DE102015210910B4

DE102015210910B4 - Anlage und Verfahren zum Trennen einer wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung

Info

Publication number: DE102015210910B4
Application number: DE102015210910.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Rappich; Michael Wunsch
Original assignee: H E GmbH; H+e GmbH
Current assignee: H E GmbH; H+e GmbH
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2020-11-19
Anticipated expiration: 2035-06-16
Also published as: DE102015210910A1

Abstract

Anlage (10) zum Trennen einer wässrigen Lösung (18) in gereinigtes Wasser (78) und Rückstände (76) der Lösung (18),mit mindestens einer ersten Niederdruckmembraneinheit (20, 28) zum Auftrennen der wässrigen Lösung (18) in ein Permeat (22, 30) und ein Konzentrat (24, 32) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem niederen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck,mit einer der Niederdruckmembraneinheit (20, 28) nachgeschalteten Hochdruckmembraneinheit (36) zum Auftrennen des Konzentrats (24, 32) der Niederdruckmembraneinheit (20, 28) in ein Permeat (38) und ein Konzentrat (40) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem hohen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, der oberhalb des niederen Druckbereichs liegt, undmit einer der Hochdruckmembraneinheit (36) nachgeschalteten Einheit zum thermischen Trennen (44) des Konzentrats (40) der Hochdruckmembraneinheit (36) in ein Kondensat (46) und ein Konzentrat (48),dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit zum thermischen Trennen (44) ein Kondensator (66) nachgeschaltet ist, der zur Kühlung mit einer einen abgezweigten Strom (68) der zugeführten wässrigen Lösung (18) zum Kondensator (66) führenden Zuführung (70) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Trennen einer wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Trennen einer wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung.
Zum Trennen einer beispielsweise einen Abwasserstrom darstellenden wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung ist der Anmelderin aus einem aus der Praxis bekannten Stand der Technik eine mehrstufige Eindampfung der Lösung mit mehreren Verdampfern bekannt. Ebenfalls bekannt sind Anlagen, bei denen das zugeführte Abwasser durch Einsatz von Membrantechnologien vorkonzentriert wird ( DE 29 14 145 A1 ). Hiermit lassen sich gegenüber der reinen thermischen Trenntechnik Betriebs- und Investitionskosten einsparen. Allerdings sind der Energiebedarf und der Investitionsaufwand solcher Anlagen noch immer hoch.
DE 29 14 145 A1 , DE 196 25 346 A1 , DE 44 13 304 A1 und DE 199 01 571 A1 zeigen Anlagen und Verfahren mit Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trennen einer wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände mit vergleichsweise geringem Energiebedarf zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung löst die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach umfasst die Anlage mindestens eine erste Niederdruckmembraneinheit zum Auftrennen der wässrigen Lösung in ein Permeat und ein Konzentrat unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem niederen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, eine der Niederdruckmembraneinheit nachgeschaltete Hochdruckmembraneinheit zum Auftrennen des Konzentrats der Niederdruckmembraneinheit in ein Permeat und ein Konzentrat unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem hohen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, der oberhalb des niederen Druckbereichs liegt, und eine der Hochdruckmembraneinheit nachgeschaltete Einheit zum thermischen Trennen des Konzentrats der Hochdruckmembraneinheit in ein Kondensat und ein Konzentrat.
Durch die hintereinandergeschalteten Membraneinheiten mit mindestens einer Niederdruckmembraneinheit und einer Hochdruckmembraneinheit lässt sich bereits durch Umkehrosmose eine hohe Entwässerung erzielen. So sind Entwässerungsraten von etwa 70 bis 90 Prozent vor einem Zuleiten der Lösung zu einer Einheit zum thermischen Trennen möglich. Damit lässt sich die Einheit zum thermischen Trennen entsprechend kleiner dimensionieren. Von ganz besonderem Vorteil ist außerdem, dass durch Verwendung der Hochdruckmembraneinheit, deren Arbeitsdruck deutlich, beispielsweise um mindestens das dreifache, oberhalb des Arbeitsdrucks der Niederdruckmembraneinheit liegt, die Temperatur des der Einheit zum thermischen Trennen zugeführten Konzentrats der Hochdruckmembraneinheit höher ist, so dass auf Grund des in der Einheit zum thermischen Trennen vorherrschenden Unterdrucks dort ein Sieden des zugeführten Konzentrats erreicht werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Energiebedarf der Anlage reduzieren, so dass deren Rentabilität erhöht werden kann.
In vorteilhafter Weise kann der ersten Niederdruckmembraneinheit eine zweite Niederdruckmembraneinheit zum Auftrennen des Konzentrats der ersten Niederdruckmembraneinheit in ein Permeat und ein Konzentrat unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem mittleren Druckbereich liegenden Arbeitsdruck nachgeschaltet sein, der oberhalb des niederen Druckbereichs und unterhalb des hohen Druckbereichs liegt. Damit lässt sich durch Gewinnen von Permeat eine weitere Entwässerung der Lösung erzielen. Zudem lässt sich so die Fluxrate der nachgeschalteten Hochdruckmembraneinheit erhöhen, was den Grad der Entwässerung der Lösung weiter erhöht. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Betriebsdruck verringert werden. Somit kann die Einheit zum thermischen Trennen noch kleiner dimensioniert werden. Dadurch wird der Energiebedarf der Anlage weiter verringert und die Rentabilität weiter erhöht.
