytisch wirksames Substanzmaterial derart vorzunehmen, dass vom Hersteller des typisch vorzusehenden Ionentauschers angegebene weitere Metalle, insbesondere soweit für ein jeweiliges Wasser erforderlich, gebunden werden können.
• Es ist besonders bevorzugt, wenn der Filterkörper dergestalt installiert und/oder angeströmt wird, dass er Trinkwasser aufzureinigen vermag, das heisst in einer Trinkwasserquelle und/oder in einem Trinkwasserversorgungszweig eingesetzt wird.
• Die Filteranordnung wird typisch (auch) eine katalytische Fällung bewirken. Dabei ist es bevorzugt, wenn die katalytisch aktiven Substanzen als Fasern oder auf Fasern oder dergleichen angeordnet sind, um die gefällten Substanzen mechanisch zu fixieren.
• Es ist besonders bevorzugt, einen Entsäuerungsfilter bzw. ein Entsäuerungsmittel vorzusehen, insbesondere stromabwärts des katalytisch wirkenden Filtermittels, was in einer typischen Auslegung somit eine Durchströmung in der Reihenfolge Ionentauscher->katalytisches Filtermittel->Entsäuerungsmittel ergibt. Das Entsäuerungsmittel wird insbesondere auf Kalk- oder Dolomitbasis arbeiten, um die Einhaltung des gesetzlich vorgegebenen Kalklöseverhaltens zu gewährleisten.
• Zur Verwendung der Filteranordnung ist es besonders bevorzugt, wenn der Filter nach einer vorgegebenen Betriebszeit oder unter bestimmten Bedingungen, wie Erreichen eines bestimmten Betriebszustandes, rückgespült wird, was einerseits die Ausfällungen mechanisch entfernt und andererseits den Filterkörper lockert.
• Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise beschrieben, wobei Bezug genommen wird auf
• 1 eine Filteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Nach 1 umfasst eine allgemein mit 1 bezeichnete Filteranordnung 1 zur Wasseraufbereitung einen zwischen Wasserzuleitung 2 und Wasserableitung 3 angeordneten Filterkörper 4, der zur katalytischen Entfernung zumindest von Teilen im Zulauf vorhandener, unerwünschter Spurenelemente ausgebildet ist. Wenn vorliegend von „Filter" körper die Rede ist, so geschieht dies nicht, weil zwingend eine mechanische Ausfilterung von Grob- oder Schwebstoffen benötigt wird, sondern weil eine große Oberfläche zur Begünstigung der Aufreinigung sinnvoll ist, was typisch filterartige Strukturen zur Folge hat. Die Filteranordnung 1 wird im vorliegenden Fall von Quellwasser angeströmt, das in der Wasserzuleitung einströmt und zur Trinkwasserversorgung eines Siedlungs-Gebietes, wie einer Gemeinde, aus der Leitung 3 abgeleitet wird. Die Filteranordnung 1 ist dabei so dimensioniert, dass sie ohne großen baulichen Aufwand mit geringem Volumen in einem Brunnenhaus angeordnet werden kann.
• Die Filteranordnung 1 umfasst zwischen dem Wasserzulauf 2 und der Filteranordnung 4 in normalem Strömungsverlauf einen Ionenaustauscher 5 herkömmlicher Bauart; verwiesen wird beispielsweise auf die vorzitierten Selektiv-Ionenaustauscher. Im stromabwärtigen Bereich hinter dem katalytischen Filter 4 ist ein Filter auf Calcit-Basis 6 angeordnet, der das Wasser entsäuert. Die Verbindung der einzelnen Filter untereinander ist durch Leitungen 7 angedeutet.
• Erfindungsgemäß ist nun der Filter 4 durch ein Material auf Mangandioxidbasis in faseriger Form gebildet. Ein geeignetes Material ist beispielsweise unter dem Handelsnamen „Birm^®" verfügbar.
