DE102008037118A1

DE102008037118A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser unter Verwendung von Nanofiltration

Info

Publication number: DE102008037118A1
Application number: DE102008037118A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hagen
Original assignee: KRUEGER WABAG GmbH; Krueger-Wabag GmbH
Current assignee: Veolia Water Technologies Deutschland GmbH
Priority date: 2008-08-08
Filing date: 2008-08-08
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-08-09
Also published as: DE102008037118B4

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser unter Verwendung von Nanofiltration wird eine Nanofiltrations-Baueinheit (1) verwendet, die als Membran Nanofiltrations-Hohlfasern (14) aufweist und der Rohwasserstrom dem Inneren der Nanofiltrations-Hohlfasern (14) direkt zugeführt wird. Der Permeatstrom wird an der Außenseite der Nanofiltrations-Hohlfasern (14) abgeführt. Ein Rückführungsstrom des Konzentrats wird in den Rohwasserstrom rückgeführt. Diese Bauweise und die Einstellung der Strömungen in Bezug auf den Rohwasserstrom abhängig von bestimmten Parametern erlauben einen effektiven Betrieb ohne aufwändige Vorreinigung. Bei besonders groben Verunreinigungen im Rohwasser kann eine Grobfiltration optional vorgesehen sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser unter Verwendung von Nanofiltration.
Die Aufbereitung von Wasser unter Verwendung von Membranfiltration ist grundsätzlich seit langem bekannt. Das aufzubereitende Rohwasser wird dabei mittels einer Pumpe in eine eine Membran aufweisende Baueinheit gefördert. Ein Teil des Rohwassers tritt durch die eine Membran wobei unerwünschte Wasserinhaltsstoffe als Konzentrat weitgehend zurückgehalten werden. Zur Abförderung der Inhaltsstoffe wird ein Teil des Rohwassers zusammen mit den Inhaltsstoffen als Konzentrat abgefördert. Typisch sind kontinuierliche Vorgehensweisen, aber auch Vorgehensweisen diskontinuierlicher Art, bei denen zur Reinigung der Membran diese mit filtriertem Wasser gespült wird. Ein wesentlicher Faktor bei der Beurteilung des Reinheitsgrades des Permeats, des mittels der Membran von Inhaltsstoffen befreiten aufbereiteten Wassers, ist die Porengröße der Membran. Eine Besonderheit stellen dabei die Nanofiltrations-Membranen dar, bei denen der Porendurchmesser in der Größenordnung von ca. 1 nm ist. Eine Besonderheit der Nanofiltration ist der Einfluss elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen dem üblicherweise negativ geladenen Membranmaterial und den üblicherweise elektrisch positiv geladenen Wasserinhaltsstoffen. Hierdurch können auch Schadstoffe zurückgehalten werden, deren Molekülradien einschließlich Hydrathülle kleiner sind, als die Radien der Membranporen (vgl. z. B. Berg, P., Rückhaltung von in der Trinkwasseraufbereitung relevanten organischen Spurenstoffen durch Nanofiltrationsmembranen, Dissertation (2002), Gerhard-Mercartor-Universität-Gesamthochschule Duisburg). Dabei werden aus jeweils 2 Membranblättern an 3 Seiten verklebten Membrantaschen gebildet und werden offene Seiten der Membrantaschen an einem perforierten Rohr befestigt, so dass durch die außenliegende Nanofiltrations-Schicht permeierendes Wasser in dem Rohr als Permeat gesammelt werden kann. Typisch werden die Membrantaschen um das Permeatsammelrohr gewickelt, wobei grobes Gewebe zwischen den einzelnen Membrantaschen als Abstandshalter dient.
Enthält jedoch das zugeführte Rohwasser Verunreinigungen, die ein Verblocken der Membran verursachen könnten, muss das zugeführte Rohwasser entsprechend vorgereinigt werden. Bauartbedingt darf den vorerwähnten Membrantaschen kein Rohwasser zugeführt werden das Verunreinigungen enthält die Abmessungen von etwa 5 μm überschreiten. Somit ist eine äußerst aufwändige Vorreinigung erforderlich.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannte Vorgehensweise dahingehend zu verbessern, dass die aufwändige Vorreinigung, allenfalls bis auf ein Grobfilterung, das heißt der Entfernung von Teilen im Millimeter-Bereich, vermieden werden kann.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren durch die Merkmale des Anspruches 1 und bei einer Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 8 gelöst.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass durch eine neuartige Bauart einer Nanofiltrations-Baueinheit sowie einer geschickten Steuerung der verschiedenen Ströme an Eingang und Ausgang dieser Nanofiltrations-Baueinheit die bisherige aufwändige Vorreinigung vermieden werden kann, da ausschlaggebender Parameter nicht mehr die Porengröße der eigentlichen Membran, nämlich der Wand der Hohlfasern, ist, sondern der Innendurchmesser der Hohlfasern, der bei im Handel erhältlichen Nanofiltrations-Hohlfasern im Bereich von 0,5 bis 5 mm liegt. Hierdurch kann die Partikelfiltration einerseits sowie die Beseitigung gelöster organischer Kohlenwasserstoffe und die Teilentsalzung andererseits in einem Schritt durchgeführt werden.
