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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von Trinkwasser, vorzugsweise von Rohwasser aus Talsperren, in einem Flotationsfilter, aufweisend folgende Schritte:
- - Einleiten eines Rohwasserstroms in den Flotationsfilter,
- - Zumischung von einem Flockungsmittel in den Rohwasserstrom und Ausbildung von Flocken in dem Rohwasserstrom zum Herstellen einer Flocken-Rohwassermischung in einer Flockulierungszone,
- - Flotation der Flocken in mindestens einer Flotationszone mittels Mikrogasblasen aus mindestens einem Mikrogasblaseneintragssystem und Trennen der Flocken-Rohwassermischung in ein Flotat und einen Flotationsklarlauf,
- - Filtration des Flotationsklarlaufs in mindestens einer Filtrationszone mit einem Filterbett.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Flotationsfilter zur Aufbereitung von Trinkwasser aus einem Rohwasserstrom, aufweisend
- - eine Flockulierungszone zum Ausbilden einer Flocken-Rohwassermischung in mindestens einer Flockungskammer durch Zumischung eines Flockulierungsmittels aus einer Dosierleitung in einen Rohwasserstrom aus einem Rohwasserzulauf,
- - eine fluidleitende Verbindung zum Leiten der Flocken-Rohwassermischung aus der Flockulierungszone in einen unteren Bereich einer Flotationszone, wobei in dem unteren Bereich der Flotationszone ein Mikrogasblaseneintragssystem angeordnet ist,
- - die Flotationszone mit mindestens einer Flotationskammer zum Trennen der Flocken-Rohwassermischung mittels Mikrogasblasen aus dem Mikrogasblaseneintragssystem in ein Flotat und einen Flotationsklarlauf,
- - eine Filtrationszone zum Filtern des Flotationsklarlaufs in einem Filterbett.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Verwendung eines Filterbetts in einem Flotationsfilter.
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Talsperren werden zur Speicherung von Trinkwasser eingesetzt. Sie sammeln das Wasser, das von den umliegenden Oberflächen abläuft und werden von Quellen, Bächen und Flüssen gespeist. Beim Auffangen des Wassers werden auch Verunreinigungen in die Talsperre eingetragen; Huminstoffe aus Wäldern, Düngemittel aus der Landwirtschaft, sowie organische und anorganische Verbindungen, die sich auf den Oberflächen im Einzugsbereich ablagern und bei Niederschlägen abgespült werden. Für eine ausreichende Trinkwasserqualität muss das Wasser daher aufgereinigt werden. Durch die zunehmende klimatische Erwärmung kommt es in Deutschland verstärkt zur unerwünschten Blüte von Algen. Zwei Mal pro Jahr kommt es in Talsperren temperaturbedingt zu Umschichtungen des Wassers, wodurch unerwünscht hohe Konzentrationen von Eisen und Mangan auftreten. In der Regel ist das Wasser aus Talsperren sehr weich, die deutsche Härte liegt bei etwa drei. Trinkwasser soll jedoch im mittleren Bereich deutscher Härte liegen. Daher muss das Wasser in der Aufbereitung auch aufgehärtet werden.
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Beim derzeitigen Stand der Technik werden für die Verfahrensschritte Algenentfernung, Enteisenung und Entmanganung, Entfernung organischen Kohlenstoffs wie Huminstoffe, Partikelentfernung, sowie Aufhärtung und Entsäuerung jeweils der Anforderung angepasste, in Reihe angeordnete, Apparate eingesetzt.
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Für die Algenentfernung werden Mikrosiebe eingesetzt. Bei einer Siebfeinheit von 10 µm werden die meisten Algen zurückgehalten. Jedoch haben Versuche gezeigt, dass bei dieser Feinheit die Siebe permanent mit hoher Leistung zurückgespült werden müssen, da die Sieböffnungen von der Algenfracht verblockt werden. Werden die Öffnungen dagegen so groß gewählt, dass die Siebe auch bei höherer Algenfracht ohne übermäßigen Spülaufwand betrieben werden können, dann lassen die Siebe zu viele Algen durch. Versuche haben gezeigt, dass erst ab einer Sieböffnung von 50 µm die Siebe unter höherer Fracht am Laufen gehalten werden können.
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Versucht man die Algen in einem Kiesfilter zurückzuhalten, verkürzen sich die Filtrationszeiten erheblich. Folglich werden die Rückspülungen der Filter häufiger. Bei hohen Frachten sinkt dann die Ausbeute auf so geringe Werte, dass die Filter aufgrund des hohen Spülwasserverbrauchs abgeschaltet werden.
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In der
EP 2 208 524 A1 ist eine Vorrichtung zur Trinkwasserbehandlung mittels mechanischer Filtration offenbart. Damit Eisen und Mangan oxidiert werden kann, wird durch Zugabe von Druckluft und die Dispersion von Wasser ein sauerstoffreiches Luft-Wasser-Gemisch bei einem Druck von 3-6 Bar erzeugt. Eine Vorrichtung zur Entsäuerung ist ebenfalls vorgesehen.
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Auch in der
US 2004 0 217 058 A1 werden Luft und Wasser aus dem Klarlauf in einem Tank vermischt und zur Durchführung einer Druckentspannungsflotation in das zu reinigende und mit Flockungsmitteln versehene Wasser eingeleitet. Die nicht flotierten Partikel werden mittels Filtration nachgereinigt. Der pH-Wert wird durch Zugabe geeigneter Mittel beim Verrühren angepasst.
