DE102007030105A1

DE102007030105A1 - Verfahren zur Aufbereitung von Wasser

Info

Publication number: DE102007030105A1
Application number: DE200710030105
Authority: DE
Inventors: Berthold Müller
Original assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-01-02
Also published as: WO2009000693A1; EP2162398A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, bei dem Wasser von einem Retentat mittels Filtration durch mindestens eine Membran (3) getrennt wird, wobei das Wasser bei Filtration die Membran (3) in einer Permeationsrichtung durchströmt, wobei mindestens eine Membran (3) zumindest zeitweise in einer Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt zu einer Permeationsrichtung von einem Spülstrom (8) durchspült wird, zeichnet sich dadurch aus, dass dem Spülstrom (8) gasförmiges Kohlendioxid (CO<SUB>2</SUB>) zugegeben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise die Reinigung vom Membranen (3) beispielsweise in Abwasseraufbereitungsanlagen (1), die beispielsweise eine Belebtschlammabtrennung durchführen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Intervalle zwischen zwei Rückspülvorgängen deutlich erhöht werden. Dies erhöht die Profitabilität der entsprechenden Anlagen, das die Betriebszeiten der entsprechenden Abwasseraufbereitungsanlagen (1) erhöht werden und die Intervalle zwischen Rückspülvorgängen und physikalisch-chemischen Reinigungen der Membranen (3) verringert werden.