Der niedere Druckbereich der ersten Niederdruckmembraneinheit kann zwischen 1 bis 18 bar, vorzugsweise zwischen 5 bis 18 bar, weiter vorzugsweise zwischen 8 bis 18 bar und weiter vorzugsweise zwischen 12 bis 18 bar betragen.
Der mittlere Druckbereich kann zwischen 20 bis 80 bar, vorzugsweise zwischen 40 bis 80 bar, weiter vorzugsweise zwischen 60 und 80 bar und weiter vorzugsweise zwischen 70 und 80 bar betragen.
Der hohe Druckbereich der Hochdruckmembraneinheit kann zwischen 80 bis 240 bar, vorzugsweise zwischen 120 und 240 bar, weiter vorzugsweise zwischen 180 und 240 bar, weiter vorzugsweise zwischen 200 und 240 bar betragen.
Die Einheit zum thermischen Trennen kann als Verdampfer ausgebildet sein. Eine Ausgestaltung der Einheit zum thermischen Trennen als Kristallisator ist ebenfalls denkbar.
Im Konkreten kann der ersten Niederdruckmembraneinheit, der zweiten Niederdruckmembraneinheit, der Hochdruckmembraneinheit und/oder der Einheit zum thermischen Trennen ein Vorlagespeicher zur Speicherung der der jeweiligen Stufe zugeführten Lösung oder des zugeführten Konzentrats vorgeschaltet sein. Hiermit ist ein kontinuierlicher Einsatz der jeweiligen Stufen sichergestellt.
Der ersten Niederdruckmembraneinheit, der zweiten Niederdruckmembraneinheit und der Hochdruckmembraneinheit können eine, vorzugsweise mehrere, Pumpen zur Durchführung der Umkehrosmose vorgeschaltet sein. Diese Pumpen können dem Vorlagespeicher einer jeweiligen Stufe nachgeschaltet sein.
Die Permeate können über entsprechende Zuleitungen einem Permeatpuffertank zugeführt, dort gespeichert und ggf. einem Prozessstrom zugeführt werden. Die Permeate stellen sauberes Wasser dar und können beispielsweise als Prozesswasser wiederverwendet werden.
In vorteilhafter Weise kann der ersten Niederdruckmembraneinheit ein erster Wärmetauscher vorgeschaltet sein, der zur Vorwärmung der dieser Niederdruckmembraneinheit zugeführten wässrigen Lösung mit einer das Permeat dieser Niederdruckmembraneinheit zum ersten Wärmetauscher führenden ersten Zuführung verbunden ist. Somit kann die der ersten Niederdruckmembraneinheit zugeführte elektrische Energie zur Versorgung der mindestens einen zur Umkehrosmose erforderlichen Pumpe (Pumpenergie) in Form von Wärmeenergie zurückgewonnen und damit die wässrige Lösung erwärmt werden. Damit wird die Fluxrate der ersten Niederdruckmembraneinheit erhöht und die Energie ökonomisch in der Anlage gehalten. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Betriebsdruck der ersten Niederdruckmembraneinheit verringert werden. Das Permeat der ersten Niederdruckmembraneinheit kann nach Durchlaufen des Wärmetauschers einem Permeatpuffertank zugeführt werden, beispielsweise mittels der ersten Zuführung.
Zweckmäßigerweise kann der ersten Niederdruckmembraneinheit ein zweiter Wärmetauscher vorgeschaltet sein, der zur Vorwärmung der dieser Niederdruckmembraneinheit zugeführten wässrigen Lösung mit einer das Permeat von der zweiten Niederdruckmembraneinheit zum zweiten Wärmetauscher führenden zweiten Zuführung verbunden ist. Damit lässt sich die Fluxrate weiter erhöhen und die der zweiten Niederdruckmembraneinheit zugeführte elektrische Energie (Pumpenergie) zur Durchführung der Umkehrosmose in Form von Wärmeenergie kann zurückgewonnen werden. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Betriebsdruck der ersten Niederdruckmembraneinheit verringert werden. Nach Durchlaufen des zweiten Wärmetauschers kann das Permeat der zweiten Niederdruckmembraneinheit mittels der zweiten Zuführung einem Permeatpuffertank zugeführt werden.
In vorteilhafter Weise kann die Hochdruckmembraneinheit und die zweite Niederdruckmembraneinheit zur Vorwärmung des der zweiten Niederdruckmembraneinheit zugeführten Konzentrats der ersten Niederdruckmembraneinheit mittels einer das Permeat der Hochdruckmembraneinheit dem Konzentrat der ersten Niederdruckmembraneinheit zuleitenden dritten Zuführung verbunden sein. Hierbei kann es sich um eine direkte Zuführung handeln, so dass das Permeat der Hochdruckmembraneinheit unmittelbar dem der zweiten Niederdruckmembraneinheit zugeführten Konzentrat der ersten Niederdruckmembraneinheit beigemischt wird. Somit bleibt auch hier der Anlage Wärmeenergie erhalten und die Fluxrate der zweiten Niederdruckmembraneinheit kann erhöht oder bei gleichbleibender Fluxrate der Arbeitsdruck verringert werden.