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Die WO 2019 / 145 257 A1 betrifft eine Lösung zur Druckwechselentspannungsflotation. In einer Flockulationseinheit findet eine Ausflockung der im Schmutzwasser enthaltenen Huminsäuren durch das Flockungsmittel FeCl3 statt. Das mit FeCl3 versetzte Schmutzwasser wird im Anschluss aus der Flockulationseinheit in einen Behälter mit einer Begasungsvorrichtung, bestehend aus einer Hohlwelle mit vier Begasungsscheiben, bei einem Gasvolumenstrom von 400-700 Litern/Std. eingeleitet. Über die Begasungsvorrichtung im Behälter wird Luft injiziert, wobei es zu einer Ausbildung von Mikrogasblasen unmittelbar in dem eingeleiteten mit Flockungsmittel versetzten Wasser kommt. Die gebildeten Mikrogasblasen verbinden sich mit den Flocken zu Flocken-Luftblasen-Agglomeraten, die im weiteren Verlauf in die stromabwärts vorgesehene Flotationszelle eingeführt werden. Durch die Anlagerung der Mikrogasblasen an die ausgeflockten organischen Bestandteile steigen die entsprechend gebildeten Agglomerate in der Flotationszelle in Richtung der Oberfläche und bilden auf der Wasseroberfläche eine Feststoffschicht aus, die mechanisch abgetrennt wird.
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Die
WO 1998 031 634 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Flotieren und anschließenden Filtern von Schmutzpartikeln. Zunächst werden Druckluft und Wasser in einer Druckkammer gemischt und anschließend über Düsen zusammen mit dem Wasserfeed in ein Becken geleitet. Von der Wasseroberfläche werden die flotierten Partikel abgetrennt. Anschließend werden die nicht flotierten Partikel in einem Gravitationsfilter abgetrennt. Der pH-Wert wird am Auslass aus dem Becken eingestellt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu eliminieren und eine neue platz-, energie- und chemikaliensparende Vorrichtung zum Entfernen von Algen und gelöstem organischem Kohlstoff bereitzustellen, mit der außerdem das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht des Rohwassers auf einen gewünschten Wertebereich eingestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 einen Flotationsfilter gemäß Anspruch 12 und eine Verwendung gemäß Anspruch 18. Besondere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs beschriebenen Art kennzeichnet sich dadurch, dass der Flotationsklarlauf durch ein, eine calciumhaltige Verbindung aufweisendes, Filterbett geleitet wird.
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Dadurch werden calciumhaltige Verbindungen, also bspw. als Calcium, Calciumionen, Calciumcarbonat oder Calciumhydrogencarbonat, von dem Flotationsklarlauf aus dem Filterbett aufgenommen und/oder daraus gelöst, während der Flotationsklarlauf durch das Filterbett geleitet wird. Der Flotationsklarlauf wird damit durch das Material des Filterbetts aufgehärtet, wobei der Calciumgehalt im Flotationsklarlauf ansteigt.
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Durch das calciumhaltige bzw. kalkhaltige Filterbett wird das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht im Flotationsklarlauf und damit im Filtrat hergestellt. Durch Abgabe von Calcium als Calcium, Calciumcarbonat, Calciumhydrogencarbonat oder sonstige calciumhaltige Verbindung an den Filtrationsklarlauf wird dessen Carbonathärte bspw. deutsche Wasserhärte von bspw. von 3 im Rohwasserstrom auf einen Wert zwischen 6 und 9 im Filtratstrom erhöht. Die Kalklösekapazität wird unter Verbrauch des Filtermaterials damit auf einen Wert eingestellt, der hoch genug ist, um die Leitungen und Behälter zum Transport des Trinkwassers nicht zu beschädigen. Je reaktiver das Filtermaterial, desto mehr bzw. schneller werden Carbonate herausgelöst. Durch Brennen von ungebranntem Kalk kann die Reaktivität des Filterbetts erhöht werden. Daneben können in demselben Filterbett zusätzlicher organischer Kohlenstoff, Algen und weitere Feststoffpartikel abgetrennt werden. Die Flotation kann mit weniger Aufwand realisiert werden, weil auch die nachgeschaltete Filtration noch Flocken und Partikel ausbilden bzw. ausfällen und abtrennen kann, woraus sich ein synergistischer Effekt zwischen Flotation und Filtration ergibt. Gleichzeitig wird eine Erhöhung der Trinkwasserausbeute im Vergleich zu den mehrstufigen Verfahren erreicht, die derzeit im Gebrauch sind, weil Trinkwasserverbrauch für Reinigungsschritte zur Reinigung von Filtern oder Sieben entfällt.
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Zum Entsäuern kann das Filterbett alkalisches Filtermaterial aufweisen, insbesondere Magnesiumoxid, wodurch der pH-Wert des Flotationsklarlaufs im Filterbett erhöht wird.
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Sollte der Rohwasserstrom eine Calcitlösekapazität größer als 5 mg/l besitzen, muss er entsäuert werden. Durch Entsäuern wird der Filtrationsklarlauf auf einen pH-Wert von ca. 7,8 angehoben. Durch Verwendung Calciumcarbonat-haltiger Materialien, bspw. Calcit oder halbgebranntem Dolomit findet eine Neutralisation von Kohlensäure bzw. Hydrogencarbonat bis zum Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht statt.