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere zur Behandlung von Abwasser. Insbesondere beschäftigt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit der Membranfilterung in der biologischen Abwasserreinigung.
Das Verfahren der Membranfiltration wird in der Wasser- und Abwasseraufbereitung vielfältig eingesetzt. Unter anderem werden in der biologischen Abwasserbehandlung Membranfiltrationsverfahren zur Belebtschlammabtrennung nach biologischer Aufbereitung der Abwässer eingesetzt. Damit die Membranen nicht blockieren, sind in relativ kurzen Abständen Rückspülungen vorgesehen. Dies ist notwendig, da insbesondere in der biologischen Abwasserbehandlung die entsprechenden Membranen durch Belagbildungen zugesetzt werden. Trotz starker Turbulenzen, die um die Membran herum erzeugt werden, in dem beispielsweise Druckluft zugegeben wird, kommt es innerhalb kurzer Zeit zu Ablagerungen auf der Membranoberfläche. Die Druckluft beschleunigt die Bildung von Kalk auf der Membran noch zusätzlich durch das Ausstrippen von Kohlendioxid. Hierunter versteht man die Verschiebung des Lösungsgleichgewichts durch die Zugabe der Druckluft, die dazu führt, dass im Wasser gelöstes Kohlendioxid ausgast. Bei zu starken Verblockungen der Membran muss diese entfernt und einer chemisch-physikalischen Reinigung zugeführt werden. Dies ist kostenintensiv und bewirkt relativ große Ausfallzeiten der entsprechenden Membran.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser vorzuschlagen, welches die oben bezeichneten Nachteile zumindest lindert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, bei dem Wasser von einem Retentat mittels Filtration durch mindestens eine Membran getrennt wird, wobei das Wasser bei Filtration die Membran in einer Permeationsrichtung durchströmt, wobei mindestens eine Membran zumindest zeitweise in einer Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt zu einer Permeationsrichtung von einem Spülstrom durchspült wird, zeichnet sich dadurch aus, dass dem Spülstrom gasförmiges Kohlendioxid (CO₂) zugegeben wird.
Durch die Zugabe des Kohlendioxids bildet sich in Wasser Kohlensäure: CO₂ + H₂O → H₂CO₃.
Die Kohlensäure steht im Reaktionsgleichgewicht mit Kalk, insbesondere Calciumcarbonat und Calciumhydrogencarbonat: CaCO₃ + H₂CO₃ ↔ Ca(HCO₃)₂.
Hierbei fällt Calciumcarbonat als Feststoff aus, während Calciumhydrogencarbonat noch in Lösung ist. Durch Erhöhung des Kohlensäureanteils kann somit das Reaktionsgleichgewicht hin zum Calciumhydrogencarbonat verschoben werden. Dies verhindert wirkungsvoll die Ausfällung von Kalk. Dadurch verlangsamt sich die Verblockung der entsprechenden Membran, so dass hier eine längere Stand- und Betriebszeit der Membran erreicht werden kann. Weiterhin kann bei der Rückspülung auch erreicht werden, dass bereits auf der Membran ausgefallener Kalk wieder als Calciumhydrogencarbonat in Lösung übergeht. Dies bewirkt eine Reinigung der Membranen und Auflösung der sich dort bildenden Beläge.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Spülstrom Wasser (H₂O).
Wasser bewirkt in vorteilhafter Weise eine gute Reinigung der entsprechenden Membranen, es ist kostengünstig verfügbar und besitzt eine hohe Löslichkeit für Kohlendioxid. Durch den Einsatz von Wasser als Spülstrom kann so mit kostengünstigen einfachen Mitteln eine gute Reinigung der Membran erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Anteil an gasförmigem Kohlendioxid oberhalb der Sättigungsgrenze für Kohlendioxid.
Hierbei versteht man unter der Sättigungsgrenze eine Gleichgewichtskonzentration des Kohlendioxid in Wasser, bei der ein Diffusionsgleichgewicht zwischen in Lösung gehenden und die Lösung verlassenden Kohlendioxidmolekülen herrscht. Diese Sättigungsgrenze ist abhängig vom Druck und von der Temperatur des Spülwassers.
Dadurch, dass der Anteil an gasförmigem Kohlendioxid oberhalb der Sättigungsgrenze für Kohlendioxid liegt, können sich Gasblasen im Spülstrom bilden, die in vorteilhafter Weise die Reinigungswirkung innerhalb der Membran erhöhen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass durch die Kohlendioxidgasblasen Turbulenzen in der Membran erzeugt beziehungsweise vergrößert werden. Bevorzugt wird hierbei das Kohlendioxid so zugegeben, dass Gasblasen entstehen, die auch in kleinere Poren der Membran noch vordringen können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Kohlendioxid so zugegeben, dass Kohlendioxidblasen eines Durchmessers von einem Mikrometer bis drei Millimeter entstehen. Bevorzugt wird Kohlendioxid so zugegeben, dass Kohlendioxidblasen eines mittleren Durchmessers von 100 bis 800 Mikrometer entstehen.
Ein solcher mittlerer Durchmesser bewirkt, dass das gasförmige Kohlendioxid auch in Poren kleinen Durchmessers eindringen und dort die Reinigungswirkung erhöhen kann. Auch das nicht in Gasform, sondern gelöst vorliegende Kohlendioxid erhöht die Reinigungswirkung in den Membranen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Kohlendioxid so zugegeben, dass die Breite der Verteilung (FWHM, volle Breite bei halber Höhe) der Blasendurchmesser bei weniger als 1 Millimeter liegt.
Diese Breite der Verteilung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gründliche Reinigung der verschiedenen Poren von Membranen, die in der Abwasseraufbereitung eingesetzt werden. Bevorzugt wird hierbei das Kohlendioxid so zugegeben, dass eine Größenverteilung erreicht wird, die im Wesentlichen der Größenverteilung der zu reinigenden Poren entspricht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt der Anteil an gasförmigem Kohlendioxid unterhalb der Sättigungsgrenze für Kohlendioxid.
Dies bewirkt, dass kein gasförmiges Kohlendioxid sondern nur in Lösung befindliches Kohlendioxid im Spülstrom vorhanden ist. In Lösung befindliches Kohlendioxid bewirkt eine Anreicherung des Wassers in der Nachbarschaft der zu reini genden Membran mit Kohlendioxid, wodurch die Bildung von Kalk durch Reaktion mit Luftsauerstoff verzögert wird. Dies verzögert Kalkausfällungen bzw. verschiebt das entsprechende Reaktionsgleichgewicht so, dass sich bereits gebildete Kalkausfällungen wieder rückbilden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Menge an zuzugebendem Kohlendioxid in Abhängigkeit von mindestens einem der folgenden Parameter festgelegt:

a) einer Durchflussmenge des Spülstroms und
b) einer Temperatur des Spülstroms.