Die dritte Zuführung zur Vorwärmung eines Kreislaufs der Einheit zum thermischen Trennen, der vom Konzentrat der Einheit zum thermischen Trennen einen ersten Teilstrom abzweigt, kann mit einem in den Kreislauf der Einheit zum thermischen Trennen integrierten dritten Wärmetauscher verbunden sein. Damit erfolgt eine Vorwärmung des ersten Teilstroms des Konzentrats der Einheit zum thermischen Trennen, das mittels des Kreislaufs erneut einem Verdampfungsprozess zugeführt wird, wo dann durch einen einem Flashprozess ähnlicher Prozess weitere Energie eingespart werden kann. Ein energetisch günstiges Verdampfen wird ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist der Einheit zum thermischen Trennen ein Kondensator nachgeschaltet, der zur Kühlung mit einer einen abgezweigten Strom der eingangs zugeführten wässrigen Lösung zum Kondensator führenden (vierten) Zuführung verbunden ist. Damit wird auf energetisch günstige Weise die geringe Temperatur der eingangs zugeführten wässrigen Lösung zur Kondensatorkühlung verwendet, wodurch die Kondensation begünstigt ist. Gleichzeitig wird der abgezweigte Strom der wässrigen Lösung, der nach Durchlaufen des Kondensators wieder der wässrigen Lösung zugeführt wird, erwärmt. Diese Wärmeenergie wird der wässrigen Lösung beispielsweise durch unmittelbares Rückführen des abgezweigten Stroms zugeführt und bleibt in der Anlage erhalten. Dadurch wird die Fluxrate der ersten Niederdruckmembraneinheit abermals erhöht oder bei gleichbleibender Fluxrate kann der Arbeitsdruck verringert werden.
Im Konkreten kann der Einheit zum thermischen Trennen eine Entwässerungseinrichtung zur Entwässerung eines vom Konzentrat der Einheit zum thermischen Trennen abgezweigten zweiten Teilstroms, insbesondere bis zu dessen Festigkeit, nachgeschaltet sein. Bei der Entwässerungseinrichtung kann es sich um eine Zentrifuge, eine Filterpresse oder ein Vakuumtrockner handeln. Hiermit ist eine vollständige Entwässerung des Konzentrats der Einheit zum thermischen Trennen, insbesondere des vom Konzentrat abgezweigten zweiten Teilstroms, möglich. Es liegen dann Rückstände in Form von recycelbaren oder zu entsorgenden Feststoffen vor.
In vorteilhafter Weise kann der ersten Niederdruckmembraneinheit mindestens eine Vorbehandlungseinrichtung zur Befreiung der eingangs zugeführten wässrigen Lösung, insbesondere Rohwasser oder Abwasser, von eine Umkehrosmose beeinträchtigen Inhaltsstoffen vorgeschaltet sein. Die mindestens eine Vorbehandlungseinrichtung kann als biologische Vorbehandlungsstufe, Flocculation ggf. mit Rührwerk, Sedimenter, Kiesfilter, oder Ultrafiltration ausgebildet sein.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Trennen einer wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung mit den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs gelöst. Hinsichtlich der damit erzielbaren Vorteile wird auf die Ausführungen zu Anspruch 1 verwiesen.
In vorteilhafter Weise kann ein Auftrennen des Konzentrats der ersten Niederdruckmembraneinheit mittels einer zweiten Niederdruckmembraneinheit in ein Permeat und ein Konzentrat unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem mittleren Druckbereich liegenden Arbeitsdruck stattfinden, der oberhalb des niederen Druckbereichs und unterhalb des hohen Druckbereichs liegt. Dadurch kann durch Entziehen von Permeat der Grad der Entwässerung abermals erhöht werden. Die jeweiligen Entwässerungsraten in nachfolgenden Stufen können somit reduziert werden, so dass nachfolgende Stufen gegebenenfalls kleiner dimensioniert werden können.
In vorteilhafter Weise können das Permeat der ersten Niederdruckmembraneinheit, das Permeat der zweiten Niederdruckmembraneinheit, das Permeat der Hochdruckmembraneinheit und/oder das Kondensat der Einheit zum thermischen Trennen zur direkten oder indirekten Vorwärmung eines Konzentrats dienen, von dem das Permeat oder Kondensat getrennt wurde. Mit anderen Worten wird die in einem Permeat einer Membraneinheit oder die in einem Kondensat der Einheit zum thermischen Trennen enthaltene Wärmeenergie genutzt, und zwar dadurch, dass diese direkt oder indirekt dem Eingang der Stufe, der das Permeat entstammt, oder einer vorgelagerten Stufe zugeführt wird. Damit findet eine energetische Optimierung („Schließung“) des Verfahrens statt, so dass Energie innerhalb der Anlage gehalten wird. Durch Vorwärmen des einer Membraneinheit Stufe zugeführten Konzentrats oder der zugeführten wässrigen Lösung kann die Fluxrate weiter erhöht und die Energie ökonomisch im System gehalten werden. Bei gleichbleibender Fluxrate kann der Arbeitsdruck verringert werden.
Im Konkreten kann die der ersten Niederdruckmembraneinheit zugeführte wässrige Lösung, vorzugsweise indirekt, durch das Permeat der ersten Niederdruckmembraneinheit vorgewärmt werden. Somit wird das Permeat der ersten Niederdruckmembraneinheit dazu genutzt, die dieser Niederdruckmembraneinheit zugeführte wässrige Lösung aufzuwärmen.