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Besonders effektiv wirken die Verfahrensschritte Flotation und Filtration zusammen, wenn während der Flotation im Gas zur Erzeugung der Mikrogasblasen enthaltenes Kohlenstoffdioxid den pH-Wert der Flocken-Rohwassermischung absenkt.
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Liegt bei einem ausreichenden Calciumgehalt ein zu hoher pH-Wert am Ausgang aus der Filtrationseinheit vor, wird das Trinkwasser kalkabscheidend. Enthält das Rohwasser von sich aus zu wenig Säure, muss daher sogar Säure zugegeben werden. Vorzugsweise werden die Mikrogasblasen aus dem Mikrogasblaseneintragssystem mittels eines Gases erzeugt, bei dem der Umgebungsluft Kohlenstoffdioxidgas zudosiert wird. Damit auch bei einem weniger reaktiven Filterbett für das Lösen von calciumhaltigen Material und damit für die Aufhärtung ausreichend Kohlensäure im Flotationsklarlauf vorhanden ist, kann über das Mikrogasblaseneintragssystem Kohlenstoffdioxid zugesetzt werden. Das Kohlendioxid löst sich dann während der Filtration im Rohwasserstrom und dient der Calciumaufnahme des Flotationsklarlaufs im Filterbett. Überschüssiges Kohlenstoffdioxid, also Kohlenstoffdioxid, welches nicht in Lösung übergeht, unterstützt als Mikrogasblase die Flotation. Es kann ein weniger reaktives Filterbettmaterial verwendet werden. Selbst wenn der Flotationsklarlauf im Filterbett durch einen Betriebsstopp länger verweilen sollte, löst sich nicht unnötig Material des Filterbetts auf. Ebenso kann eine Zugabe von Kohlenstoffdioxid zum Absenken des pH-Wertes nach der Filtration entfallen.
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Vorzugsweise fällt in der Flocken-Rohwassermischung gelöstes Eisen während der Flotation durch im Gas zur Erzeugung der Mikrogasblasen enthaltenen Sauerstoff aus.
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Eisen- und Eisensalze wirken als Flockungsmittel in der Flockulierungszone, unterstützen die Fällung des organischen Kohlenstoffs und die Ausbildung von Flocken für die Flotation. Je höher die Eisenfracht im Rohwasser ist, desto geringer kann die Zumischung von Flockungsmittel in der Vorkammer ausfallen. Überschüssiges Eisen muss aber in den der Flockulierung nachgeschalteten Verfahrensschritten stromabwärts abgetrennt werden. Eisen wird dabei sowohl bei der Flotation als auch bei der Filtration abgetrennt. Im Rohwasserstrom liegt Eisen als Eisen-II bzw. Eisen-III (Rost) vor. Durch das Eintragen der Mikrogasblasen liegt der Sauerstoffgehalt während der Flotation nahe der Sättigung. Der Sauerstoff führt zur Oxidation wenigstens eines Teils des gelösten Eisens bereits bei der Flotation. Im Flockungsbehälter, also im Kamin und über dem Filterbett bilden sich Flocken bspw. aus Eisen-III und Eisen - Hydroxid. Zum Teil binden sich diese Flocken an die Mikrogasblasen und werden damit zur Oberfläche getragen und im Flotat abgeschieden. Für die Flotation des Eisens darf der Eisengehalt oder pH-Wert nicht zu niedrig sein, als besonders vorteilhaft hat sich ein pH-Wert im Bereich von 7,1-7,2 gezeigt. Der Rest der Eisenflocken bzw. Eisenpartikel treten mit dem Flotationsklarlauf in das Filterbett ein.
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Besonders effektiv wirken die Verfahrensschritte Flotation und Filtration zusammen, wenn im Flotationsklarlauf gelöstes Eisen durch das bereits bei der Flotation ausgefällte Eisen während der Filtration ausgefällt und zugleich im Filterbett zurückgehalten wird.
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Das in der Filtrationszone vorliegende bzw. entstehende Eisen-Hydroxid unterstützt die Fällung von weiteren organischen Stoffen, wie Huminstoffen. Im Filterbett findet auch eine Oxidation des im Flotationsklarlaufs gelösten Eisens durch das Material des Filterbetts statt, sodass das Eisen in ein Oxid überführt wird und als brauner Ockerschlamm ausfällt. Das verbliebene Eisen-II wird in Eisen-III-Oxidhydrat und Eisen-III-Oxid umgewandelt. Das Eisen-III-Oxidhydrat bewirkt eine katalytische Umwandlung von Eisen-II in Eisenhydroxid, welches wieder ausfällt und im Filterbett festgehalten wird. Durch die Möglichkeit der Abtrennung von Eisen im Filterbett kann bei der Flotation mehr eisenhaltiges Flockungsmittel zugegeben werden, wodurch die Flockenbildung beschleunigt wird. Ebenso wird das Eisen durch das alkalisch wirkende Filterbett selbst dann abgeschieden, wenn der pH-Wert bei der Flotation zu niedrig für ein Ausfällen des Eisens ist. Der ganze Aufbereitungsprozess wird stabiler.
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Gelöstes Mangan wird besonders gut dann abgeschieden, wenn der Flotationsklarlauf durch ein, eine magnesiumoxidhaltige Verbindung, aufweisendes Filterbett geleitet wird, wobei gelöstes Mangan als Manganoxid ausfällt und im Filterbett zurückgehalten wird.
