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Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Aufbereitung von Gärresten, Gülle und anderen hochbelasteten Abwässern, bestehend aus einer mechanischen Abtrennung, der im Abwasser enthaltenen Feststoffen, einer Ultrafiltration , einer Fällungseinrichtung für suspendierte organische und anorganische Feststoffe, Phosphate und Sulfide, zweier Ultrafiltrationseinheiten, einer biologischen Abbauanlage von organischen gelösten Stoffen und Ammonium, sowie einer Abtrennungseinrichtung der noch im Abwasser enthaltenen organischen Verbindungen und gelösten Salze mittels einer dreistufigen Umkehr- Osmose.
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Bekannt sind verschiedene Lösungen zur Nutzung von Gärresten, Gülle und organisch belasteten Abwässern zur Gewinnung von Biogas, Düngemitteln und Zusätzen für die Baustoffindustrie, sowie auch Wasser verschiedener Reinheit, z. B. Brauchwasser für Stallungen o. ä.
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Aus der
DE 10 2004 030 482 A1 ist ein Verfahren zur Aufbereitung von Abwässern aus der Bearbeitung und Aufbereitung von organischen Abfällen, insbesondere von Gülle, mit einem Biogasfermenter bekannt, wo mit anschließender Ultrafiltration und Umkehrosmose ein bei der Ultrafiltration abgetrennter Schwebtrub direkt in den Biogasfermenter rückgeführt wird und sich dadurch der Anteil der Methanbakterien im Biogasfermenter erhöht und die Gasausbeute steigt.
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Die Erfindung gemäß
DE 10 2005 055 310 A1 betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten aus Biogasanlagen, Flüssiggülle, organisch belasteten Abwässern
u. a. durch Verknüpfung mehrerer Verfahrensprozessketten zu komplexen Kreislaufsystemen, wobei der flüssige Biogas- Ablauf zur Abtrennung der Feststoffe mittels Separatoren separiert wird. Der anfallende Festmist wird aus dem Kreislauf ausgeschleust und kann als Festdünger Verwendung finden. Die Flüssigphase wird in einem Anaerobfilter zur Gewinnung zusätzlichen Biogases und zum Abbau von C- Substanzen behandelt, wobei die anfallende Flüssigphase nach Klärung in einem Claryfier in nachgeschalteten Tricklingsfilter (Aerob- Festkörper) einem weiteren C- und N- Abbau unterworfen wird. Das die Tricklingsfilter verlassende Rohwasser ist weitgehend von C- und N- Substanzen befreit. Zur weiteren Aufbereitung wird dieses Rohwasser mittels Ultrafiltration und Umkehrosmose zu Reinwasser weiter verarbeitet. Dieses Reinwasser wird einer weiteren Nachreinigung und Desinfektion durch UV- Behandlung unterzogen. Damit kann das aus dem Gärrest gewonnene Wasser im Kreislauf genutzt werden.
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Die
DE 102014007348 A1 beschreibt ein Verfahren zur Wasseraufbereitung von landwirtschaftlichen Abwässern jeglicher Form die aus landwirtschaftlicher Tierhaltung und/oder Produktionen und/oder Tätigkeiten und/oder Gebrauch und/oder Biogasproduktion und/oder Reinigung und/oder Oberflächenwasser und/oder häusliche Abwässern des Landwirtschaftsbetriebs bestehen kann, wobei die einzelnen Prozesse räumlicher getrennt sein können, und in einer ersten Station das Abwasser von Feststoffpartikeln befreit wird und die Feststoffpartikel zu Flüssigdünger und/ oder Feststoffdünger und/oder Kompost umgewandelt werden. In einer zweiten Station wird das Abwasser sedimentiert. In einer dritten Station wird das Abwasser einem biologischen Reinigungsprozess unterworfen. In einer vierten Station wird das Abwasser feingereinigt und in ein einleitfähiges Wasser aufbereitet.
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In der
DE 102 05 950 A1 wird ein Verfahren zur Behandlung von Abwässern unterschiedlicher Herkunft beschrieben, wobei nach einer mechanischen Abtrennung und einer Feinstfiltration die Phosphate als Magnesium-Ammonium-Phosphat ausgefällt, hiernach unter aeroben Bedingungen die organischen Reststoffe biologisch abgebaut sowie Ammoniak entfernt und schließlich die noch im Abwasser enthaltenen organischen Verbindungen und gelösten Salze durch Umkehrosmose abgetrennt werden.