Zudem ist denkbar, dass die der ersten Niederdruckmembraneinheit zugeführte wässrige Lösung, vorzugsweise indirekt, durch das Permeat der zweiten Niederdruckmembraneinheit vorgewärmt wird. Somit wird durch das Permeat der zweiten Niederdruckmembraneinheit die Fluxrate der vorgeschalteten ersten Niederdruckmembraneinheit erhöht. Bei gleichbleibender Fluxrate kann der Arbeitsdruck der ersten Niederdruckeinheit verringert werden.
Weiter kann das der zweiten Niederdruckmembraneinheit zugeführte Konzentrat der ersten Niederdruckmembraneinheit, vorzugsweise direkt, durch das Permeat der Hochdruckmembraneinheit vorgewärmt werden. Damit kann durch das Permeat der Hochdruckmembraneinheit die Fluxrate der zweiten Niederdruckmembraneinheit erhöht werden. So kann das Permeat der Hochdruckmembraneinheit dem der zweiten Niederdruckmembraneinheit zugeführten Konzentrat unmittelbar zugegeben werden, beispielsweise durch Einspeisen dieses Permeats in einen der zweiten Niederdruckmembraneinheit vorgelagerten Vorlagespeicher.
Direkte Vorwärmung bedeutet, dass ein unmittelbares Vermischen oder Vermengen einer eine höhere Wärmeenergie enthaltenden Flüssigkeit mit der aufzuwärmenden Flüssigkeit erfolgt.
Indirekte Vorwärmung bedeutet, dass die Wärme zwischen einer eine höhere Wärmeenergie enthaltenden Flüssigkeit und der aufzuwärmenden Flüssigkeit mittels eines Wärmetauschers indirekt übertragen wird.
Im Konkreten kann ein Kreislauf der Einheit zum thermischen Trennen, der vom Konzentrat der Einheit zum thermischen Trennen einen ersten Teilstrom abzweigt, vorzugsweise indirekt, durch das Permeat der Hochdruckmembraneinheit vorgewärmt werden. Damit wird der vom Konzentrat abgezweigte erste Teilstrom des Konzentrats, der mittels des Kreislaufs der Einheit zum thermischen Trennen erneut einem Verdampfungsprozess in der Einheit zum thermischen Trennen zugeführt wird, auf energetisch günstige Weise vorgewärmt, so dass innerhalb der Einheit zum thermischen Trennen ein Sieden erreicht werden kann.
Weiter kann ein vom Konzentrat der Einheit zum thermischen Trennen abgezweigter zweiter Teilstrom bis zur Festigkeit entwässert werden. Dies kann beispielsweise mittels einer Zentrifuge erfolgen. Somit kann dem Konzentrat der Einheit zum thermischen Trennen jegliche Restfeuchte entzogen werden, so dass lediglich Rückstände in Form von Feststoffen zurückbleiben. Diese können recycelt oder entsorgt werden.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die eingangs zugeführte wässrige Lösung vor einem Auftrennen von die Umkehrosmose beeinträchtigenden Inhaltsstoffen befreit wird. Dies kann mittels mindestens einer Vorbehandlungseinrichtung, beispielsweise einer biologischen Vorbehandlungsstufe, einer Flocculation ggf. mit Rührwerk, einem Sedimenter, einem Kiesfilter oder einer Ultrafiltration erfolgen. Dadurch lässt sich Fouling oder Scaling reduzieren.
Erfindungsgemäß dient ein abzweigter Strom der eingangs zugeführten wässrigen Lösung zur Kondensatkühlung. Auf diese Weise wird die geringe Temperatur der zugeführten wässrigen Lösung, die gegebenenfalls bereits vorbehandelt wurde, dem der Einheit zum thermischen Trennen nachgeschalteten Kondensator zugeführt. Dort wird die Kondensation des Kondensats begünstigt, und zwar auf energetisch günstige Weise durch Nutzen der geringen Temperatur der zugeführten wässrigen Lösung. Der abgezweigte Strom wird aufgewärmt und der wässrigen Lösung zugeleitet. Dadurch wird der wässrigen Lösung die thermische Energie zugeführt, die damit innerhalb der Anlage gehalten wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer Anlage in einem Prinzipschaubild; und
2 eine Einheit zum thermischen Trennen aus der Anlage aus 1 in einem weiteren Prinzipschaubild.
1 zeigt eine Anlage zum Trennen einer wässrigen Lösung in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung, wobei die Anlage insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Anlage 10 weist einen Zulauf 12 auf, in dem Rohwasser in Form von beispielsweise Abwasser zugeführt wird. Dieses Rohwasser soll durch Durchlaufen verschiedener Behandlungsstufen in gereinigtes Wasser und Rückstände der Lösung getrennt werden, wobei das gereinigte Wasser in einem Permeatpuffertank 14 gespeichert wird und dort erneut einem Prozessstrom zugeführt werden kann.

Zur Vorbehandlung des Rohwassers ist mindestens eine Vorbehandlungseinrichtung 16 vorgesehen, mit der das Rohwasser von Bestandteilen gereinigt wird, die ein Fouling oder Scaling an nachgeschalteten Behandlungsstufen hervorrufen können. Nach Durchlaufen der Vorbehandlungseinrichtung 16 liegt eine wässrige Lösung 18 vor.