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Auch Mangan kann bei der Flotation ausfallen und im Flotat abgetrennt werden. Bedeutender ist jedoch die Abtrennung des im Flotationsklarlauf gelösten Mangans in der Filtrationszone. Erst wenn das Eisen weitgehend ausgefällt ist, wird in dem alkalisch wirkenden Filterbett das Mangan durch verschiedene Reaktionen in Manganoxid bzw. MnO2 überführt. Bei Erhöhung des pH-Wertes fallen allgemein bestimmte Metalle aus. Zum Beispiel fällt Calcium als Calcium-Carbonat allgemein bei pH 9,5 aus. Im Filterbett stellt sich lokal, rund um das Calciumcarbonat-, oder Calcium-Hydrogencarbonat- Korn, ein erhöhter pH-Wert ein. Eisen und Mangan haben die Eigenschaft bei hohen pH-Werten als Hydroxide auszufallen. Dieser Effekt wird während der Entcarbonisierung als Nebenreaktion genutzt um Eisen, Mangan und andere Schwermetalle zu entfernen. In der Flüssigkeitsschicht des Flotationsklarlaufs an dem Material der Schüttung kann ein pH-Wert von 8,3-8,5 vorliegen. Daher eignet sich besonders das alkalisch wirkende Magnesiumoxid als Zusatz im Filterbett. Teils lagert sich das MnO2 als Braunstein an das Filtermaterial an, teils wird Braunstein als Partikel in dem Filterbett zurückgehalten. Der Braunstein wirkt katalytisch für die Abscheidung weiteren Mangans. In der Regel besteht das Filterbett jedoch fast ausschließlich aus Calciumcarbonat. Zusätzlich kann eine biologische Ausfällung des Mangans durch Bakterien stattfinden.
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Die Mikrogasblasen können optional durch Verwendung rotierender Membranen im Mikrogasblaseneintragssystem bereitgestellt werden.
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Beim Einscheren wird Gas aus rotierenden Keramik-Membranscheiben, die mit einer Drehgeschwindigkeit zwischen 50 und 400 rpm (=Umdrehungen pro Minute), bevorzugt zwischen 100 und 300 rpm, insbesondere bevorzugt zwischen 180 und 220 rpm rotieren, gedrückt. Beim Austreten des Gases aus der Keramikmembran wird dieses in das umliegende Wasser im Kamin der Flotationszone eingeschert. Durch die Scherwirkung wird das Gas im Wasser fein dispergiert. Die Stärke der Scherkräfte selbst wird von der Rotationsgeschwindigkeit der Keramikmembran beeinflusst. Je schneller die Keramikscheiben rotieren, desto kleiner werden die Mikrogasblasen. Wie bei der Druckentspannung löst sich das Kohlenstoffdioxid und der Luftsauerstoff bis zur Sättigung im Wasser. Durch die rotierenden Keramikscheiben können die Druckwechsel entfallen, was gegenüber Druckwechselvorgängen den Energieeintrag verringert. Auch der Luftstickstoff und das überschüssige Kohlenstoffdioxid bilden Mikrogasblasen, die sich an die Flocken und Algen anhaften und diese zur Oberfläche der Flotationszone tragen.
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Alternativ werden die Mikrogasblasen mittels Druckentspannungsflotation bereitgestellt, indem ein Teilstrom aus dem Flotationsklarlauf und/oder am Austritt aus der Filtrationseinheit abgezweigt, mit Druck beaufschlagt und mit einem Gas zur Bildung der Mikrogasblasen vermischt und der Teilstrom anschließend bei dem Eintritt aus dem Mikrogasblaseneintragssystem in die Flotationseinheit entspannt wird.
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Bei der Druckentspannungsflotation wird ein Teilstrom des Filtrats auf ein Druckniveau von ca. 5 bar angehoben. Mittels eines Dispersionssystems wird Gas, bspw. Luft und Kohlenstoffdioxid bis zur Sättigung beim Dispersionsdruck im Wasser vermischt. Wird der Druck unmittelbar an der Eintragsstelle im Kamin auf Umgebungsdruck entspannt, dann kommt das Gas aus der Lösung und bildet Mikrogasblasen. Durch Festlegung der Druckunterschiede lässt sich die in Lösung befindliche Gasmenge und damit die Größe der Mikrogasblasen am Austritt aus dem Mikrogasblasensystem bestimmen. Durch die Rückführung eines Teilstroms am Austritt aus der Filtrationseinheit oder am Flotationsklarlauf kann der Frischwasserverbrauch im Mikrogasblasensystem reduziert werden.
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Vorzugsweise weisen die Mikrogasblasen aus dem Mikrogasblaseneintragssystem einen Durchmesser zwischen 30 und 40 µm auf.
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Die Zugabe von Mikrogasblasen in einem ersten oder unteren Abschnitt, unteren heißt bezogen auf die Richtung der Schwerkraft, der Flotationskammer erfolgt durch ein Mikrogasblaseneintragssystem, wobei die Mikrogasblasen an die Flocken binden und diese an die Mikrogasblasen gebundenen Flocken zur Rohwasseroberfläche der Flotationskammer transportiert werden. An der Rohwasseroberfläche bilden die Flocken eine teppichartige Flotatdecke, die über ein Wehr abgezogen werden kann. Das Wehr kann eine entsprechende Biegung haben, sodass es in Verbindung mit dem Schlammräumer wie eine Zellradschleuse wirkt. Ein Mikrogasblasendurchmesser von 30 bis 40 µm hat sich als besonders günstig herausgestellt, um einerseits an die Flocken zu binden und andererseits Gase wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid in Lösung der Flocken-Rohwassermischung zu überführen.