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Die
EP1 334 952 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von ammonium-, phosphat- und kaliumhaltigen Flüssigkeiten, die zusätzlich Feststoffanteile ausweisen, insbesondere von landwirtschaftlichen Abwässern, Deponieabwässern oder Abwässern aus Abfallbehandlungsanlagen. Nach einer mechanischen Abtrennung und einer Feinstfiltration werden Ammonium und Phosphat als Magnesium-Ammonium-Phosphat ausgefällt, hiernach unter aeroben Bedingungen in einer Membranbelebungsanlage die organischen Reststoffe biologisch abgebaut sowie Ammoniak entfernt und schließlich die noch im Abwasser enthaltenen organischen Verbindungen und gelösten Salze durch Umkehrosmose abgetrennt.
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Die Nachteile der Verfahren des Standes der Technik bestehen darin, dass Bakterien, die mit dem Abwasser aus den Belebungsanlagen austreten, nicht mehr entfernt werden und somit das Abwasser mit diesen Bakterien verunreinigt sind.
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Eine Aufbereitung der Gärreste inklusive der landwirtschaftlichen Abwässer zu verrieselfähigem und/oder einleitfähigem Wasser das gesetzlichen Bestimmungen entspricht ist bis heute noch nicht realisiert. Daher ist es notwendig großvolumige und kostintensive Lagerstätten für Gärreste der Biogaserzeugung vorzuhalten.
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Mit den Verfahren und Vorrichtungen aus dem Stand der Technik werden entweder die Gewinnung von Biogas, die Gewinnung von Düngemitteln verschiedener Zusammensetzung, z. B. als MAP- Dünger, N-Dünger, K- Dünger in flüssiger oder fester Form oder die Verwendung der Inhaltsstoffe für technische Zwecke, z. B. als Zusatzstoff für die Bauindustrie. Der flüssige Bestandteil der verarbeiteten Gärreste wird in verschiedenen Reinheitsgraden dem Abwasser zugeführt oder auch als Brauchwasser für Ställe oder Anlagen genutzt.
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Aufgabe der Erfindung ist eine komplexe Anlage zur Aufbereitung von Gärresten und hochbelasteten Abwässern zu entwickeln, bei dem aus den Gärresten, Gülle und hochbelasteten Abwässern zwei Feststoffströme und zwei flüssige Stoffströme entstehen, wobei die Feststoffe einer Biogasanlage zu- oder rückgeführt werden können und einer der flüssigen Ströme eine Permeat aus der Umkehrosmose in Form von entsalztem und von organischen Bestandteilen dekontaminiertes Wasser und der zweite flüssige Strom ein sämtliche Salze und die restlichen löslichen organischen Verbindungen, wie Kalium und Nitrat in hoher Konzentration enthaltenes Konzentrat darstellt, wobei dieses Konzentrat als Kalium-Nitrat- Dünger eingesetzt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anlage und ein Verfahren zur Aufbereitung von Gärresten, Gülle und hochbelasteten Abwässern, die aus einer mechanischen Abtrennung der im Abwasser enthaltenen Feststoffen, einer zwei Ultrafiltrationseinheiten, wovon eine der biologischen Abbauanlage vorgeschaltet und die zweite dieser nachgeschaltet ist, einer Fällungseinrichtung für organische und anorganische Feststoffe, Phosphate und Sulfide, einer biologischen Abbauanlage von organischen Reststoffen und Ammonium bzw. Ammoniak und einer Abtrennungseinrichtung, der noch im Abwasser enthaltenen organischen Verbindungen und gelösten Salze besteht.
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Die Gärreste, Gülle und hochbelastete Abwässer werden in einem ersten statischen Mischer (1) mit Wasser vermischt, wobei der erste statische Mischer (1) einem Gärrestelager (2) nachgeordnet und mit dem Gärrestelager (2) verbunden ist. Der statische Mischer (1) ist für die mechanische Abtrennung der Feststoffe aus dem mit Wasser verdünnten Gärresten mit einem Trommelfilter (3) und der Trommelfilter (3) ist mit einem zweiter statischer Mischer (4) zur Zumischung von Flockenstabilisator, Biopolymer-Lösung und Eisen-III-Chlorid nachgeordnet.