Die Anlage 10 weist eine erste Niederdruckmembraneinheit 20 zum Auftrennen der wässrigen Lösung in ein Permeat 22 und ein Konzentrat 24 unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem niederen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck auf. Der niedere Druck beträgt ca. 18 bar. Der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 sind mehrere Pumpen vorgeschaltet (nicht dargestellt), die durch Zuführen elektrischer Energie 26 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 Pumpenergie zuführen.
Der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 ist eine zweite Niederdruckmembraneinheit 28 zum Auftrennen des Konzentrats 24 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 in ein Permeat 30 und ein Konzentrat 32 unter Durchführen einer Umkehrosmose mit einem in einem mittleren Druckbereich liegenden Arbeitsdruck nachgeschaltet. Der mittlere Druck kann bei ca. 80 bar liegen. Auch der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 sind mehrere Pumpen vorgeschaltet (nicht dargestellt), die durch Zuführen elektrischer Energie 34 der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 Pumpenergie zuführen.
Der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 ist eine Hochdruckmembraneinheit 36 zum Auftrennen des Konzentrats 32 der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 in ein Permeat 38 und ein Konzentrat 40 unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem hohen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck nachgeschaltet, der oberhalb des niederen Druckbereichs liegt. Der hohe Druck kann bei ca. 240 bar liegen. Der Hochdruckmembraneinheit 36 sind mehrere Pumpen vorgeschaltet (nicht dargestellt), die durch Zuführen elektrischer Energie 42 der Hochdruckmembraneinheit 36 Pumpenergie zuführen.
Der Hochdruckmembraneinheit 36 ist eine Einheit zum thermischen Trennen 44 des Konzentrats 40 der Hochdruckmembraneinheit 36 in ein Kondensat 46 und ein Konzentrat 48 nachgeschaltet. Der Einheit zum thermischen Trennen 44 wird durch einen vorgeschalteten Heizer 50 (siehe 2) Wärme 52 zugeführt. Dies ist hauptsächlich beim Starten der Anlage 10 erforderlich.
Der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 ist ein erster Wärmetauscher 54 vorgeschaltet, der zur Vorwärmung der dieser Niederdruckmembraneinheit 20 zugeführten wässrigen Lösung 18 mit einer das Permeat 22 dieser Niederdruckmembraneinheit 20 zum ersten Wärmetauscher 54 führenden ersten Zuführung 56 verbunden ist. Damit wird die wässrige Lösung 18 vor einem Zuführen zur ersten Niederdruckmembraneinheit 20 vorgewärmt, was deren Fluxrate erhöht und thermische Energie in der Anlage 10 hält. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Arbeitsdruck verringert werden. Nach Durchlaufen des Wärmetauschers 54 wird das Permeat 22 mittels der ersten Zuführung 56 als gereinigtes Wasser 78 dem Permeatpuffertank 14 zugeführt.
Der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 ist ein zweiter Wärmetauscher 58 vorgeschaltet, der zur Vorwärmung der dieser Niederdruckmembraneinheit 20 zugeführten wässrigen Lösung 18 mit einer das Permeat 30 von der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 zum zweiten Wärmetauscher 58 führenden zweiten Zuführung 60 verbunden ist. Somit wird die Fluxrate der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 abermals erhöht und Energie auf ökonomische Weise innerhalb der Anlage 10 gehalten. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Arbeitsdruck verringert werden. Nach Durchlaufen des Wärmetauschers 58 wird das Permeat 30 der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 mittels der zweiten Zuführung 60 als gereinigtes Wasser 78 dem Permeatpuffertank 14 zugeführt.
Die Hochdruckmembraneinheit 36 und die zweite Niederdruckmembraneinheit 28 sind zur Vorwärmung des der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 zugeführten Konzentrats 24 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 mittels einer das Permeat 38 der Hochdruckmembraneinheit 36 dem Konzentrat 24 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 zuleitenden dritten Zuführung 62 verbunden. Das Permeat 38 der Hochdruckmembraneinheit 36 wird dem Konzentrat 24 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 unmittelbar beigegeben. Dadurch kann die Fluxrate der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 erhöht und thermische Energie innerhalb der Anlage 10 gehalten werden. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Arbeitsdruck verringert werden.
Die dritte Zuführung 62 ist zur Vorwärmung eines Kreislaufs 45 der Einheit zum thermischen Trennen 44 mit einem in den Kreislauf 45 integrierten dritten Wärmetauscher 64 verbunden (siehe 2). Der Kreislauf 45 führt einen vom Konzentrat 48 der Einheit zum thermischen Trennen 44 abgezweigten ersten Teilstrom 47 in die Einheit zum thermischen Trennen 44 zurück, um dort erneut einen Verdampfungsprozess zu durchlaufen. Das Konzentrat 40 der Hochdruckmembraneinheit 36 wird dem ersten Teilstrom 47 durch Zuführen in den Kreislauf 45 beigemischt.
Das Permeat 38 der Hochdruckmembraneinheit 36 durchläuft den Wärmetauscher 64. Dadurch wird ein Teil der im Permeat 38 der Hochdruckmembraneinheit 36 gespeicherten Wärmeenergie auf den Kreislauf 45 der Einheit zum thermischen Trennen 44 übertragen, wodurch die dem Heizer 50 zugeführte thermische Energie 52 zum Vorheizen auf ein Minimum reduziert werden kann.