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In einer optionalen Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Beimischung des Flockungsmittels in einer Vorkammer und das Wachstum der Flocken in dem Rohwasserstrom zumindest teilweise in einer der Vorkammer in Strömungsrichtung nachgeschalteten Flockungskammer.
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Der Aufbereitungsvorgang im Flotationsfilter beginnt durch Einleiten eines Rohwasserstroms in eine Vorkammer mit einem schnelldrehenden Rührwerk. Das schnelllaufende Rührwerk hat einen Turbinenrührer. Dieser sollte mit einer Geschwindigkeit von 450-550 rpm, insbesondere ca. 500 rpm, laufen. Es muss so viel Energie eingetragen werden, dass der Rohwasserstrom bzw. der Einlaufkanal turbulent durchmischt wird. In der Vorkammer erfolgt das Beimischen eines Flockungsmittels über eine Dosierleitung in die Vorkammer. Durch Einrühren des Flockungsmittels mit dem Rohwasser in der Vorkammer durch das Rührwerk werden nichtlösliche Flocken aus in dem Rohwasser gelösten organischen Verbindungen gebildet. Anschließend wird die Flocken-Rohwassermischung aus der Vorkammer über eine Verbindungsleitung in eine Flockungskammer mit einem langsam drehenden Rührwerk überführt. Beim Rühren der Flocken-Rohwassermischung in der Flockungskammer nimmt das Volumen der Flocken zu. Das Überleiten der Flocken-Rohwassermischung aus der Flockungskammer in die Flotationskammer erfolgt über ein Wehr.
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In einer besonders leicht zu reinigenden Vorrichtung wird ein Reinigungsschritt zum Reinigen des Filterbetts durchgeführt, wobei ein Flüssigkeitsspiegel der Flotationszone bis zur Filtrationszone abgesenkt wird, wobei das Filterbett vollständig mit Flüssigkeit bedeckt bleibt.
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Dieses zu vorab festgelegten Bedingungen (Druckverlust, Zeitintervall,...) durchführbare Reinigungsverfahren ermöglicht eine Realisierung von Flotationszone und Filtrationszone platzsparend in einem Behälter bzw. ein Anordnen der Flotationszone oberhalb der Filtrationszone, ohne aufwendige bauliche Trennvorrichtungen vorsehen zu müssen.
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Die eingangsgenannte Aufgabe wird ebenfalls durch einen Flotationsfilter gelöst, wobei das Filterbett eine calciumhaltige Verbindung aufweist oder eine calciumhaltige Verbindung an den Flotationsklarlauf abgeben kann.
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Insbesondere gibt das Filterbett Calcium, also Calciumionen, Calciumcarbonat und/oder Calciumhydrogencarbonat an den Flotationsklarlauf ab. Flockulierungszone und Flotationszone bzw. Flotationszone und Filtrationszone sind fluidleitend miteinander verbunden. Das Material des Filterbetts wird bei der Filtration des Flotationsklarlaufs allmählich aufgelöst und verbraucht. Mögliche Materialien sind calciumhaltig, also insbesondere kalkhaltig, also Marmor, Dolomit und Calcit.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist das Filterbett ein alkalisches Material zur Erhöhung des pH-Werts des Flotationsklarlaufs auf.
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Das Filterbett trägt durch das alkalische Material zur Entsäuerung bei, wobei das Filterbett dadurch aufgelöst wird. Alkalisches Filtermaterial vermag auch bei einem Flotationsklarlauf mit niedrigem pH-Wert durch die pH-Werterhöhung sofort die Ausfällung und Abscheidung von Eisen im Filterbett einzuleiten. Die Abscheidung von Eisen ist für die nachgelagerte Abscheidung von Mangan erforderlich, weshalb auch die Abscheidung von Mangan begünstigt wird. Ein besonders kostengünstiges Material für das Filterbett ist Calciumcarbonat. Das Calciumcarbonat wird von der Kohlensäure im Wasser gelöst und trägt zur Aufhärtung und zur pH-Wert-Erhöhung des Wassers bei. Ein Teil des Calciumcarbonats bleibt als Feinst-Partikel im Filterbett zurück. Diese Feinst-Partikel verdichten das Filterbett. Diese Verdichtung erhöht die Filtrationswirkung. Damit werden auch die sehr feinen Braunstein - Partikel zurückgehalten, was wiederrum die Manganabscheidung verbessert.
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Vorzugsweise weist das Filterbett Magnesiumoxid auf, das maßgeblich zur Umwandlung von Mangan in Manganoxid bzw. MnO2 beitragen kann und somit die Manganabscheidung zusätzlich verbessert.
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Durch Brennen von Dolomit (CaMg(CO3)2) wird das Dolomit reaktiver und gibt mehr calciumhaltige Verbindungen an den Flotationsklarlauf ab. Das Filterbett ist alkalisch durch das Calcium-Carbonat und Calcium-Hydrogencarbonat. Das Filtermaterial kann allgemein ungebrannt, halbgebrannt oder gebrannt sein. Je höher der Anteil des gebrannten Materials ist, desto leichter löst sich das Calcium im Wasser. Ein Filterbett halbgebrannten Dolomits weist besonders günstige Eigenschaften auf. Filtermaterial aus halbgebranntem Dolomit besteht zum größten Teil aus Magnesiumoxid (MgO) und Calciumcarbonat (CaCO3). Beide Bestandteile des Filtermaterials lösen sich, wobei sich MgO schneller auflöst als CaCO3 und den pH-Wert erhöht. Insbesondere in einem Flotationsfilter ist die Verwendung weniger reaktiven Dolomits besonders günstig. Im Regelfall kann durch Zugabe von Kohlenstoffdioxid bei der Flotation trotzdem ausreichend Calcium für das erforderliche Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht in Lösung übergehen. Dadurch ist das Verfahren weniger empfindlich gegenüber Störungen und der pH-Wert bzw. der Verbrauch an Filtermaterial steigt nicht zu stark an, wenn der Flotationsklarlauf bspw. bei Störungen länger im Filterbett verweilen sollte.
