DE19702062C1

DE19702062C1 - Verfahren zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen mittels Stofftrennmembranen

Info

Publication number: DE19702062C1
Application number: DE19702062A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Heine; Juergen Mohn
Original assignee: DT MEMBRANFILTER VERTRIEB
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 1998-08-20
Anticipated expiration: 2017-01-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen mittels Stofftrennmembranen, insbesondere von in Mülldeponien anfallendem Sickerwas ser, bei dem das Stoffgemisch auf eine erste Membran trenneinrichtung gegeben wird, in der es in ein Permeat und ein Retentat getrennt wird, wobei das Permeat auf eine zweite Membrantrenneinrichtung gegeben wird, in der es in ein zweites Permeat und ein zweites Retentat getrennt wird, wobei das zweite Permeat als Brauchflüs sigkeit abgegeben wird und das zweite Retentat der ersten Membrantrenneinrichtung eingangsseitig zugeführt wird und das Retentat der ersten Membrantrenneinrichtung auf eine dritte Membrantrenneinrichtung gegeben wird, wobei das Permeat der dritten Membrantrenneinrichtung ebenfalls auf den Eingang der zweiten Membraneinrichtung gegeben wird.

Es ist allgemein bekannt, daß aus Mülldeponien, insbe sondere aus solchen Mülldeponien, die in früherer Zeit unplanmäßig und unkoordiniert angelegt worden sind und in denen die vielfältigsten Arten von Müll abgelagert sind, Sickerwasser austritt, wobei das Sickerwasser in hohem Maße mit den verschiedensten Stoffen kontaminiert ist, so daß das Sickerwasser nicht ohne weiteres an die Umgebung abgegeben werden kann. Ein besonderes Problem bei derart belasteten Sickerwässern ist ihr hoher Salzgehalt, der es erfordert, daß das aus der Mülldepo nie austretende Sickerwasser gesammelt wird und aufbe reitet wird, d. h. getrennt wird in einen die Umwelt nicht belastenden Bestandteil und einen Bestandteil, der sicher deponiert werden kann, ohne daß dieser mit Wasser in Berührung kommt und dann erneut als Bestandteil des Sickerwassers aus der Mülldeponie austritt.

Das eingangs genannte Verfahren benutzt für die Trennung von flüssigen Stoffgemischen Membrantrenneinrichtungen, die beispielsweise nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeiten. Das aus einer derartigen Membraneinrichtungs anordnung austretende Permeat in Form von Brauchwasser kann schon jetzt, da es einen hohen Reinheitsgrad besitzt, der Umwelt wiederum zugeführt werden. Das aus der Membrantrenneinrichtung gewonnene Retentat (Konzen trat) weist allerdings noch einen sehr hohen Flüssig keits- bzw. Wasserbestandteil auf und ist deswegen nicht deponierbar. Um jedoch ein Retentat bzw. ein Konzentrat zur Verfügung zu haben, das einen solchen Konzentra tionsgrad hat, daß es quasi nur noch einen geringen Anteil an Wasser enthält, so daß es quasi als Feststoff deponierbar ist, wurden bisher thermische Verfahren eingesetzt, d. h. das aus der Membraneinrichtungsanord nung herausgeführte Retentat wurde in unterschiedlichen Konzentrateindampfungsverfahren derart behandelt, daß der Schadstoff im Sickerwasser in hochkonzentrierter Form, d. h. mit geringem Wasseranteil versetzt, gewonnen werden konnte.

Die verschiedenen dafür verwendeten Konzentrateindam pfungsverfahren haben sehr große Nachteile. Der eine Nachteil besteht im wesentlichen darin, daß sie einen extrem hohen Energiebedarf haben und wegen der oben genannten agressiven Inhaltsstoffe des Sickerwassers auch sehr hohe Anlagengestehungskosten erfordern. Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten thermischen Konzentrateindampfungsverfahren ist zudem der, daß bei den verhältnismäßig hohen Temperaturen zum Betrieb derartiger Anlagen die Anlagen sehr schnell verschlei ßen, so daß diese, da sie dann vielfach nicht mehr reparabel sind, komplett ersetzt werden müssen.