Hierbei wird bevorzugt eine Menge an Kohlendioxid bestimmt, die mit steigender Durchflussmenge steigt und mit steigender Temperatur fällt. Bevorzugt ist hierbei eine Verfahrensführung, bei der das Reaktionsgleichgewicht im Wesentlichen auf Seiten des Calciumhydrogencarbonats liegt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchspülungen der Membran mit dem Spülstrom in Abhängigkeit von dem Druckverlust der Membran festgelegt.
Der Druckverlust hat sich als ein gutes Maß für die entsprechende Filterwirkung der Membran erwiesen. Mit steigendem Druckverlust und nach Überschreiten eines vorgebbaren Grenzdruckverlustes kann angenommen werden, dass die Filterwirkung der Membran eingeschränkt ist. Dann wird ein Rückspülen der Membran initiiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben, ohne dass sie auf die dort offenbarten Details beschränkt wäre. Es zeigen schematisch:
1 eine Membranfiltrationsanlage zur Abwasserreinigung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 ein Beispiel einer Verteilung der Blasendurchmesser.
Die Abwasseraufbereitungsanlage 1 umfasst mindestens eine Membraneinheit 2 mit einer Vielzahl von Membranen 3. Über einen Zulauf 4 wird die Abwasseraufbereitungsanlage 1 mit aufzubereitendem Abwasser 5 versorgt. In der Abwasseraufbereitungsanlage 1 erfolgt insbesondere eine biologische Abwasserbehandlung mit Belebtschlamm. Durch Anlegen eines Unterdrucks an der Ableitung 6 wird eine Filtration durchgeführt, bei der das Wasser im Abwasser 5 die Membranen 3 in einer Permeationsrichtung, hier von außen nach innen, durchströmt. Das so erzeugte Filtrat 7 wird durch die Ableitung 6 abgezogen.
Wenn beispielsweise wegen Belagbildung in oder an den Poren der Membranen 3 eine Rückspülung nötig wird, kann durch entsprechende Mittel wie beispielsweise eine Pumpe ein Spülstrom 8 in die Membranen 3 eingeleitet werden, so dass diese entgegengesetzt zur Permeationsrichtung von diesem Spülstrom 8 durchströmt werden. Über ein Ventil 9 kann hierbei gasförmiges Kohlendioxid 10 in erfindungsgemäßer Weise dem Spülstrom 8 zugegeben werden. Das gasförmige Kohlendioxid verhindert die Bildung von Calciumcarbonat in der Membran oder löst dort vorliegendes Calciumcarbonat auf, in dem die oben gezeigte Reaktion mit Kohlensäure zu Calciumhydrogencarbonat genutzt wird. Hierbei wird bevorzugt der Kohlendioxidstrom so bemessen, dass Kohlendioxid übersättigt im Spülstrom 8 vorliegt. Dies führt zur Bildung von Kohlendioxidblasen, die eine Erhöhung der Turbulenz der Strömung durch die Membranen 3 und eine erhöhte Reinigungswirkung in den Membranen 3 bewirken.
2 zeigt ein Beispiel einer Verteilung 11 der Blasendurchmesser. Hierbei ist die Wahrscheinlichkeit P(D) eines bestimmten Blasendurchmessers D gegen den Blasendurchmesser aufgetragen. Wahrscheinlichkeit P(D) und Blasendurchmesser D sind in willkürlichen Einheiten angegeben. Die Verteilung 11 weist einen mittleren Durchmesser 12 und eine Breite 13 (FWHM, volle Breite bei halber Höhe) auf. Das Integral unter der Verteilung 11 beträgt 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise die Reinigung vom Membranen 3 beispielsweise in Abwasseraufbereitungsanlagen 1, die beispielsweise eine Belebtschlammabtrennung durchführen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können die Intervalle zwischen zwei Rückspülvorgängen deutlich erhöht werden. Dies erhöht die Profitabilität der entsprechenden Anlagen, da die Betriebszeiten der entsprechenden Abwasseraufbereitungsanlagen 1 erhöht werden und die Intervalle zwischen Rückspülvorgängen und physikalischchemischen Reinigungen der Membranen 3 verringert werden.

1: Abwasseraufbereitungsanlage
2: Membraneinheit
3: Membran
4: Zulauf
5: Abwasser
6: Ableitung
7: Filtrat
8: Spülstrom
9: Ventil
10: Kohlendioxid
11: Verteilung
12: mittlerer Durchmesser
13: Breite

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, bei dem Wasser von einem Retentat mittels Filtration durch mindestens eine Membran (3) getrennt wird, wobei das Wasser bei Filtration die Membran (3) in einer Permeationsrichtung durchströmt, wobei mindestens eine Membran (3) zumindest zeitweise in einer Richtung im wesentlichen entgegengesetzt zu einer Permeationsrichtung von einem Spülstrom (8) durchspült wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spülstrom (8) gasförmiges Kohlendioxid (CO₂) zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Spülstrom (8) Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anteil an gasförmigem Kohlendioxid oberhalb der Sättigungsgrenze für Kohlendioxid liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Kohlendioxid so zugegeben wird, dass Kohlendioxidblasen eines Durchmessers von 1 Mikrometer bis 3 Millimeter entstehen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem Kohlendioxid so zugegeben wird, dass die Breite (13) der Verteilung (11) (FWHM, volle Breite bei halber Höhe) der Blasendurchmesser bei weniger als 1 Millimeter liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Anteil an gasförmigem Kohlendioxid unterhalb der Sättigungsgrenze für Kohlendioxid liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Menge an zuzugebendem Kohlendioxid in Abhängigkeit von mindestens einem der folgenden Parameter festgelegt wird: a) einer Durchflussmenge des Spülstroms und b) einer Temperatur des Spülstroms.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchspülungen der Membran (3) mit dem Spülstrom (8) in Abhängigkeit von dem Druckverlust der Membran (3) festgelegt wird.