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Vorzugsweise sind Flotationszone und Filtrationszone in einem gemeinsamen Behälter des Flotationsfilters realisiert. Dies ermöglicht einen besonders platzsparend realisierbaren Flotationsfilter.
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Besonders energiesparend ist die Flotationszone in einer Flotationskammer realisiert und die Filtrationszone in und/oder unterhalb der Flotationskammer angeordnet. Das Filterbecken mit dem Filterbett ist nach oben offen ausgebildet und in der Flotationskammer angeordnet, vorzugsweise neben dem unteren Bereich der Flotationszone/Flotationskammer. Mittel zur Förderung des Flotationsklarlaufs zur Filtrationseinheit in einen separaten Behälter können somit entfallen, weil allein die Schwerkraft den Flotationsklarlauf nach unten zur Filtrationseinheit fördern kann und die Schwerkraft den Flotationsklarlauf beim Durchströmen des Filterbetts unterstützt.
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Vorzugsweise sind Flotationszone und Filtrationszone zum Reinigen der Filtrationszone trennbar. Bei dieser Bauweise entfällt das Absinken des Flüssigkeitsspiegels im Flotationsbehälter.
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In einer optionalen Weiterbildung des Flotationsfilters ist die Flockulierungszone in mindestens eine Vorkammer zum Zudosieren des Flockungsmittels und in eine der Vorkammer stromabwärts nachgeschaltete Flockungskammer zum Wachstum der in der Vorkammer erzeugten Flocken unterteilt.
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Die eingangsgenannte Aufgabe wird ebenfalls durch eine Verwendung eines Filterbetts, aufweisend eine calciumhaltige Verbindung, in einem Flotationsfilter gelöst.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmals(unter) kombinationen, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels {bzw. -beispiele} der Erfindung und den Zeichnungen. Diese zeigen in
- 1 ein Verfahrensfließbild eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine Prinzipskizze eines Flotationsfilters in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich beispielhafter Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Aufbereiten von Rohwasser 107 aus Talsperren 109, in einem Flotationsfilter 100. Zunächst erfolgt das Einleiten eines Rohwasserstroms 107 in den Flotationsfilter 100 und die Zumischung von einem Flockungsmittel 108 in den Rohwasserstrom 107. In einer Flockulierungszone 101 erfolgt die Bildung, insbesondere Fällung von Flocken in dem Rohwasserstrom 107 zum Herstellen der Flocken-Rohwassermischung 111. Die Flocken dieser Flocken-Rohwassermischung 111 werden stromabwärts zusammen mit Algen in der Flotationszone 102 mittels Mikrogasblasen 103 (vgl. 2) flotiert, die hier durch Beimischung eines Gases 115 in einen aus dem Filtrat 113 zurückgeführten Teilstrom 114 erzeugt werden, wobei das Gas 115 bspw. Umgebungsluft und ggf. zudosiertes Kohlenstoffdioxid aufweisen kann (Druckwechselabsorption). Die Mikrogasblasen 103 werden bereitgestellt, indem ein Teilstrom 114 aus dem Filtratstrom 113 am Austritt aus der Filtrationszone 106 abgezweigt, mit Druck beaufschlagt, mit einem Gas 115 vermischt und anschließend bei dem Eintritt aus dem Mikrogasblaseneintragssystem 11 (Feinblasbelüftung vgl. 2) in die Flotationseinheit 102 entspannt wird. Dabei trennt sich die Flocken-Rohwassermischung 111 in ein Flotat 104 und einen Flotationsklarlauf 105. Der Flotationsklarlauf 105 wird in mindestens einer calciumhaltigen Filtrationszone 106 in einen Schlammstrom 112 und einen Filtratstrom 113 getrennt, wobei der Filtratstrom 113 bereits als Trinkwasser vorliegen kann.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Flotationsfilter 100. Der Rohwasserstrom 107 der Talsperre 109 fließt über die Absperrarmatur 1 in die Flockulierungszone 101 des Flotationsfilters 100, die aus einer Vorkammer 2 und einer stromabwärts nachgeschalteten Flockungskammer 6 besteht. In dieser Vorkammer 2 rotiert ein schnell laufendes Turbinenrührwerk 3 mit anpassbarer Geschwindigkeit. Das schnelllaufende Rührwerk 3 hat einen Turbinenrührer. Dieser sollte mit einer Geschwindigkeit von ca. 500 rpm laufen. Es muss so viel Energie eingetragen werden, dass der Einlaufkanal turbulent durchmischt wird. Zum Rohwasserstrom 107 wird eine geringe Menge (zwischen 3 mg/l bis 100 mg/l, vorzugsweise 5 mg/l bis 20 mg/l), vorzugsweise mit Aluminiumsalz oder Eisensalz metallsalzbasiertem, Flockungsmittel 108 über die erste Dosierleitung 4 zudosiert. In dieser Vorkammer 2 werden das Flockungsmittel 108 und der Rohwasserstrom 107 durch das Turbinenrührwerk 3 sehr intensiv vermischt. Mittels dieses Flockungsmittels 108 werden in dem Rohwasserstrom 107 der Talsperre 109 (vgl. 1) gelöste organische Verbindungen in nicht-lösliche Feststoffe, vorzugsweise in Form von Metall-Hydroxidflocken, überführt. In anderen Worten, die Stoffe, die aus der Lösung kommen, werden dann in Metall - Hydroxid Flocken eingebunden. Die Bildung von Flocken setzt in der Vorkammer 2 sofort ein. Über die zudosierte Menge des Flockungsmittels 108 lässt sich der Abscheidegrad für gelöste Stoffe beeinflussen. Je mehr Flockungsmittel 108 zudosiert wird, desto mehr organische Stoffe werden abgeschieden. Die Vorkammer 2 ist so dimensioniert, dass die in der Vorkammer 2 gebildeten Flocken beim Austritt aus der Vorkammer 2 zwar mikroskopisch klein, dafür aber sehr stabil sind.