Der Einheit zum thermischen Trennen 44 ist ein Kondensator 66 nachgeschaltet (siehe 2), der zur Kühlung mit einer einen abgezweigten Strom 68 der zugeführten wässrigen Lösung 18 zum Kondensator 66 führenden vierten Zuführung 70 verbunden ist. Damit kann die geringe Temperatur der wässrigen Lösung 18 zur Kühlung des Kondensators 66 eingesetzt werden, was die darin ablaufende Kondensation begünstigt. Die Einheit zum thermischen Trennen 44 ist als Verdampfer ausgebildet. Durch Rückführung des im Kondensator 66 erwärmten abgezweigten Stroms 68 zur wässrigen Lösung 18 wird diese erwärmt, was die Fluxrate der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 erhöht. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Arbeitsdruck verringert werden.
Der ersten Niederdruckmembraneinheit 20, der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28, der Hochdruckmembraneinheit 36 und der Einheit zum thermischen Trennen 44 ist jeweils ein Vorlagespeicher vorgeschaltet (nicht dargestellt), der zur Speicherung der der jeweiligen Stufe zugeführten wässrigen Lösung oder des zugeführten Konzentrats dient und ein kontinuierliches Arbeiten dieser Stufe gewährleistet. Der Einheit zum thermischen Trennen 44 ist ein Vorlagespeicher 72 vorgeschaltet, der ein kontinuierliches Arbeiten der Einheit zum thermischen Trennen 44 gewährleistet (siehe 2).
Der Einheit zum thermischen Trennen 44 ist eine Entwässerungseinrichtung 74 zur Entwässerung eines vom Konzentrat 48 der Einheit zum thermischen Trennen 44 abgezweigten zweiten Teilstroms 49, insbesondere bis zu dessen Festigkeit, nachgeschaltet. Die Entwässerungseinrichtung 74 ist als Zentrifuge ausgebildet. Damit lässt sich eine vollständige Entfeuchtung des zweiten Teilstroms 49 des Konzentrats 48 der Einheit zum thermischen Trennen 44 vornehmen, wodurch Rückstände 76 als Festkörper vorliegen. Diese können recycelt oder entsorgt werden.
Das Verfahren zum Trennen einer wässrigen Lösung 18 in gereinigtes Wasser 78 und Rückstände 76 der Lösung läuft wie folgt ab:

Das zu behandelnde Rohwasser gelangt, beispielsweise über einen Puffer oder Arbeitstank, in die Vorbehandlungseinrichtung 16 vor den Membrananlagen 20, 28, 36. In der mindestens einen Vorbehandlungseinrichtung 16, die als Sedimenter, Flocculation ggf. mit Rührwerk, Sandfilter oder biologische Behandlungsstufe ausgebildet sein kann, werden Inhaltsstoffe entfernt, welche den weiteren Aufarbeitungsprozess beeinträchtigen würden.

Nach dieser Vorbehandlung folgt die erste Niederdruckmembraneinheit 20 (niedriger Druck bis ca. 18 bar), welche der wässrigen Lösung 18 den größten Anteil an gereinigtem Wasser in Form von Permeat 22 entzieht. Das Permeat 22 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 wird als Permeat über einen Wärmetauscher 54 mittels der ersten Zuführung 56 zum Permeatpuffertank 14 geleitet, in dem gereinigtes Wasser 78 gespeichert wird. Dieses saubere Wasser 78 kann als Prozesswasser wiederverwendet werden.
Das Konzentrat 24 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 gelangt anschließend in eine zweite Niederdruckmembraneinheit 28 (mittlerer Druck mit ca. 80 bar), um dem Konzentrat 24 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 erneut mindestens ca. 50 % Permeat 30 zu entnehmen. Dieses Permeat 30 gelangt über eine zweite Zuführung 60 zu einem der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 vorgeschalteten zweiten Wärmetauscher 58, wo dies zur Vorheizung der der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 zugeführten wässrigen Lösung 18 dient. Anschließend gelangt das Permeat 30 über die zweite Zuführung 60 zum Permeatpuffertank 14. Durch das Vorheizen wird die Fluxrate der ersten Niederdruckmembraneinheit 20 erhöht und Energie wird ökonomisch in der Anlage 10 gehalten. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Arbeitsdruck verringert werden.
Das Konzentrat 32 der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 wird darauffolgend in die Hochdruckmembraneinheit 36 gepumpt, um dort weiter entwässert zu werden. In der Hochdruckmembraneinheit 36 (hoher Druck mit ca. 240 bar) wird dann aus dem Konzentrat 32 der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 ca. bis zu 70°C warmes, volumenanteilmäßig 40 % Permeat und 60 % bis ca. 70°C warmes Konzentrat 40 erzeugt. In den drei Membrananlagen (erste Niederdruckmembraneinheit 20, zweite Niederdruckmembraneinheit 28 und Hochdruckmembraneinheit 36) werden somit in Summe bereits bis zu ca. 90 % gereinigtes Wasser aus der eingangs zugeführten wässrigen Lösung 18 entnommen, so dass die eigentlich kostenintensive Einheit zum thermischen Trennen 44 entsprechend kleiner dimensioniert werden kann.
