DE19545277A1 - Vorrichtung zur Trennung einer wäßrigen Lösung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung ei­ ner wäßrigen Lösung, insbesondere Rohwasser, in eine ent­ salzte Fraktion (Permeat) und eine aufkonzentrierte Frak­ tion (Konzentrat) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Rohwasser, welches Frischwasser, Brackwasser oder Meer­ wasser sein kann, enthält auch nach einer eventuellen Aufbereitung noch eine Vielzahl von gelösten Stoffen, insbesondere Salzen. Auch das über das Trinkwassernetz zur Verfügung gestellte Leitungswasser weist eine Viel­ zahl von Inhaltsstoffen auf, die aufgrund seiner bestim­ mungsgemäßen Verwendung als Trinkwasser notwendig sind.

Bei der technischen Verwendung von Wasser sind die In­ haltsstoffe oft nachteilig. Daher werden Vorrichtungen zur Aufbereitung von Rohwasser eingesetzt, die eine Trennkammer mit einem Membranmodul umfassen, welches durch Umkehrosmose das Rohwasser in Konzentrat und Per­ meat aufteilt. Die Inhaltsstoffe des Rohwassers verblei­ ben im Konzentrat, während das durch die Membran gefil­ terte Permeat weitgehend frei von Inhaltsstoffen ist. Die Moleküle der gelösten Inhaltsstoffe haben eine Größe, die auch unter Druck die osmotische Membran nicht überwinden können.

Die Betriebsbedingungen der Vorrichtung beziehungsweise der genutzten Umkehrosmose sind von einem möglichst hoch einzustellenden Wirkungsgrad bestimmt. Wird Permeat benö­ tigt, stellt man einen hohen, durch Zusatzpumpen aufge­ brachten Druck im Konzentratraum ein. Aus dem Rohwasser kann so bis zu 80% Permeat gewonnen werden, wobei das hochaufkonzentrierte Konzentrat technisch meist nicht weiter verwertbar ist und als Abwasser unmittelbar ent­ sorgt wird. Bei derartig hoher Aufkonzentration können auch Inhaltsstoffe ausfallen, was den kontinuierlichen Betrieb der Umkehrosmose in dem Membranmodul stört und unter Umständen die Membran zusetzen kann. Das Membranmo­ dul muß dann gereinigt oder ausgetauscht werden. Meist ist daher das Rohwasser vor Eintritt in das Membranmodul aufbereitet, wozu aber zusätzliche technische Einrichtun­ gen notwendig sind.

Soll ein wertvoller Inhaltsstoff des Rohwassers gewonnen werden, ist zur besseren Weiterverarbeitung eine hohe Konzentration des Konzentrates erwünscht. Damit fallen die gleichen, vorstehend beschriebenen Probleme an, wobei das Permeat meist ungenutzt als Abwasser abfließt.