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Der zweite statischer Mischer (4) ist mit einem Dehydrator (5) oder einem Trommelsieb, das mit einem Sieb mit 100 bis 300 µm bespannt ist und der Dehydrator (5) mit einer ersten Ultrafiltation (6) sowie die erste Ultrafiltraton (6) mit einer zum Abbau von organischen gelösten Reststoffen sowie hauptsächlich zum Abbau von Ammoniak bzw. Ammonium zu Nitrat dienenden Nitrifikation (7), die mit Aufwuchskörper gefüllt ist und über Zuführungen für Luft (8) und Nährstoffe (9) verfügt, verbunden. Die Nitrifikation (7) steht über einen Sammelbehälter (10) mit einer zweiten, zur Zurückhaltung von suspendierten Feststoffen, wie Bakterien und Viren dienenden Ultrafiltration (11) in Verbindung, die mit einer zur Trennung der im Abwasser enthaltenen organischen Verbindungen und gelösten Salze dienenden dreistufigen Umkehrosmose (12) verbunden ist.
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Der Trommelfilter (3) ist mit einem Spaltsieb mit einer Spaltbreite von 0,5 mm bespannt.
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Die Umkehrosmose (12) besteht aus drei Stufen RO1, RO2 und RO3 (13,14,15), wobei die mit < 30 bar arbeitende erste Stufe RO1 (13) zur Ableitung des Konzentrates aus der ersten Stufe RO1 (13) mit der mit < 30 bar arbeitenden zweiten Stufe RO2 (14) und zur Ableitung des Permeats mit der mit >60 bar arbeitenden dritten Stufe RO3 (15) sowie die zweite Stufe RO2(14) zur Ableitung des Permeats mit der Stufe RO3(15) verbunden ist.
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Der zweite statische Mischer (4) ist mit einer Bioplymer- Lösestation (16) und die dritte Stufe RO3 (15) zur Rückführung des Permats mit Biopolymer- Lösestation (16) verbunden.
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Zur Rückführung des Wassers aus der zweiten Ultrafiltration (12) ist die zweite Ultrafiltration (12) mit dem Trommelfilter (3) verbunden.
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Der Trommelfilter (3) zur Entwässerung des Feststoffes aus dem Trommelfilter (3) ist mit einem Separator (17) und der Separator (17) zur Rückführung des Wassers aus dem Separator (17) mit dem zweiten statischen Mischer (4) verbunden .
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Die erste Ultrafiltration (6) ist zur Rückführung des Wassers aus der ersten Ultrafiltration (6) mit dem zweiten statischen Mischer (4) verbunden ist.
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Die Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels näher erläutert, wobei die 1 schematische Darstellung des Teils der Anlage von dem Gärrestelager (1) bis zur ersten Ultrafiltration (6) und die 2 eine schematische Darstellung des Teils der Anlage von der Nitrifikation () bis zur dritten Stufe RO3 der Umkehrosmose (16) darstellen, wobei
- 1
- statischer Mischer I
- 2
- Gärrestelager
- 3
- Trommelfilter
- 4
- Statische Mischer II
- 5
- Dehydrator oder Trommelfilter mit nachgeschalteter Schraubenpresse
- 6
- Ultrafiltration I
- 7
- Nitrifikation
- 8
- Zuführung für Luft
- 9
- Zuführung von Nährstoffen
- 10
- Sammelbehälter
- 11
- Ultrafiltration II
- 12
- Umkehrosmose
- 13
- Umkehrosmose RO1
- 14
- Umkehrosmose ROI2
- 15
- Umkehrosmose RO3
- 16
- Biopolymer- Lösestation
- 17
- Separator
bedeuten.
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Die Anlage zur Aufbereitung von Gärresten, Gülle und anderen hochbelasteten Abwässern besteht aus einem Gärrestelager (2),einem ersten statischen Mischer (1), einen mit einem Seperator (17) verbundenen Trommelfilter (3), einen zweiten statischen Mischer (4), der mit einem Dehydrator (5) verbunden ist, einer Ultrafiltration (1) mit anschließender Nitrifikation (7), einem Sammelbehälter (10), einer zweiten Ultrafiltration (11) und einer dreistufigen Umkehrosmose (12)
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Im ersten statischen Mischer (1) wird ein Gärrest so verdünnt, dass er eine Trockensubstanz von 1- 2% aufweist, mit Wasser und den rückgeführtem Wasser aus dem Trommelfilter(3) in einem Verhältnis von 1:2 verdünnt. In diesem statischen Mischer kann mit Hilfe einer Säure der pH-Wert auf ca. 7,5 eingestellt werden. zur Optimierung des Verbrauchs der Betriebsmittel können diese ebenfalls bereits zugeben werden. Der statische Mischer (1) wird in 4 parallelen Einheiten betrieben, um die Baugröße zu optimieren und bei Verstopfung eines Trommelfilters (3) den Weiterbetrieb zu ermöglichen.