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Die mikroskopisch kleinen Flocken werden aus der Vorkammer 2 über eine fluidleitende Verbindungsleitung 5 in die Flockungskammer 6 überführt. Dort wird die mikroskopische Flocke mittels eines langsam laufenden Rührwerks 7 zu größeren Flockenbündeln gezüchtet. „Langsam laufendes Rührwerk 3“ heißt bei einem Krälwerk-Typ 3 bis 15 Umdrehungen pro Minute, bei einem Turbinenlaufwerk 30 bis 150 min-1. Die Anzucht kann durch Wachstum und/oder Agglomeration der mikroskopisch kleinen Flocken erfolgen. Auch in der Flockungskammer 6 auftretende Algen lagern sich an die Flocken an. Die großgezüchteten Metallhydroxidflocken mit den angelagerten Algen werden als Flocken-Rohwassermischung 111 von der Flockungskammer 6 stromabwärts über ein Wehr 8 in die nachgeschaltete Flotationszone 102 überführt. Die Flotationszone 102 beginnt an einem unteren Abschnitt oder Bereich der Flotationskammer 10, einem Kamin 9. Im Kamin 9 ist das Gaseintragssystem 11 installiert, welches die Flocken-Rohwassermischung 111 mit einem Gas 115 mischt.
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In der Flotationszone 102 wird die Flocken-Rohwassermischung 111 in ein Flotat 104 und einen Flotationsklarlauf 105 getrennt. Das Gas 115 wird in Form von Mikrogasblasen 103 zugeführt. Für die Flotation werden Mikrogasblasen 103 in der Größe von 30 µm bis 40 µm benötigt. Diese Mikrogasblasen 103 können (nicht dargestellt) mittels Druckentspannungsflotation eines mit Gas 115 gesättigtem Filtrat-Teilstroms 114 (vgl. 1) oder durch Mikroflotation mittels Einscheren erzeugt werden. Die Mikrogasblasen 103 haften an den Flocken an und bilden einen Verbund. Die Mikrogasblasen 103 tragen so die Flocke an die Oberfläche bzw. einen oberen Bereich oder Abschnitt der Flotationskammer 10. Dort schwimmen die Flocken als Flotat 104 auf und verdichten sich zu einem Teppich 12. Dieser Teppich 12 wird dann in regelmäßigen Intervallen von dem Zellrad 13 abgezogen. Das Flotat 105 wird als Schwimmschlamm über ein Wehr 14 in den Flotattrog 15 ausgetragen. Von dort wird der Schwimmschlamm zur Weiterverwendung oder Entwässerung über die Flotatleitung 16 in einen Eindicker oder Auffangtank abgeleitet.
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Die Filtrationszone 106 zum Filtern des Flotationsklarlaufs 105 ist unter der Flotationszone 102 bzw. neben einem unteren Bereich 9 der Flotationszone 102 angeordnet. Der Filtrationsbereich 106 weist ein Filterbett 17 mit halbgebranntem Dolomit als Filtermaterial auf. Halbgebranntes Dolomit ist ein alkalisches Filtermaterial und dient gleichzeitig der Entsäuerung und Aufhärtung des Wassers. Aus dem Flotationsklarlauf 105 ist bereits der größte Teil der Algen und ein Teil des organischen Kohlenstoffs durch Flotation entfernt. Der Flotationsklarlauf 105 tritt in das Filterbett 17 ein. Dabei kommt es zu bereits beschriebenen chemischen Reaktionen, die den Filtrationsklarlauf 105 entsäuern, aufhärten und zusätzlich Eisen, Mangan und weitere organische Stoffe, insbesondere Huminstoffe, ausfällen und abscheiden. Dabei hilft für einen hohen Abscheidungsgrad, dass das Filterbett 17 in die Tiefe hinein immer dichter wird.