• Die Anordnung wird verwendet und wirkt wie folgt: Im zuströmenden Rohwasser befindet sich zunächst ein Gehalt an Spurenelementen von Eisen, Mangan und anderen Bestandteilen in einer unerwünschten Menge. Insbesondere können auch Schwermetallspuren enthalten sein.
• Das zuströmende Wasser wird zunächst über den Ionenaustauscher, der beispielsweise aus Lewatit gebildet sein kann, geleitet, wobei dieser auf Grund seiner spezifischen Eigenschaften die wesentlichen Teile der in dem zuströmenden Wasser gelösten Schwermetalle bindet, während beispielsweise Kalzium und Magnesium im Wasser belassen werden. Diese Substanzen werden irreversibel im Ionentauscher gebunden.
• Der Ionentauscher entfernt dabei im Wesentlichem die Eisen- und Mangan-Spurenbestandteile, und zwar typisch soweit, wie sie als Aquokomplexe vorliegen und als solche eine elektrische (positive) Ladung tragen, wodurch sie sich wie Ionen verhalten; allerdings wird ein bestimmter Anteil an Eisen- und Manganspurenelementen in hydrolisierter und/oder hydratisierter, elektrisch neutraler Form als Hydroxidkomplex vorliegen, wodurch diese Bestandteile insoweit nicht, jedenfalls nicht hinreichend schnell, an den Tauscher binden.
• Nach Durchströmen durch den Ionentauscher werden diese Bestandteile, gegebenenfalls mit anderen Spurenelementen wie Uran, Arsen und anderen Verbindungen durch den Filterkörper 4 mit dem katalytisch wirksamen Material auf Mangandioxidbasis geführt, um dort die entsprechenden eisen- bzw. manganhaltigen Verbindungen in schwerlösliche Hydroxide zu überführen, die dann adsorbtiv gebunden werden.
• Das demgemäß enteisente und entmangante Wasser wird nachfolgend im Filter entsäuert.
• Zur Wartung des Innenfilters, die als Rückspülen zur Auflokkerung und zur Entfernung von im Tauscher mechanisch angehafteten, vom Rohwasser antransportierten Feststoffen gelegentlich erforderlich ist, ist nun keine Pendelanlage erforderlich, sondern es wird, während der Ionentauscher durch geeignete Beschaltung (nicht gezeigt) automatisch und/oder manuell aus dem Wasserfluss genommen wird, die vollständige Reinigung und Aufbereitung des Rohwassers kurzfristig durch den Filter körper 4 vorgenommen. Dies ist problemfrei möglich, weil das Rückhaltevermögen des katalytischen Filters zwar geringer als jenes des Ionentauschers ist, so dass eine Auslegung der Filterkapazität für langfristige Eisen- und Manganentfernung auf Grund des dann erforderlichen sehr großen Volumens nicht sinnvoll ist, aber sehr wohl das gesamte Fe-Mn-Kontainment kurzfristig, insbesondere auch für mehrere Wochen andauernde Wartungsarbeiten am Ionentauscher, wie sie im Betrieb gegebenenfalls vorkommen können, ausreichend ist. Es wird damit eine Pendelanlage, wie sie andernfalls bei Ionentauschern üblich oder sinnvoll ist, entbehrlich, was einerseits, insbesondere zusammen mit dem geringen Volumen des Filterkörpers 4, die Baukosten für Gebäude niedrig hält und andererseits den aparativen Aufwand verringert. Dies ist besonders deshalb günstig, weil dadurch die Möglichkeit eröffnet wird, in einer bevorzugten Variante die gesamte Filteranordnung nahe beim Tiefbrunnen oder am Tiefbrunnen selbst anzuordnen, um die Zuleitungen zu den Versorgungsgebieten vor der Beaufschlagung mit unbehandeltem Rohwasser zu schützen, da eine solche Rohwasserbeaufschlagung zu Ablagerungen in den Rohren führen kann, was wiederum zu einer teueren Reinigung und/oder Reparatur führt. Die Gesamtanordnung kann somit günstig betrieben werden.