Die neuartige Bauart erlaubt ferner sowohl eine Spülung im sogenannten Forwardflash, das heißt durch die Hohlfasern hindurch, als auch im sogenannten Backflash, also von der Permeatseite durch die Membran hindurch auf die Rohwasserseite.
Die Erfindung ist somit in günstiger Weise anwendbar bei der Trinkwassergewinnung aus Talsperren und dergleichen Naturwasser-Reservoirs.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten schematischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 schematisch zur Erläuterung des Verfahrens die Anordnung einer Nanofiltrations-Baueinheit und
2 schematisch im Schnitt den grundsätzlichen Aufbau einer Nanofiltrations-Baueinheit gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine Nanofiltrations-Baueinheit 1 mit einer Nanofiltrations-Membran 2, deren Einzelheiten weiter unten anhand 2 erläutert werden. Zu reinigendes Rohwasser wird mittels einer Hochdruckpumpe 3 einer Seite der Nanofiltrations-Membran 2 zugeführt. An der anderen Seite der Nanofiltrations-Membran 2 anfallendes gereinigtes Wasser, sogenanntes Permeat, wird über eine Abführleitung 5 abgeführt. Ein Teil des zugeführten Rohwassers wird mit den an der Nanofiltrations-Membran 2 zurückgehaltenen Verunreinigungen in Form eines Konzentrates über eine Konzentratabführungsleitung 6 abgeführt. Ein Teil des Konzentratstrom wird über eine Rückführungsleitung 7 an den Eingang und damit die Rohwasserzuführungsleitung 4 der Nanofiltrations-Baueinheit 1 rückgeführt.
Den typischen konstruktiven Aufbau einer Nanofiltrations-Baueinheit 1 gemäß der Erfindung ist in 2 im Schnitt an sich dargestellt.
Ein Hohlzylinder 11 ist endseitig durch Böden 12 dicht abgeschlossen. Die Böden 12 weisen Löcher 13 auf. In die Löcher 13 sind Nanofiltrations-Hohlfasern 14 dicht eingesetzt, beispielsweise eingeklebt, derart, dass durch diese Nanofiltrations-Hohlfasern 14 beide Böden 12 miteinander verbunden sind. Die Wände der Nanofiltrations-Hohlfasern 14 bilden die in 1 schematisch dargestellte Membran 2 der Nanofiltrations-Baueinheit 1. Der Innenraum des Hohlzylinders 11 ist über mindestens einen, im dargestellten Fall zwei, Stutzen 15 mit der Permeatabführungsleitung 5 verbunden. Mit dem Hohlzylinder 11, den jeweiligen Boden 12 überdeckend, sind Hauben 17 fest verbunden, wodurch Sammel- bzw. Verteilerkammern 16 gebildet wird. Die Kammern 16 sind über hier nicht dargestellte Stutzen einerseits mit der Rohwasserzuführungsleitung 4 und andererseits mit der Konzentratabführungsleitung 6 verbunden.
Zur Einstellung der Strömungsmengen der verschiedenen Strömungen sind in an sich üblicher Weise nicht im Einzelnen dargestellte Stellventile vorgesehen, zweckmäßigerweise sehr nahe den jeweiligen Anschlussstutzen.
Die Nanofiltrations-Hohlfasern 14 bestehen aus keramischem oder polymerem Material, wie es an sich handelsüblich ist. Die Nanofiltrations-Hohlfasern 14 können einzeln oder in Bündeln vorgesehen sein, wie das ebenfalls grundsätzlich handelsüblich ist.
Wenngleich die Porengröße der Wände der Nanofiltrations-Hohlfasern den Reinigungseffekt bestimmt, bestimmt der Innendurchmesser d der Nanofiltrations-Hohlfasern 14 die Größe derjenigen Teile, die in dem Rohwasserstrom enthalten sein können ohne dass die Wände der Nanofiltrations-Hohlfasern 14, die ja die eigentliche Membran 2 bilden, beschädigt würde.
Bei Vorliegen besonders grober Verunreinigungen, das heißt, wenn der eigentliche Rohwasserstrom Teile enthält, deren Abmessungen größer als der Innendurchmesser d der Nanofiltrations-Hohlfasern 14 ist, ist es zweckmäßig, wie in 1 dargestellt, einen Grobfilter 8 vorzusehen.