Mehrstufige Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen mittels Stofftrennmembranen sind an sich beispielsweise aus der WO 93/22 037, der DE-OS 195 17 473, der US-PS 3 836 457 und der US-PS 5 182 023 für die verschiedensten Anwendungszwecke bekannt. Mit dem Gegenstand der WO 93/22 037 sollen spezielle feste Milchkomponenten aus der Milch abgetrennt werden, um daraus Käse herzustel len. Mit dem aus der DE-OS 195 17 473 bekannten Gegen stand soll mittels eines mehrstufigen Trennverfahrens eine Schmutz- und/oder Abwasseraufbereitung in Trink wasserqualität erreicht werden, wobei das Wasser sowohl mit organischen Schmutzbelastungen unterschiedlichen Ursprungs als auch Belastungen organischen Ursprungs verunreinigt sein kann. Insbesondere wird darin die Aufbereitung von Wasch- und Spülwässern aus der Reini gung und Rezyklisierung von Mehrwegverpackungen, insbe sondere Mehrweg-Flaschen und/oder Behältern der Nah rungsmittel- und Getränkeindustrie, beschrieben.

In der US-PS 3 836 457 ist ein membranbetriebenes System für die Konzentrierung von Lösungen mittels eines bei niedrigem Druck betriebenen Rückgewinnungsschritts bzw. Rückgewinnungsschritten beschrieben. Dieses bekannte mehrstufige Verfahren ist im wesentlichen darauf ge richtet, daß es mit diesem ermöglicht wird, aus einem Lösungsmittelgemisch mit einer bestimmungsgemäß geringen Beimengung an Verunreinigungen in der Lösung und ge ringem osmotischen Druck ein Produkt zu erzeugen und zu einem Produkt mit hohem osmotischen Druck aufzukonzen trieren, ohne Drücke zu benötigen, die deutlich oberhalb eines irreversiblen Verdichtungsdruckes für Cellulose ester oder Celluloseäthermembranen liegen, die nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeiten.

Die US-PS 5 182 023 beschreibt ein Verfahren zur Ab trennung bzw. Gewinnung von Arsen aus Wasser bzw. arsenkontaminierten Abwässern.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das ohne die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Verfahren und Anlagen einen sehr geringen Energiebedarf aufweist sowie einen geringen Verschleiß der Verfahrens komponenten zeigt, wobei ein derartiges Verfahren einfach und kostengünstig durchführbar sein soll und wobei das Verfahren bei niedrigen Betriebstemperaturen vonstatten gehen können soll und dabei extrem salzhal tiges Sickerwasser trennbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Retentat der dritten Membraneinrichtung auf eine vierte Membrantrenneinrichtung gegeben wird, wobei deren Retentat auf eine nach dem Prinzip der Nanofiltration arbeitende fünfte Membrantrenneinrichtung gegeben wird, deren Retentat in eingebundener Form deponierbar ist, daß die vierte Membrantrenneinrichtung nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeitet, wobei diese bis in den Bereich von 200 bar Druck betrieben wird, und daß die nach dem Prinzip der Nanofiltration arbeitende fünfte Membrantrenneinrichtung bis in den Bereich von 40 bar Druck betrieben wird.

Der erfindungsgemäß erreichte ernorme Vorteil gegenüber den im Stand der Technik bekannten thermischen Konzen trateindampfungsverfahren liegt im wesentlichen darin, daß es nunmehr erfindungsgemäß möglich ist, auch hochkonzentrierte Konzentrate mit sehr hohem Salzanteil zu trennen, was bisher mittels der üblichen Membran trennverfahren nicht möglich war. Erfindungsgemäß können, da die nach dem Prinzip der Nanofiltration arbeitende fünfte Membrantrenneinrichtung quasi als Filter wirkt, wenigstens zweiwertige Salzionen vom zu trennenden Konzentrat getrennt werden, wobei die erfin dungsgemäß gewählte Anordnung bzw. das erfindungsgemäß gewählte Verfahren bis an die Grenze der Filtration sogar einwertiger Salzionen stößt. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren bei normalen Betriebstempera turen betrieben werden, d. h. der Energieaufwand für den Betrieb der Pumpen sowie der Aufwand zur Bereitstellung derartiger Anlagen sowie der Aufwand zum verfahrensmäßi gen Betrieb der Anlage steht in keinem Verhältnis zum bisher notwendigen Energiebedarf bei thermischen Ver dampfungsverfahren. Auch ist erfindungsgemäß vorteil hafterweise der Verschleiß von Anlagenteilen zur Durch führung eines derartigen Verfahrens gering, da die Teile als solche, die für das erfindungsgemäße Verfahren benötigt werden, sehr viel geringere Gestehungskosten zeigen als die bisherigen Anlagen, die zur Ausführung thermischer Verdampfung von Konzentrat notwendig waren.