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Der Trommelfilter (3) weist eine Filtertrommel, bespannt mit einem Spaltsieb mit 0,5 mm Spaltbreite, auf. Die im ersten statischen Mischer(1) hergestellte Mischung gelangt in einen Schacht vor der Trommel des Trommelfilters (3), wo nochmals Säure oder Eisen-(III)-chlorid Lösung zugegeben werden kann, so dass ein Schaum entsteht, der die Feststoffe nach oben trägt und ausgetragen werden kann.
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Die Flüssigkeit wird zum Verdünnen zurückgeführt bis ein Überschuss entsteht, der in die nächste Aufbereitungsstufe gelangt.
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Der Feststoff kann in die Biogasanlage zurückgeführt, nachdem er durch eine Separator (17) in Form einer Entwässerungsschnecke weiter entwässert wurde, werden. Dieses Wasser wird ebenfalls in den ersten statischen Mischer zurückgeführt.
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Im zweiten statischen Mischer (4) werden Calciumchlorid-Lösung oder Lösungen anderer Calciumsalze, Biopolymer-Lösung und Eisen-(III)- Chlorid-Lösung in dieser Reihenfolge zugemischt. Die Reihenfolge sorgt für eine Minimierung des Chemikalienverbrauchs .Dabei flocken die Feststoffe in der Flüssigkeit aus und trennen sich vom Wasser.
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Der Dehydrator(5) besteht aus einer Förderschnecke, die zum Ende hin dicker wird. Diese Schnecke dreht in einem Rohr, das aus feststehenden und beweglichen Segmenten besteht. Durch den Spalt zwischen den Segmenten fließt das Wasser aus. Dort wo die Schnecke dicker wird, ist nur noch wenig Wasser vorhanden und der Schlamm kann entwässert werden.
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Eine erste, aus Wickelmodulen aus Teflon bestehende, Ultrafiltrationl (6) hat die Aufgabe restliche Feststoffe, aber auch in der Nitrifikation (7) unerwünschte Bakterien zurückzuhalten.
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Um einen CSB- Abbau zu ermöglichen, wird vor der Umkehrosmose (12) ein Oxidationsmittel, wie Wasserstoffperoxid oder Peressigsäure zu gegeben, um Ablagerungen auf der Membran der Umkehrosmose (12) zu verhindern und so die Nitrifikation deutlich besser betreiben zu können.
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Die Nitrifikation (7) besteht aus X Behälter, die mit Aufwuchskörpern bestückt sind, auf denen Nitrifikanten aufgezüchtet wurden. Die Behälter werden belüftet und zur Pflege der Bakterien kann eine Nährlösung zu dosiert werden.
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Die Behälter werden befüllt, 6h belüftet und anschließend entleert.
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Dabei entsteht aus dem im Wasser befindlichen Ammonium bzw. Ammoniak Nitrat.
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Die zweite Ultrafiltrationll (11) besteht aus Wickelmodulen aus PTFE (Teflon), die Rückspülbar und mit Säure oder Lauge gereinigt werden können. Die Pumpe vor der Ultrafiltration saugt das Wasser aus der Nitrifikation (7).
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In der zweiten Ultrafiltrationll (11) werden die Bakterien zurückgehalten und das Filtrat von diesen dekontaminiert.
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Die Umkehrosmose (12) erzeugt ein Permeat und ein Konzentrat und ist dreistufig aufgebaut um möglichst energieeffizient arbeiten zu können.
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In der ersten Stufe RO1 (13) wird das Wasser zu je ca. 50% in ein entsalztes Wasser und ein Konzentrat getrennt. In der zweiten Stufe RO2 (14) wird das Permeat der ersten Stufe RO1(13) weiter gereinigt
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Das Konzentrat der zweiten Stufe RO2 (14) wird mit dem Konzentrat der ersten Stufe RO2 (14) vereinigt. Das Konzentrat der ersten Stufe RO1 (13) wird in der dritten Stufe RO3 (15) mit höherem Druck bis zu 100 bar weiter aufkonzentriert. Das Permeat der dritten Stufe RO3 (15) wird mit dem Wasser aus der zweiten Ultrafiltration II (11) vereinigt.
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Das Permeat weist eine Leitfähigkeit im Bereich weniger Mikrosiemens (10 bis 50 µS) auf. Damit ist das Wasser so gut wie entsalzt und organische Bestandteile sind sämtlich entfernt. Mit diesem Wasser kann man sicher die Wasserqualität des Vorfluters verbessern.