Nanofiltrations-Hohlfasern 14 mit Innendurchmessern von 0,5 bis 5 mm sind erhältlich und sind in Längen von 0,50 m und mehr erhältlich.
Die Einstellung der verschiedenen Ströme in Bezug auf den Rohwasserstrom hat ebenfalls Bedeutung.
Die erfindungsgemäße direkte Nanofiltration beinhaltet auch die Steuerung der hydraulischen Parameter des Konzentratstroms Q1 im Bereich von 0 bis 90% in Bezug zum Rohwasserstrom, des Rückführungsstrom Q2 im Bereich von 0 bis 300% in Bezug zum Rohwasserstrom und des Permeatstroms Q3 im Bereich von 10 bis 100% in Bezug zum Rohwasserstrom, abhängig von erfassbaren Parametern im Rohwasserstrom wie der Feststoffgehalt, die Leitfähigkeit, die Trübung, der DOC-/TOC-Anteil, die Färbung sowie auch der Druckverlust über die Nanofiltrations-Membran 2, also die Gesamtanordnung der Nanofiltrations-Hohlfasern 14.
Die einzelnen vorgenannten Parameter lassen sich einfach durch Messung feststellen, und die Messwerte lassen sich einfach zur Steuerung der verschiedenen Strömungen Q1, Q2 und Q3, beispielsweise mittels der erwähnten Stellventile, in Bezug auf den Rohwasserstrom heranziehen.
Dies sei an einem weiteren bevorzugten Beispiel erläutert.
Das Rohwasser aus einer Talsperre als Beispiel eines Naturwasser-Reservoirs wird mittels Grobfiltration von beispielsweise Ästen, Laub und dergleichen gereinigt. Eine derartige grobe Vorreinigung erfolgt zweckmäßig bis in die Größenordnung des Innendurchmessers d der Nanofiltrations-Hohlfasern 14. Dieses vorgereinigte Wasser enthält daher nach wie vor schädliche Trübstoffe, abfiltrierbare Stoffe, DOC (gelöste organische Kohlenwasserstoffe), TOC (Gesamtanteil organischer Kohlenwasserstoffe), Spurenstoffe, Salze und dergleichen. Diese Schadstoffe können unter Anwendung der Erfindung direkt nanofiltriert werden. Insbesondere können die unerwünschten Bestandteile wie DOC, etwa vorhandene Spurenstoffe wie Pflanzenbehandlungs- und Schädlingsbekämpfungsmittel, Arzneimittelrückstände, Flammschutzmittel, Röntgenkontrastmittel, perfluorierte Tenside, Trübstoffe sowie abfiltrierbare Stoffe usw. weitgehend beseitigt werden. Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, Flockungsmittel wie Eisen- und Aluminiumsalze oder andere Hilfsstoffe dem Rohwasser vor der Nanofiltrations-Baueinheit zuzumischen.
Die Filtration kann somit sehr effektiv durchgeführt werden.
Jedoch wird eine Spülung der Nanofiltrations-Membran 2 nicht unnötig. Eine derartige Spülung muss je nach Trübstoffgehalt eingestellt und optimiert werden, was durch Versuchsreihen festgestellt werden kann. Die Art der Spülung kann nach den vor Ort vorliegenden Bedingungen gewählt werden, beispielsweise ist ein Forwardflash aber auch ein Backflash wahlweise möglich. Beim Forwardflash wird ein Spülmittelstrom durch das Innere der Nanofiltrations-Hohlfasern 14 geführt, wobei es sich um einen Wasser- und/oder Luftstrom handelt, wobei optional durchaus chemische Reinigungsmittel hinzugefügt sein können. Beim Backflash wird von der Permeatseite die Nanofiltrations-Membran 2 zur Rohwasserseite hin durchströmt und zwar ebenfalls mit reinem Wasser und/oder Luft, wobei diesem Strom ebenfalls gegebenenfalls chemische Reinigungsmittel hinzugefügt sein können.