Die vierte Membrantrenneinrichtung arbeitet erfindungs gemäß nach dem Prinzip der Umkehrosmose, wobei diese bis in den Bereich von 200 bar Druck betrieben wird. Es ist also schon möglich, mittels dieser Membrantrenneinrich tung einen verhältnismäßig hohen Anteil an abzutrennen den Stoffen abzutrennen und in hochkonzentrierter Form der nach dem Prinzip der Nanofiltration arbeitenden fünften Membrantrenneinrichtung eingangsseitig zuzufüh ren.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens wird die nach dem Prinzip der Nanofiltration arbeitende fünfte Membrantrenneinrichtung bis in den Bereich von 40 bar Druck betrieben. Dieser verhältnismäßig geringe Betriebsdruck gegenüber dem Betriebsdruck von 200 bar bei der nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeitenden vierten Membrantrenneinrichtung hat seinen wesentlichen Grund darin, daß hier das Prinzip, daß bei umso höherer Salzkonzentration der osmotische Druck in der Flüssig keit höher wird, was normalerweise bei einer ange strebten Trennung mittels eines Membrantrennverfahrens zu einem höheren Betriebsdruck und zu einer Auskri stallisation der Salze und zu einem Verblocken der Membrantrenneinrichtung führen müßte, mit seinen zwin genden Folgen hier vorteilhafterweise nicht zum Tragen kommt, da auch mittels der Methode der Nanofiltration bei niedrigen Betriebsdrücken und hoher Salzkonzentra tion eine Abtrennung zweiwertiger Salzionen bis in den Bereich zur Abtrennung einwertiger Salzionen möglich ist.

Somit ist erfindungsgemäß das Ziel erreicht, aus der Anlage, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchge führt wird, ein Konzentrat zu liefern, das in einge bundener Form deponierbar ist.

Vorteilhafterweise wird das Permeat der fünften Membran trenneinrichtung auf eine sechste Membrantrenneinrich tung gegeben, die bis in den Bereich von 300 bar Druck betrieben wird, wobei deren Retentat, d. h. das Retentat der fünften Membrantrenneinrichtung und das Retentat der sechsten Membrantrenneinrichtung dann derart aufkonzen triert sind, daß sie in eingebundener Form deponierbar sind.

Bei einer noch anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Permeat der sechsten und der vierten Membrantrenneinrichtung nicht direkt als Brauchwasser abgeführt, vielmehr wird das Permeat der sechsten Membrantrenneinrichtung und das Permeat der vierten Membrantrenneinrichtung zusammengeführt und auf eine siebte Membrantrenneinrichtung gegeben, wobei deren Retentat auf den Eingang der vierten Membrantrennein richtung gegeben wird und deren Permeat als Brauchflüs sigkeit dann abgegeben wird.

Die siebte Membrantrenneinrichtung arbeitet schließlich vorteilhafterweise ebenfalls nach dem Prinzip der Umkehrosmose, wobei allerdings die Membraneinrichtung hier lediglich bis in einen Bereich von 60 bar Druck betrieben wird. Es findet somit in der siebten Membran trenneinrichtung gewissermaßen eine Trennung des dieser eingangsseitig zugeführten Permeats aus zwei Membran trenneinrichtungen statt, und zwar um den Restbestand teil von Schadstoffen im aus dieser als Permeat austre tendem Brauchwasser zurückzuhalten.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzige schematische Zeichnung beschrieben. Diese zeigt:

Im Blockschaltbild den schematischen Aufbau einer Anordnung zur Ausführung des erfindungs gemäßen Verfahren.