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Das Konzentrat beinhaltet so gut wie sämtliche Salze und restlichen löslichen organischen Verbindungen, insbesondere sind Kalium und Nitrat in hoher Konzentration vorhanden, weshalb dies ein Kaliumnitrat-Dünger darstellt.
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Die Mengenbilanz bei 100 t mit 6 % Feststoffanteil sieht wie folgt aus:
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Der Feststoff weist nach der Entwässerung eine Trockensubstanz von ca.25% auf..
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Die beiden Feststoffe aus dem Separator (17) und Dehydrator (5) werden zu je 50% Menge mit je 12 t angenommen.
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Der Flüssigkeitsanteil beträgt 76 t. Als Permeat (sauberes Wasser) entstehen 71t bis 72,5 t und die Menge an Konzentrat beträgt 3,5 bis 5 t.
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In einem weiteren Schritt kann das Konzentrat der der zweiten Stufe RO2 (15) der Umkehrosmose (12) mit Hilfe eines lonentauschers aufbereitet werden.
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Dazu wird ein Kationentauscher mit Calciumionen beladen und ein Anionentauscher mit Tartrat-Ionen (den Anionen der Weinsäure).
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Im Konzentrat der zweiten Stufe RO2(15) der Umkehrosmose (12) aus der Abwasseraufbereitung (Gülle, Gärrest andere hochbelastete Abwässer) enthalten Kationen des Kaliums, Natriums, Magnesiums, Calciums, Eisens etc. sowie Ammonium und Anionen wie Nitrat, Nitrit, Sulfat, Chlorid.
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Gibt man nun dieses Konzentrat über einen Kationentauscher der mit Calciumionen beladen ist, so tauschen die Kationen gegen Calciumionen aus, so dass fast nur noch Calciumkationen in der Lösung vorhanden sind.
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Anschließend gibt man die so gewonnene Lösung über den Anionentauscher der mit Tartrat-Anionen beladen ist. Dabei bildet sich festes Calciumtartrat, während die anderen Anionen auf dem lonentauscher zurückbleiben.
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Das Calciumtartrat wird aus dem Wasser abfiltriert und so ist das Wasser entsalzt.
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Calciumtartrat ist das einzige unlösliche Calciumsalz, dass sich besser in der Kälte als in der Wärme abscheidet, weshalb es sich für diese Aufgabe als einziges eignet.
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Zur Regenerierung wird das abfiltrierte Calciumtatrat in möglichst wenig warmen Wasser (50°C) gegeben. Das Calciumtartrat löst sich ein wenig in dem warmen Wasser und der lonentauscher nimmt Calciumionen auf bis er vollständig regeneriert ist. Dabei löst sich das Calciumtartrat vollständig auf.
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Die Temperatur in der Regenerationsaufschlämmung kann mit Hilfe einer Wärmepumpe vom entsalzten Wasser erhöht werden, wobei das entsalzte Wasser abkühlt, was den gewünschten Nebeneffekt hat, dass eventuell gelöstes Calciumtartrat weiter ausfällt.
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Die entstandene Natrium-Kalium-Tartrat- Lösung scheidet einen weiteren Feststoff ab, wenn Kalium im Überschuss vorhanden ist, da das Seignettesalz Natrium-Kalium-Tartrat in Lösung bleibt:
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Kaliumtartrat ist dieser mögliche Feststoff. Dieser wird ebenfalls abfiltriert.
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Die restliche Lösung dient dazu den Anionentauscher zu regenerieren, wobei sich die Anionen des Abwassers vom lonentauscher lösen und das Tartrat wieder auf dem lonentauscher vorhanden ist.
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Verluste des Tartrats werden durch Zugabe von Weinsäure oder Natriumtartrat zum Wasser ausgeglichen.
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Das Verhältnis von entsalztem zu aufgesalztem Wasser (Dünger) ist ca. 2:1.
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Das bedeutet, dass ohne das Konzentrat einzudampfen, die Konzentration der Düngestoffe wie Nitrat und Kalium.
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Mit diesem Verfahren steht ein Verfahren zur Entsalzung von Wässern mit hoher Salzkonzentration vor; wie z.B. Meerwasser oder salzbeladenes Grundwasser.
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Alternativ zum Betrieb der lonentauscher in Reihenschaltung können Anionentauscher und Kationentauscher parallel betrieben werden wobei die Filtrate außerhalb der lonentauscher vereinigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004030482 A1 [0003]
- DE 102005055310 A1 [0004]
- DE 102014007348 A1 [0005]
- DE 10205950 A1 [0006]
- EP 1334952 A2 [0007]