Wie erwähnt ist jedoch von Bedeutung die Einstellung des Konzentratstroms Q1, des Rückführungsstroms Q2 und des Permeatstroms Q3 in Bezug auf den Rohwasserstrom. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Trübung des Rohwasserstroms herangezogen wird, wird bei hohem Trübstoffgehalt der Rückführungsstrom erhöht und der Permeatstrom erniedrigt. Bei niedrigem Trübstoffgehalt, niedriger Trübung, können beispielsweise Konzentratstrom und Rückführungsstrom niedrig sein und sogar gegen Null gehen. Typisch ist beispielsweise, dass der Feststoffgehalt durchaus die Trübung und die Färbung beeinflusst. Die optimale Einstellung der verschiedenen Strömungen im angegebenen Bereich ist für jeden Einzelfall durch Versuchsreihen vor Ort feststellbar.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist somit, dass unter Vermeidung oder durch wesentliche Einschränkung einer kostenaufwändigen Vorreinigung trotzdem eine ausreichende Reinigung des Permeatstroms erzielt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Berg, P., Rückhaltung von in der Trinkwasseraufbereitung relevanten organischen Spurenstoffen durch Nanofiltrationsmembranen, Dissertation (2002), Gerhard-Mercartor-Universität-Gesamthochschule Duisburg [0002]

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Wasser unter Verwendung von Nanofiltration, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nanofiltrations-Baueinheit (1) verwendet wird, bei der der Innenraum polymerer oder keramischer Nanofiltrations-Hohlfasern (14) vom Rohwasser direkt beaufschlagt wird und das Permeat an der Außenseite der Nanofiltrations-Hohlfasern (14) abgeführt wird, wobei der Konzentratstrom Q1 im Bereich von 0–90% in Bezug zum Rohwasserstrom, ein Rückführungsstrom Q2 im Bereich von 0–300% in Bezug zum Rohwasserstrom und der Permeatstrom Q3 im Bereich von 10–100% in Bezug zum Rohwasserstrom eingestellt werden, und zwar abhängig von mindestens einem der folgenden Parameter, wie Feststoffgehalt des Rohwassers, Leitfähigkeit des Rohwassers, Trübung des Rohwassers, DOC-/TOC-Gehalt des Rohwassers, Färbung des Rohwassers und Druckverlust über die durch die Wände der Nanofiltrations-Hohlfasern (14) gebildeten Membran (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellparameter laufend erfasst und deren erfasste Werte zur Steuerung herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter online direkt gemessen werden oder über Laboranalysen erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (1), insbesondere deren Hohlfasern (14) durch die Hohlfasern (14) hindurch mit Wasser und/oder Luft gespült und/oder chemisch gereinigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (1), insbesondere deren Hohlfasern (14) von der Permeatauslassseite zur Rohwassereinlassseite durch die Membran (2) hindurch mit Wasser und/oder Luft gespült und/oder chemisch gereinigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle von Feststoffen im Rohwasser mit Abmessungen, die größer als der Innendurchmesser (d) der Nanofiltrations-Hohlfasern (14) sind, dieses Rohwasser zunächst über einen Grobfilter (8) zur Abtrennung solcher Feststoffe geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere für einen kontinuierlichen Betrieb dem Rohwasser vor der Baueinheit (1) Hilfsstoffe wie Flockungsmittel zugemischt werden.
Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser unter Verwendung von Nanofiltration, gekennzeichnet durch eine Nanofiltrations-Baueinheit (1) mit einer Rohwasserzuführungsleitung (4) auf einer Seite der Membran (2) der Nanofiltrations-Baueinheit (1), einer Permeatabführungsleitung (5) auf der anderen Seite der Membran (2), einer Konzentratabführungsleitung (6) über die von der Membran (2) zurückgehaltene Stoffe zusammen mit einem Teil des Rohwassers abführbar ist, sowie eine Rückführungsleitung (7) über die ein Teil des Konzentratstroms zur Rohwasserzuführungsleitung (4) rückführbar ist, wobei die Membran (2) durch polymere oder keramische Nanofiltrations-Hohlfasern (14) gebildet ist, deren Innenraum vom Rohwasser direkt beaufschlagt ist, wobei das Permeat von der Außenseite der Nanofiltrations-Hohlfasern (14) der Permeatabführungsleitung (5) zuführbar ist und wobei zumindest eines von dem Feststoffgehalt, der Leitfähigkeit, der Trübung, dem DOC-/TOC-Gehalt und der Färbung des Rohwassers und dem Druckverlust über die Membran (2) erfasst und die erfassten Werte zur Einstellung verschiedener Strömungswerte herangezogen werden, nämlich zur Einstellung des Rückführungsstroms Q1 aus dem Konzentratstrom zu 0–300% in Bezug auf den Rohwasserstrom, des Konzentratstroms Q2 zu 0–90% in Bezug auf den Rohwasserstrom und des Permeatstroms Q3 zu 10–100% in Bezug auf den Rohwasserstrom.
Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Grobfilter (8) im Rohwasserstrom zum Zurückhalten von die Membran (2) möglicherweise zerstörenden Teilen, nämlich Teilen mit Abmessungen, die größer als der Innendurchmesser (d) der Nanofiltrations-Hohlfasern (14) der Membran (2) sind.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder der Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 bei der Trinkwassergewinnung aus Talsperren und dergleichen Naturwasser-Reservoirs.