Die Anordnung 10 ist durch die schematisch gestrichelte Linie in zwei Bereiche unterteilt. Der obere Bereich stellt gewissermaßen eine Membrantrenneinrichtungsanord nung dar, wie sie im Stand der Technik bekannt ist bzw. grundsätzlich auch schon an anderer Stelle betrieben wird. Die unterhalb der gestrichelten Linie dargestellte Membrantrenneinrichtungsanordnung stellt den erfinderi schen Teil einer Membrantrenneinrichtungsanordnung dar, mit der das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenwirken mit dem obigen, im Stand der Technik bekannten Teil betrieben wird.

Zur Vergrößerung der Übersichtlichkeit sind Pumpenein richtungen, Zwischenbehältereinrichtungen und Ventilein richtungen und dergleichen weggelassen worden.

Die Anordnung 10 besteht im oberen Teil aus drei Mem brantrenneinrichtungen 12, 13, 14, die folgendermaßen zusammengeschaltet sind. Das von einer Mülldeponie kommende Stoffgemisch 11 (Sickerwasser) wird auf den Eingang 122 der ersten Membrantrenneinrichtung gegeben. Der Ausgang 123, an dem das Permeat austritt, ist mit dem Eingang 132 der zeiten Membrantrenneinrichtung 13 verbunden. Der Ausgang 134, an dem das Retentat 131 austritt, ist mit dem Eingang 122 der ersten Membran trenneinrichtung verbunden. Der Ausgang 133, an dem das Permeat 130 in Form von Brauchwasser austritt, ist mit einem Permeatauffangbehälter 19 verbunden. Der Ausgang 124, an dem das Retentat 121 der ersten Membrantrennein richtung austritt, ist mit dem Eingang 142 der dritten Membraneinrichtung verbunden. Der Ausgang 143, an dem das Permeat 140 austritt, ist mit der Verbin dungsleitung für das Permeat 120 der ersten Membran trenneinrichtung 12 verbunden.

Der Ausgang 144 der dritten Membrantrenneinrichtung 14, aus der das Retentat 141 austritt, ist mit dem Eingang 152 der vierten Membrantrenneinrichtung 15 verbunden. Der Ausgang 154, aus dem Retentat der vierten Membran trenneinrichtung 15 austritt, ist mit dem Eingang 162 der fünften Membrantrenneinrichtung 16 verbunden. Der Ausgang 163, aus dem das Permeat 160 der fünften Mem brantrenneinrichtung 16 austritt, ist mit dem Eingang 172 der sechsten Membrantrenneinrichtung 17 verbunden. Die Ausgänge 164, 174 der fünften und sechsten Membran trenneinrichtung 16, 17 bilden den Ausgang der Anordnung 10, aus dem die Retentate 161, 171 in derart hochkonzen trierter Form austreten, daß sie geeignet eingebunden deponierbar sind.

Der Ausgang 173, aus dem das Permeat 170 der sechsten Trennmembraneinrichtung 17 austritt, ist mit der Verbin dungsleitung zwischen dem Ausgang 153, aus dem das Permeat 150 der vierten Membrantrenneinrichtung 15 austritt und die zum Eingang 182 der siebten Membran trenneinrichtung 18 geführt wird, verbunden. Der Ausgang 184, aus dem das Retentat 181 der siebten Membran trenneinrichtung austritt, ist mit dem Eingang 152 der vierten Membrantrenneinrichtung 15 verbunden. Der Ausgang 183, aus dem das Permeat 180 der siebten Mem brantrenneinrichtung austritt, liefert genau wie der Ausgang 133 der zweiten Membrantrenneinrichtung 13 Brauchwasser, das in den Behälter 19 geleitet wird.

Die erste Membrantrenneinrichtung 12 wird im Druckbe reich von 60 bis 70 bar betrieben, die zweite Membrantrenneinrichtung 13 im Bereich bis zu 60 bar. Die dritte Membrantrenneinrichtung 14 wird bis zu einem Druck von 120 bar betrieben. Alle drei Membrantrennein richtungen 12, 13, 14 arbeiten vorzugsweise nach dem Prinzip der Umkehrosmose.