Die bekannte Vorrichtung hat zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei der Umkehrosmose zum Aufbau des not­ wendigen Druckes einen hohen Energiebedarf, wobei meist ein erheblicher Anteil des Konzentrates beziehungsweise des Permeates unmittelbar als Abwasser abfließt. Wird zur Senkung des Energiebedarfs, zum Beispiel der durch die Zusatzpumpen aufzubringende Druck gesenkt, ist die Per­ meatausbeute geringer. Zur Gewinnung einer vorgegebenen Menge Permeates wird dann mehr Rohwasser verbraucht; das überschüssige Konzentrat fließt als Abwasser ungenutzt ab. Unter dem Gesichtspunkt der Schonung der natürlichen Ressourcen kann das nicht zufriedenstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der gattungsgemäßen Art derart auszulegen, daß bei minimalem Energiebedarf eine verbrauchsangepaßte Bereit­ stellung von Permeat und Konzentrat möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Da die Umkehrosmose im Niederdruckbereich arbeitet, ist die Permeatausbeute im Vergleich zum Konzentrat gering. Erfahrungsgemäß fallen im Niederdruckbereich 5 bis 20% des zugeführten Rohwassers als Permeat an. Dieses Permeat fließt in einen Permeatspeicher ab, der so ausgelegt ist, daß er auch einen diskontinuierlichen, erhöhten Permeat­ bedarf deckt. Von dem Permeatspeicher führt ein Überlauf zur Konzentratleitung, um bei gefülltem Permeatspeicher das Permeat dem abfließenden Konzentrat zuzuführen. Dies bewirkt, daß bei gefülltem Permeatspeicher die durch die Umkehrosmose angefallene Permeatausbeute dem abzuführen­ den Konzentrat wieder zugemischt wird, so daß letztend­ lich aus der Konzentratleitung Rohwasser austritt. Dieses Rohwasser ist problemlos für viele Spül- und Reinigungs­ zwecke einsetzbar. Aufgrund der geringen Permeatausbeute ist über die Zeitdauer des Auffüllens des Permeatspei­ chers das aus der Konzentratleitung austretende Brauch­ wasser in der Konzentration der Inhaltsstoffe nur unwe­ sentlich erhöht, so daß auch dieses Konzentrat zu Spül­ zwecken zufriedenstellend eingesetzt werden kann. Auf­ grund der geringen Permeatausbeute ist das Konzentrat als Spülwasser weiterhin verwendbar, dennoch ist mit der An­ lage gleichzeitig Permeat zur Verfügung gestellt. Gerade in Bereichen, wo sowohl Permeat als auch Brauchwasser be­ nötigt werden, so zum Beispiel im Bereich der Behandlung und Veredelung von Metalloberflächen, ist die erfindungs­ gemäße Vorrichtung vorteilhaft einsetzbar. Zum Abspülen von Chemikalienresten oder dergleichen ist Brauchwasser notwendig, während zum Neuansatz von chemischen Behand­ lungsbädern entsalztes Wasser (Permeat) benötigt wird. Dabei überwiegt der Bedarf an Spülwasser (Brauchwasser) mit etwa 90% des Wasserbedarfes. Die geringe Permeataus­ beute ist daher ausreichend, da ausreichend Zeit zur Ver­ fügung steht, um im Permeatspeicher die für ein nächstes Behandlungsbad benötigte Menge an Permeat zu sammeln.

Der im Konzentratraum der Trennkammer anstehende Druck entspricht im wesentlichen dem Druck eines Wasserlei­ tungssystems, über das in die Zulaufleitung Rohwasser einströmt. Der Leitungsdruck eines derartigen Wasserlei­ tungsnetzes, insbesondere Trinkwasserleitungsnetzes, liegt beim Endverbraucher in der Regel zwischen 2 bis 10 bar. Der geringe Druck gewährleistet die nur geringe Per­ meatausbeute, so daß das abfließende Konzentrat weiter verwendbar bleibt.

Insbesondere ist vorgesehen, am Permeatspeicher einen Überlauf vorzusehen, der mit dem Sauganschluß einer in der Konzentratleitung angeordneten Wasserstrahlpumpe ver­ bunden ist. Ist der Permeatspeicher noch nicht bis zum Überlauf gefüllt, wird die Wasserstrahlpumpe Luft ansau­ gen und in das Konzentrat einmischen. Das über die Kon­ zentratleitung abgezogene Brauchwasser ist somit mit Luft angereichert und eignet sich in besonderer Weise für Rei­ nigungsbäder, da die darin aufsteigende Luft den Spülef­ fekt unterstützt. Erreicht der Flüssigkeitsstand des Per­ meates im Permeatspeicher den Überlauf, wird unverzüglich Permeat über die Wasserstrahlpumpe in die Konzentratlei­ tung abgeführt, so daß in diesem Betriebsfall das aus der Konzentratleitung austretende Wasser dem der Vorrichtung zugeführten Rohwasser entspricht. Die Förderleistung der Strahlpumpe in der Konzentrationsleitung ist größer als der Volumenstrom des Permeates zum Permeatspeicher.

Die Anordnung der Wasserstrahlpumpe in der Konzentratlei­ tung hat neben der Förderwirkung des Permeates in den Konzentratstrom den Vorteil, daß sie gleichzeitig als Drossel dient und so die Anordnung weiterer Druckhalte­ einrichtungen entbehrlich macht. Der Druck im Konzen­ tratraum kann so gehalten werden, ohne daß in den Lei­ tungszweig nach der Strahlpumpe eine Drossel, Blende oder Ventil angeordnet werden müßte. Der Volumenstrom in der Konzentratleitung ist über ein in der Zulaufleitung ange­ ordnetes Zulaufventil für das Rohwasser gesteuert.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.