• Bei normalem Betrieb wird, abgesehen von dem regelmäßig erforderlichen Rückspülen des Ionentauschers, auch ein Rückspülen des analytischen Filterkörpers 4 erforderlich. Während dieser kurzen Rückspülzeit, die der Entfernung gebildeter Niederschläge dient und der Auflockerung des verwendeten Filtermaterials, kann entweder eine kurzfristige Belastung der Zuleitungen toleriert werden, soweit damit noch keine Grenzwerte überschritten werden und/oder es kann ein Filterwechsel durch Austausch oder unter Verwendung eines Pendelfilters vorgenommen werden; allerdings wird im Regelfall, durch die Vorschaltung des Ionenaustauschers keine signifikante Überschreitung der zulässigen Grenzwerte auftreten.
• Es sei darauf hingewiesen, dass die erforderlichen Wartungsarbeiten gering sind und überdies der gesamte Verfahrensablauf vollständig automatisierbar ist, was beispielsweise die Übermittlung von Daten an eine Steuerzentrale ermöglicht.
• Es sei weiter darauf hingewiesen, dass der Einsatz des erfindungsgemäßen katalytischen Filters auch dort sinnvoll ist, wo bei Ionenaustauschern eine Sicherheit gegen Durchschlagen oder dergleichen gewünscht ist, also der Körper eine „Polizeifilter"-Funktion besitzt.
• Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, Rohwässer kostengünstig auch dann zu nutzen, wenn sie mit Spurenelementen, insbesondere Eisen und Mangan und/oder den in der Trink-WVO vom 21. Mai 2005 aufgeführten toxischen Metallen übermäßig belastet sind. Es ergibt sich auch eine gute Möglichkeit der Aufbereitung von Mineralwässern, Prozesswässern und dergleichen. Gleichfalls ist eine Verwendung in Haushalten ohne Weiteres möglich und es sei erwähnt, dass gegebenenfalls auch eine mobile Filtereinheit mit dem Filterkörper aufgebaut werden kann, um bei größeren Wartungsarbeiten bei bestehenden Filteranlagen einen kurzfristigen Ersatz bereitstellen zu können.

Claims (11)

1. Filteranordnung zur Wasseraufbereitung mit wenigstens eifern zwischen Wasserzu-und ableitung angeordneten Filterkörper mit gegebenenfalls mehreren Filtermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper ein zur katalytischen Entfernung von zumindest Teilen im Zulauf vorhandener, unerwünschter Spurenelemente ausgebildetes Filtermittel umfasst, das einem Ionenaustauschermittel nachschaltbar ist.
2. Filteranordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass er zur katalytischen Entfernung von zumindest einem Teil der Spurenelemente Eisen, Mangan, Arsen und Uran ausgebildet ist.
3. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper ein mit Mangandioxid zur katalytischen Entfernung zumindest von Teilen der im Zulauf vorhandenen unerwünschten Spurenelemente gebildetes Filtermittel umfasst.
4. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytisch wirkende Filtermittel einem eisenspurenentfernenden Filtermittel nachgeordnet ist.
5. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper einem Ionenaustauscherfilter nachgeordnet ist.
6. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkörper installiert, beschaltet und/oder angeschlossen ist, um gegebenenfalls temporär an Stelle eines weiteren, zur Filteranordnung gehörenden Filterkörpers Wasser filtern zu können.
7. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter zur katalytischen Fällung gelöster Spurenelemente gebildet ist.
8. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Haustechnikanlage für Wohngebäude und dergleichen ausgebildet ist.
9. Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem katalytisch wirkenden Filterkörper ein Entsäuerungsfilter, insbesondere auf Kalk- und/oder Dolomitbasis nachgeordnet ist.
10. Verfahren zur Verwendung einer Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter nach einer vorgegebenen Betriebszeit und/oder einem vorbestimmten Betriebszustand rückgespült wird, um Ausfällungen mechanisch zu entfernen und den Filterkörper zu lockern.
11. Verwendung einer Filteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Aufbereitung von Rohwasser, Quellwasser, Mineralwasser, Trinkwasser, Grundwasser und/oder Oberflächenwasser.