Die vierte Membrantrenneinrichtung 15 wird im Bereich bis zu 200 bar Betriebsdruck betrieben, die sechste Membrantrenneinrichtung 17 bis in den Bereich von 300 bar und die siebte Membrantrenneinrichtung 18 bis in den Bereich von 60 bar. Lediglich die nach der Methode der Nanofiltration arbeitende fünfte Membrantrenneinrichtung 16 wird bei vergleichsweise niedrigen Drücken bis zu 40 bar betrieben. Die Membrantrenneinrichtungen 15, 17 und 18 arbeiten vorzugsweise nach dem Prinzip der Umkehros mose.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Restkonzen trationen im auslaßseitigen Retentat 164, 171 von Schadstoffen aus dem zu trennenden flüssigen Stoffge misch 11 von weniger als 3% des ursprünglichen 100%-igen Sickerwasservolumens erreicht, d. h. in 3% des ursprünglich 100%-igen Volumens sind alle zu trennenden Inhaltsstoffe enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit bei niedrigem Energieeinsatz und niedri gem apparativen Aufwand ein Höchstmaß an Schadstofftren nung aus dem Sickerwasser, was bisher mit Membrantrenn verfahren nicht erreichbar war und von der Fachwelt auch als nicht zu erreichen möglich angesehen worden war.

Bezugszeichenliste

10

Anordnung

11

Stoffgemisch (Sickerwasser)

12

erste Membrantrenneinrichtung

120

Permeat

121

Retentat

122

Eingang

123

Ausgang

124

Ausgang

13

zweite Membrantrenneinrichtung

130

Permeat/Brauchflüssigkeit

131

Retentat

132

Eingang

133

Ausgang

134

Ausgang

14

dritte Membrantrenneinrichtung

140

Permeat

141

Retentat

142

Eingang

143

Ausgang

144

Ausgang

15

vierte Membrantrenneinrichtung

150

Permeat

151

Retentat

152

Eingang

153

Ausgang

154

Ausgang

16

fünfte Membrantrenneinrichtung

160

Permeat

161

Retentat

162

Eingang

163

Ausgang

164

Ausgang

17

sechste Membrantrenneinrichtung

170

Permeat

171

Retentat

172

Eingang

173

Ausgang

174

Ausgang

18

siebte Membrantrenneinrichtung

180

Permeat/Brauchflüssigkeit

181

Retentat

182

Eingang

183

Ausgang

184

Ausgang

19

Behälter

20

Ausgang

Claims

1. Verfahren zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen mittels Stofftrennmembranen, insbesondere von in Mülldeponien anfallendem Sickerwasser, bei dem das Stoffgemisch auf eine erste Membrantrenneinrichtung gegeben wird, in der es in ein Permeat und ein Retentat getrennt wird, wobei das Permeat auf eine zweite Mem brantrenneinrichtung gegeben wird, in der es in ein zweites Permeat und ein zweites Retentat getrennt wird, wobei das zweite Permeat als Brauchflüssigkeit abgegeben wird und das zweite Retentat der ersten Membrantrenn einrichtung eingangsseitig zugeführt wird und das Retentat der ersten Membrantrenneinrichtung auf eine dritte Membrantrenneinrichtung gegeben wird, wobei das Permeat der dritten Membrantrenneinrichtung ebenfalls auf den Eingang der zweiten Membraneinrichtung gegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Retentat der dritten Membrantrenneinrichtung auf eine vierte Mem brantrenneinrichtung gegeben wird, wobei deren Retentat auf eine nach dem Prinzip der Nanofiltration arbeitende fünfte Membrantrenneinrichtung gegeben wird, deren Retentat in eingebundener Form deponierbar ist, daß die vierte Membrantrenneinrichtung nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeitet, wobei diese bis in den Bereich von 200 bar Druck betrieben wird, und daß die nach dem Prinzip der Nanofiltration arbeitende fünfte Membran trenneinrichtung bis in den Bereich von 40 bar Druck betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat der fünften Membrantrenneinrichtung auf eine sechste Membrantrenneinrichtung gegeben wird, wobei deren Retentat in eingebundener Form deponierbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat der sechsten Membrantrenneinrichtung und das Permeat der vierten Membrantrenneinrichtung zusam mengeführt werden.

4. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat der vierten und der sechsten Membrantrenneinrichtung auf eine siebte Membrantrenneinrichtung gegeben wird, wobei deren Retentat auf den Eingang der vierten Membrantrennein richtung gegeben wird und deren Permeat als Brauchflüs sigkeit abgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die siebte Membrantrenneinrichtung nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeitet, wobei diese bis in den Bereich von 60 bar Druck betrieben wird.