Die in der Figur schematisch dargestellte Vorrichtung 1 weist eine als Membranmodul ausgebildete Trennkammer 2 auf, die durch eine osmotische Membran 3 in einen Konzen­ tratraum 4 und einen Permeatraum 5 aufgeteilt ist. Der Konzentratraum ist über eine Zulaufleitung 6 mit einer Leitung 7 eines Wasserleitungsnetzes 8 verbunden. In der Zulaufleitung ist ein Zulaufventil 9 angeordnet, über das der in Pfeilrichtung 10 zulaufende Volumenstrom des Roh­ wassers gesteuert ist. Die Zulaufleitung 6 ist über einen entsprechenden Druckanschluß 12 mit dem Leitungsnetz 8 verbunden.

Zwischen dem Zulaufventil 9 und dem Konzentratraum 4 ist sowohl ein Manometer 11 zur Überwachung des Druckes als auch ein Volumenmesser 13 zur Anzeige und Kontrolle der Durchflußmenge angeordnet.

Vom Konzentratraum 4 zweigt eine Konzentratleitung 14 ab, welche in ein als Verbraucher angeschlossenes Spülbad 16 mündet. Das Spülbad 16 ist mit einem Überlauf 17 verse­ hen, über den in Pfeilrichtung 18 das verbrauchte Wasser als Abwasser abfließt.

Das über die Konzentratleitung 14 abströmende Volumen wird über das Zulaufventil 9 in der Menge geregelt. Das Zulaufventil 9 ist somit gleichzeitig das Steuerungsven­ til für die Durchflußmenge in der Konzentratleitung 14.

Der Permeatraum 5 ist über eine Verbindungsleitung 19 mit einem als Behälter 20 ausgebildeten Permeatspeicher ver­ bunden. Es kann zweckmäßig sein, den Permeatraum eintei­ lig mit dem Permeatspeicher auszubilden. Vom Fuße des Permeatspeicherbehälters 20 zweigt eine Permeatleitung 15 ab, welche - vorteilhaft über eine Permeatpumpe 21 - ei­ nem Verbraucher zugeführt ist, der im gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel als Behandlungsbad 22 für einen chemischen Prozeß ausgebildet ist. Zur Steuerung der über die Per­ meatleitung abgezogenen Durchflußmenge ist ein Permeat­ ventil 25 vorgesehen.

In der Verbindungsleitung 19 zwischen dem Permeatraum 5 und dem Permeatspeicherbehälter 20 ist ein Meßgerät 23 angeordnet, welches die Leitfähigkeit des aus dem Perme­ atraum 5 in den Permeatspeicherbehälter 20 abfließenden Permeates überwacht. Eine ansteigende Leitfähigkeit weist auf einen erhöhten Salzgehalt hin und zeigt die Notwen­ digkeit des Austausches der Membran 3 oder eine andere Störung an.

Mit dem Permeatspeicherbehälter 20 ist ferner ein Niveau­ meßgerät 24 verbunden, dessen Ausgangssignal den Fül­ lungsgrad des Behälters 20 wiedergibt. Über einen schema­ tisch dargestellten Belüftungskanal 26 ist der Behälter 20 entlüftet und belüftet.

Der Speicherbehälter 20 ist über einen Überlauf 30 bzw. 30′ mit der Konzentratleitung 14 verbunden. Im Überlauf 30′ kann - wie in der Zeichnung strichliert dargestellt - eine Überlaufpumpe 29 angeordnet sein, deren Sauganschluß 28 an geeigneter Stelle, zum Beispiel auf halber Höhe des Speicherbehälters 20, angeordnet sein kann. Die Pumpe 29 kann über eine Steuerungsleitung 27 unmittelbar mit dem Niveaumeßgerät 24 verbunden sein und jeweils bei Errei­ chen eines vorgebbaren Füllungsgrades des Speicherbehäl­ ters 20 anlaufen, um Permeat aus dem Behälter 20 unmit­ telbar in die Konzentratleitung 14 zu speisen.

Zweckmäßig zweigt der Überlauf 30 in der Höhe des maximal zulässigen Flüssigkeitsstandes 31 aus dem Speicherbehäl­ ter 20 ab. Der Überlauf 30 ist mit dem Sauganschluß 32 einer Wasserstrahlpumpe 33 verbunden, die in der Konzen­ tratleitung 14 angeordnet und von dem Konzentratvolumen­ strom angetrieben ist.