Das ca. 70°C warme Konzentrat 40 der Hochdruckmembraneinheit 36 wird nun auf ökonomisch günstige Weise, nämlich begünstigt durch die Vorheizung der vorgelagerten Membranstufen 20, 28 der als Verdampfer ausgebildeten Einheit zum thermischen Trennen 44 zum Durchführen eines Unterdruck-Eindampfprozesses zugeführt. Durch diese Vorheizung kann durch einen einem Flashprozess ähnlichen Prozess weitere Energie eingespart werden.
Das Permeat 38 der Hochdruckmembraneinheit 36 wird mittels der dritten Zuführung 62 zu einem dritten Wärmetauscher 64 geführt und danach direkt dem Konzentrat 24 der ersten Niederdruckmembraneinheit 20, das der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 zugeführt wird, beigegeben. Beispielsweise kann das Permeat 38 der Hochdruckmembraneinheit 36 in einen der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28 vorgelagerten Vorlagebehälter (nicht dargestellt) gepumpt werden. Somit bleibt auch die Wärmeenergie des Permeats 38 aus der Hochdruckmembraneinheit 36 innerhalb der Anlage 10 und optimiert auf diese Weise die Fluxrate der zweiten Niederdruckmembraneinheit 28. Alternativ kann bei gleichbleibender Fluxrate der Arbeitsdruck verringert werden.
Beim Vakuum-Eindampfprozess entsteht ein Kondensat 46, welches durch Durchlaufen eines Kondensators 66 über einen indirekten Wärmeaustausch über eine vierte Zuführung 70 zur Vorwärmung eines abgezweigten Stroms 68 des wässrigen Lösung 18 genutzt wird. Anschließend gelangt das Kondensat 46 in den Permeatpuffertank 14 (siehe 1).
Das Konzentrat 48 der Einheit zum thermischen Trennen 44 (ca. 45 bis 60°C warm, gerade noch pumpfähig) oder der zweite Teilstrom 49 des Konzentrats 48 kristallisiert unter Normalbedingungen aus und/oder kann mittels einer Entwässerungseinrichtung 74, die als Filterpresse, Zentrifuge oder Vakuumtrockner ausgebildet sein kann, bis zur Festigkeit entwässert werden. Bei Vorhandensein von wiederverwendbaren Rückständen können diese recycelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Anlage
12: Zulauf
14: Permeatpuffertank
16: Vorbehandlungseinrichtung
18: wässrige Lösung
20: erste Niederdruckmembraneinheit
22: Permeat
24: Konzentrat
26: elektrische Energie (Pumpenergie)
28: zweite Niederdruckmembraneinheit
30: Permeat
32: Konzentrat
34: elektrische Energie (Pumpenergie)
36: Hochdruckmembraneinheit
38: Permeat
40: Konzentrat
42: elektrische Energie (Pumpenergie)
44: Einheit zum thermischen Trennen
46: Kondensat
47: erster Teilstrom
48: Konzentrat
49: zweiter Teilstrom
50: Heizer
52: Wärmeenergie
54: erster Wärmetauscher
56: erste Zuführung
58: zweiter Wärmetauscher
60: zweite Zuführung
62: dritte Zuführung
64: dritter Wärmetauscher
66: Kondensator
68: abgezweigter Strom
70: vierte Zuführung
72: Vorlagespeicher
74: Entwässerungseinrichtung
76: Rückstände
78: gereinigtes Wasser

Claims

Anlage (10) zum Trennen einer wässrigen Lösung (18) in gereinigtes Wasser (78) und Rückstände (76) der Lösung (18), mit mindestens einer ersten Niederdruckmembraneinheit (20, 28) zum Auftrennen der wässrigen Lösung (18) in ein Permeat (22, 30) und ein Konzentrat (24, 32) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem niederen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, mit einer der Niederdruckmembraneinheit (20, 28) nachgeschalteten Hochdruckmembraneinheit (36) zum Auftrennen des Konzentrats (24, 32) der Niederdruckmembraneinheit (20, 28) in ein Permeat (38) und ein Konzentrat (40) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem hohen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, der oberhalb des niederen Druckbereichs liegt, und mit einer der Hochdruckmembraneinheit (36) nachgeschalteten Einheit zum thermischen Trennen (44) des Konzentrats (40) der Hochdruckmembraneinheit (36) in ein Kondensat (46) und ein Konzentrat (48), dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit zum thermischen Trennen (44) ein Kondensator (66) nachgeschaltet ist, der zur Kühlung mit einer einen abgezweigten Strom (68) der zugeführten wässrigen Lösung (18) zum Kondensator (66) führenden Zuführung (70) verbunden ist.
Anlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) eine zweite Niederdruckmembraneinheit (28) zum Auftrennen des Konzentrats (24) der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) in ein Permeat (30) und ein Konzentrat (32) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem mittleren Druckbereich liegenden Arbeitsdruck nachgeschaltet ist, der oberhalb des niederen Druckbereichs und unterhalb des hohen Druckbereichs liegt.
Anlage (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) ein erster Wärmetauscher (54) vorgeschaltet ist, der zur Vorwärmung der dieser ersten Niederdruckmembraneinheit (20) zugeführten wässrigen Lösung (18) mit einer das Permeat (22) dieser ersten Niederdruckmembraneinheit (20) zum ersten Wärmetauscher (54) führenden ersten Zuführung (56) verbunden ist.