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Die Filtrationseinheit 106 ist vorzugsweise mehrschichtig ausgebildet. Bspw. ist oberhalb eines Filterbodens 19 eine Schicht mit Stützkies 21 in einem Filterbecken 23 angeordnet. Oberhalb des Stützkies 21 ist das Filterbett 17 angeordnet, welches das zum Herstellen des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts reaktive Material aufweist. In zeitlich regelmäßigen Abständen werden die im Filterbett 17 zurückgehaltenen Partikel, bestehend aus MnO2, CaCO3, FeOH2 und Fe2O3, durch eine Kombination von Luft-, Luft-/Wasser- und Klarwasserspülung aus dem Filterbett 17 entfernt. Dazu wird der Wasserspiegel in dem oberen Bereich oder Abschnitt des Flotationsfilters 100 abgesenkt, wobei auch der Flüssigkeitsspiegel in der Flotationszone 102 bis zur Filtrationseinheit 106 abgesenkt wird. In der Filtrationseinheit 106 verläuft der Flüssigkeitsspiegel während des Reinigungsschritts ca. 10-15 cm oberhalb des Filterbetts 17. Spülluft wird über eine Spülluftklappe 18 in ein Filterplenum 20 unter den Filterboden 19 eingebracht. Im Filterplenum 20 verteilt sich die Spülluft gleichmäßig. Die Spülluft tritt dann gleichmäßig durch den Filterboden 19 in den Stützkies 21. Vom Stützkies 21 gelangt die Spülluft ins Filterbett 17. Die Luftblasen der Spülluft lassen das Filterbett 17 expandieren. In den geschaffenen Zwischenräumen des Filterbetts 17 bewegt sich nun das Filtermaterial. Im Filterbett 17 abgeschiedene Partikel werden durch die Spülluft in den Zwischenräumen des Filterbetts 17 gelöst und gelockert.
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Nach einer bestimmten Zeit wird der Spülluft zusätzlich Spülwasser zugegeben, eine Luft-/Wasserspülung. Dazu wird die Spülwasserklappe 22 geöffnet und das Spülwasser tritt gemeinsam mit der Spülluft aus dem Filterplenum 20 durch den Filterboden 19. Die Feinst-Partikel werden nun aus den erweiterten Zwischenräumen des Filterbetts 17 gespült. Nach einer bestimmten Zeit der kombinierten Luft-/Wasserspülung wird die Spülluftklappe 18 geschlossen. Nun wird die Spülwasserzufuhr erhöht und die Spülwasserspülung trägt die gelösten bzw. gelockerten Partikel im Filterbett 17 über einen Filtertrog 23 über dem Filterbett 17 aus dem Filtrationsbereich 106 aus. Dazu wird die Schlammwasserklappe 24 im Bereich des Filtertrogs 23 geöffnet. Das Schlammwasser 112 fließt in einen (nicht dargestellten) Auffangbehälter ab.
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Nach Ablauf der Spülwasserspülung wird die Schlammwasserklappe 24 geschlossen. Das Spülwasser wird so lange in das Filterbecken gepumpt bis der Füllstand das Wehr 14 der Flotationszone 102, also den Bereich, in dem sich der Teppich 12 bildet, wieder erreicht hat. Die Spülwasserklappe 22 wird dann geschlossen.
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Nun wird die Absperrarmatur 1 für den Rohwasserstrom 107 wieder geöffnet. Für einen festgesetzten Zeitraum wird zunächst eine Bypassklappe 25 geöffnet, um das Filterbett 17 wieder einzufiltrieren. Das Einfiltrieren dient dazu, dass sich das Filterbett 17 wieder verdichtet, um nach dem Reinigungsschritt verbliebene Feinst-Partikel nicht durchschlagen zu lassen. Wenn die Zeit für das Einfiltrieren abgelaufen ist, wird der Betrieb wieder auf normalen Filterbetrieb umgeschaltet. Damit wird die Flotation wieder gestartet. Die Bypassklappe 25 wird geschlossen und die Filtratklappe 26 für entsäuertes, aufgehärtetes und filtriertes Wasser nimmt ihren Regelbetrieb wieder auf und leitet den Filtratstrom 113 aus dem Flotationsfilter 100. Weitere Reinigungsstufen zu Trinkwasseraufbereitung können anschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Absperrarmatur
- 2
- Vorkammer
- 3
- schnell laufendes Rührwerk
- 4
- Dosierleitung
- 5
- fluidleitende Verbindung, Verbindungsleitung
- 6
- Flockungskammer
- 7
- langsam laufendes Rührwerk
- 8
- fluidleitende Verbindung, insbesondere Wehr
- 9
- unterer Abschnitt der Flotationszone, insbesondere Kamin
- 10
- Flotationskammer
- 11
- Gaseintragssystem
- 12
- Teppich
- 13
- Zellrad
- 14
- Wehr der Flotationszone
- 15
- Flotattrog
- 16
- Flotatleitung
- 17
- Filterbett
- 18
- Spülluftklappe
- 19
- Filterboden
- 20
- Filterplenum
- 21
- Stützkies
- 22
- Spülwasserklappe
- 23
- Filterbecken, insbesondere Filtertrog
- 24
- Schlammwasserklappe
- 25
- Bypassklappe
- 26
- Filtratklappe
- 100
- Flotationsfilter
- 101
- Flockulierungszone
- 102
- Flotationszone
- 103
- Mikrogasblasen
- 104
- Flotat
- 105
- Flotationsklarlauf
- 106
- Filtrationszone
- 107
- Rohwasserstrom, insbesondere Talsperrenwasser
- 108
- Flockulierungsmittel
- 109
- Talsperrenwasser
- 111
- Flocken-Rohwassermischung
- 112
- Schlamm, Schlammwasserstrom
- 113
- Filtratstrom
- 114
- Teilstrom
- 115
- Gas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2208524 A1 [0008]
- US 20040217058 A1 [0009]
- WO 1998031634 A1 [0011]