Die in der Trennkammer 2 ablaufende Umkehrosmose arbeitet im Niederdruckbereich. Im Konzentratraum 4 steht bevor­ zugt maximal der Druck an, der im Wasserleitungsnetz 8 der zuführenden Wasserleitung 7 ansteht und über das Zu­ laufventil 9 gegebenenfalls gedrosselt werden kann. Die­ ser niedrige Druck von weniger als 10 bar - zweckmäßig 2 bis 4 bar - bedingt eine nur geringe Permeatausbeute. Der überwiegende Teil des über die Zulaufleitung 6 zufließen­ den Rohwassers fließt über die Konzentratleitung 14 in das Spülbad 16, wobei aufgrund der geringen Permeataus­ beute das dem Spülbad zugeführte Brauchwasser eine nur geringfügig höhere Konzentration an Inhaltsstoffen auf­ weist als das über das Wasserleitungsnetz 8 zugeführte Rohwasser. Das zum Beispiel bei der Behandlung und Ver­ edelung von Metalloberflächen verwendete Spülbad stellt aufgrund des verwendeten Brauchwassers sicher, daß die an der Warenoberfläche anhaftenden Chemikalien soweit abge­ spült werden, um die nachfolgenden Prozesse nicht zu stö­ ren. Das Wasser im Spülbad 16 wird entsprechend dem am Zulaufventil 9 eingestellten Volumenstrom in einer vor­ gebbaren Zeitspanne vollständig erneuert, wobei das fri­ sche Brauchwasser am Boden des Spülbades 16 zugeführt und das gebrauchte Wasser über den Abfluß 17 in Pfeilrichtung 18 als Abwasser abfließt.

Während das kaum aufkonzentrierte Brauchwasser abfließt, ergibt sich an der osmotischen Membran 3 eine Permeataus­ beute von etwa 5 bis 20%; das Permeat fließt über die Verbindungsleitung 19 drucklos in den Permeatspeicherbe­ hälter 20 ab und füllt diesen auf. Muß ein neues Behand­ lungsbad zur Behandlung und Veredelung von Metalloberflä­ chen angesetzt werden, so wird das Permeatventil 25 ge­ öffnet und mittels der Permeatpumpe 21 das Behandlungsbad 22 mit entsalztem Wasser gefüllt. Der Permeatspeicherbe­ hälter 20 ist im Volumen derart gewählt, daß jeweils im Zeitpunkt der Notwendigkeit des Ansatzes eines neuen Be­ handlungsbades ausreichend Permeat zur Verfügung steht.

Steigt der Flüssigkeitsspiegel im Permeatspeicherbehälter 20 auf die maximale Füllstandshöhe 31, läuft es über den Überlauf 30 ab. Damit das drucklose Permeat in die druck­ führende Konzentratleitung 14 gefördert werden kann, ist in besonderer Ausgestaltung der Erfindung in der Konzen­ tratleitung 14 eine Wasserstrahlpumpe 33 angeordnet, de­ ren Sauganschluß 32 mit dem Überlauf 30 verbunden ist. Sobald der Flüssigkeitsstand im Permeatspeicher somit den Überlauf 30 erreicht, fördert die Wasserstrahlpumpe 30 das überschüssige Permeat in den Brauchwasserstrom zum Spülbad 16. Damit ergibt sich bei gefülltem Permeatspei­ cherbehälter 20 am Austritt der Konzentratleitung 14 eine Brauchwasserqualität, die weitgehend identisch dem in Pfeilrichtung 10 aus dem Wasserleitungsnetz 8 zugeführten Rohwasser entspricht. Das Spülbad 16 ist zur Säuberung von Metalloberflächen von chemischen Rückständen geeig­ net, ohne daß Störungen der nachfolgenden Prozesse auf­ treten.

Anstelle der Wasserstrahlpumpe 33 kann auch eine elek­ trisch betriebene Überlaufpumpe 29 vorgesehen sein, deren Sauganschluß 28 entweder auf dem maximal zulässigen Flüs­ sigkeitsstand 31 angeordnet ist, vorteilhaft aber darun­ ter - zum Beispiel auf halber Höhe des Permeatspeicherbe­ hälters 20 - angeordnet ist. Die Überlaufpumpe 29 ist über eine Steuerleitung 27 vom Niveaumeßgerät 24 gesteu­ ert und wird immer dann in Betrieb genommen, wenn der ma­ ximale Flüssigkeitsstand 31 erreicht ist. Die Überlauf­ pumpe 29 gewährleistet eine Rückführung des drucklosen Permeates in die druckführende Konzentratleitung 14.