Anlage (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) ein zweiter Wärmetauscher (58) vorgeschaltet ist, der zur Vorwärmung der dieser ersten Niederdruckmembraneinheit (20) zugeführten wässrigen Lösung (18) mit einer das Permeat (30) von der zweiten Niederdruckmembraneinheit (28) zum zweiten Wärmetauscher (58) führenden zweiten Zuführung (60) verbunden ist.
Anlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckmembraneinheit (36) und die zweite Niederdruckmembraneinheit (28) zur Vorwärmung des der zweiten Niederdruckmembraneinheit (28) zugeführten Konzentrats (24) der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) mittels einer das Permeat (38) der Hochdruckmembraneinheit (36) dem Konzentrat (24) der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) zuleitenden dritten Zuführung (62) verbunden sind.
Anlage (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Zuführung (62) zur Vorwärmung eines Kreislaufs (45) der Einheit zum thermischen Trennen (44), der vom Konzentrat (48) der Einheit zum thermischen Trennen (44) einen ersten Teilstrom (47) abzweigt, mit einem in den Kreislauf (45) der Einheit zum thermischen Trennen (44) integrierten dritten Wärmetauscher (64) verbunden ist.
Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einheit zum thermischen Trennen (44) eine Entwässerungseinrichtung (74) zur Entwässerung eines vom Konzentrat (48) der Einheit zum thermischen Trennen (44) abgezweigten zweiten Teilstroms (49), insbesondere bis zur Festigkeit, nachgeschaltet ist und/oder dass der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) mindestens eine Vorbehandlungseinrichtung (16) zur Befreiung der eingangs zugeführten wässrigen Lösung (18) von eine Umkehrosmose beeinträchtigenden Inhaltsstoffen vorgeschaltet ist.
Verfahren zum Trennen einer wässrigen Lösung (18) in gereinigtes Wasser (78) und Rückstände (76) der Lösung (18), insbesondere unter Anwendung einer Anlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend folgende Schritte: - Auftrennen der wässrigen Lösung (18) in ein Permeat (22, 30) und ein Konzentrat (24, 32) mittels mindestens einer ersten Niederdruckmembraneinheit (20, 28) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem niederen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, - Auftrennen des Konzentrats (24, 32) der Niederdruckmembraneinheit (20, 28) in ein Permeat (38) und ein Konzentrat (40) mittels einer Hochdruckmembraneinheit (36) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem hohen Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, der oberhalb des niederen Druckbereichs liegt, und - thermisches Trennen des Konzentrats (40) der Hochdruckmembraneinheit (36) mittels einer Einheit zum thermischen Trennen (44) in ein Kondensat (46) und ein Konzentrat (48), dadurch gekennzeichnet, dass ein abgezweigter Strom (68) der eingangs zugeführten wässrigen Lösung (18) zur Kondensatkühlung in einem der Einheit zum thermischen Trennen (44) nachgeschalteten Kondensator (66) dient.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Auftrennen des Konzentrats (24) der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) mittels einer zweiten Niederdruckmembraneinheit (28) in ein Permeat (30) und ein Konzentrat (32) unter Durchführung einer Umkehrosmose mit einem in einem mittleren Druckbereich liegenden Arbeitsdruck, der oberhalb des niederen Druckbereichs und unterhalb des hohen Druckbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Permeat (22) der ersten Niederdruckmembraneinheit (20), das Permeat (30) der zweiten Niederdruckmembraneinheit (28), das Permeat (38) der Hochdruckmembraneinheit (36) und/oder das Kondensat (46) der Einheit zum thermischen Trennen (44) zur direkten oder indirekten Vorwärmung eines Konzentrats (24, 32, 48) dienen/dient, von dem das Permeat (22, 30, 38) oder Kondensat (46) getrennt wurde.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) zugeführte wässrige Lösung (18), vorzugsweise indirekt, durch das Permeat (22) der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der ersten Niederdruckmembraneinheit (20) zugeführte wässrige Lösung (18), vorzugsweise indirekt, durch das Permeat (30) der zweiten Niederdruckmembraneinheit (28) vorgewärmt wird und/oder dass das der zweiten Niederdruckmembraneinheit (28) zugeführte Konzentrat (24) der ersten Niederdruckmembraneinheit (20), vorzugsweise direkt, durch das Permeat (38) der Hochdruckmembraneinheit (36) vorgewärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kreislauf (45) der Einheit zum thermischen Trennen (44), der vom Konzentrat (48) der Einheit zum thermischen Trennen (44) einen ersten Teilstrom (47) abzweigt, vorzugsweise indirekt, durch das Permeat (38) der Hochdruckmembraneinheit (36) vorgewärmt wird und/oder dass ein vom Konzentrat (48) der Einheit zum thermischen Trennen (44) abgezweigter zweiter Teilstrom (49) bis zur Festigkeit entwässert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangs zugeführte wässrige Lösung (18) vor dem Auftrennen der wässrigen Lösung (18) mittels der mindestens einen ersten Niederdruckmembraneinheit (20, 28) in mindestens einer Vorbehandlungseinrichtung (16) von eine Umkehrosmose beeinträchtigenden Inhaltsstoffen befreit wird.