Die Anordnung einer Wasserstrahlpumpe 33 hat den Vorteil, daß ohne zusätzliche Blenden, Drosseln oder dergleichen der Druck im Konzentratraum 4 gehalten wird; der Druckab­ fall zwischen dem Konzentratraum 4 und dem Ausgang der Konzentratleitung 14 ist in der Wasserstrahlpumpe 33 ver­ wirklicht und dient der Förderung eventuell anstehenden Permeates am Überlauf 30. Liegt der Flüssigkeitsstand 31 unterhalb des Überlaufes 30, fördert die Wasserstrahl pumpe ausschließlich Luft, welche über den Belüftungska­ nal 26 in den Permeatspeicherbehälter 20 nachströmt. Diese Luft kann erst im Spülbad 16 entweichen und unter­ stützt dabei die Spülung der Metalloberfläche.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Gesamtan­ ordnung ausschließlich nach der benötigten Menge des Kon­ zentrates beziehungsweise des Brauchwassers gesteuert werden, so daß nur soviel Brauchwasser aus dem Leitungs­ netz 8 entnommen wird, als zum Spülen notwendig ist. Die bei dem Füllen des Spülbades 16 anfallende Permeatausbeu­ te ist so gering, daß das Brauchwasser weiterhin eine zum Spülen ausreichende Wasserqualität aufweist. Ist der Per­ meatspeicherbehälter 20 gefüllt, fließt das weiterhin er­ zeugte Permeat in die Konzentratleitung 14 zurück und er­ höht die Wasserqualität des Brauchwassers; das bei ge­ fülltem Permeatspeicherbehälter 20 abfließende Brauchwas­ ser entspricht der Qualität des zufließenden Rohwassers.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Vorrichtung bestehend aus der Niederdrucktrennkammer 2, dem Permeatspeicherbe­ hälter 20, der Wasserstrahlpumpe 33 und der Permeatpumpe 21 als Baueinheit ausgebildet, welche fertig montiert an den Einsatzort verbracht wird, um zur Aufnahme des Be­ triebes lediglich über den Druckanschluß 12 mit dem Was­ serleitungsnetz 8 sowie über Anschlüsse 36 und 37 mit ei­ ner Leitung 38 zum Spülbad 16 und einer Leitung 39 zum Behandlungsbad 22 verbunden zu werden. In der Leitung 39 ist auch das Permeatventil 25 angeordnet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Trennung einer wäßrigen Lösung, insbesondere Rohwasser, in eine entsalzte Fraktion (Permeat) und eine aufkonzentrierte Fraktion (Konzentrat), bestehend aus einer Trennkammer (2), die von einer osmotischen Membran (3) in einen un­ ter Druck stehenden Konzentratraum (4) und einen im wesentlichen drucklosen Permeatraum (5) aufgeteilt ist, mit einer in den Konzentratraum (4) mündenden Zulaufleitung (6) für die wäßrige Lösung und einer von dem Konzentratraum (4) abzweigenden Konzentrat­ leitung (14), sowie einer von dem Permeatraum (5) abzweigenden Permeatleitung (15), dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druck im Konzentratraum (4) im Niederdruck­ bereich liegt und der Permeatraum (5) mit einem Permeatspeicher (20) verbunden ist, von dem die Permeatleitung (15) abzweigt und der Permeatspei­ cher (20) einen Überlauf (30, 30′) aufweist, der in die Konzentratleitung (14) mündet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zulaufleitung (6) eine Leitung (7) eines Wasserleitungsnetzes (8) ist und im Konzentratraum (4) maximal der Wasserdruck des Leitungsnetzes (8) ansteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der drucklose Überlauf (30′) über einen Druck­ erzeuger, insbesondere eine Pumpe (29) in die Kon­ zentratleitung (14) mündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Konzentratleitung (14) eine Wasser­ strahlpumpe (33) angeordnet ist, deren Sauganschluß (32) mit dem Überlauf (30) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom in der Konzentratleitung (14) über ein in der Zulaufleitung (6) angeordnetes Zu­ laufventil (9) gesteuert ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Permeatspeicher als vom Permeatraum (5) ge­ trennter Behälter (20) ausgebildet ist, der mit dem Permeatraum über eine drucklose Verbindungsleitung (19) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Permeatleitung (15) eine Permeatpumpe (21) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Trennkammer (2), der Permeatspeicher (20), die Wasserstahlpumpe (33) und die Permeatpumpe (15) in einer Baueinheit zusammengefaßt sind.