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Verfahren zur Aufbereitung von Rohwasser zu Reinwasser
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Rohwasser zu Reinwasser, bei
dem das Rohwasser für eine Enteisenung durch Filtration einer Belüftung unter Druck
und nach der Enteisenung einer offenen Belüftung unterzogen wird.
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In der Wasseraufbereitungstechnik sind vielerlei Verfahren zum Belüften
von Wasser bekannt. Generell kann man diese Verfahren in zwei Gruppen einteilen,
nämlich in die Gruppe der offenen Verfahren, die sich beim normalen ~luftdruck der
Außenluft abspielen und in die Gruppe der geschlossenen Verfahren, bei denen Luft
zum Beispiel mit Hilfe eines Kompressors in das unter Uberdruck stehende Wasser
eingepreßt wird.
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Zur Sauerstoffanreicherung von eisenhaltigem Rohwasser vor der anschließenden
Filtration über geschlossene Filter werden vorzugsweise die geschlossenen Verfahren
angewendet.
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Das zu belüftende Rohwasser ist in der Regel bereits mit Stickstoff
gesättigt. Die zur Belüftung ins Wasser eingepreßte Luft enthält überwiegend ebenfalls
Stickstoff. Aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten ergibt sich daraus zwangsläufig
eine starke Anreicherung des Wassers mit Stickstoff. Bezogen auf den normalen ~luftdruck
bedeutet das eine Stickstoffübersättigung. Demzufolge wird bei einer anschliessenden
DruckninderungSaufgrund des Druckabfalles bei der tiberwindung des in den Filtern
herrschenden Filterwiderstandes unvermeidlich auftritt, gasförmiger Stickstoff aus
dem Wasser ausgeschieden. Dieser Vorgang geht bei der großen Oberfläche des Filtermaterials
im Filterbett rasch vonstatten, so daß die Poren des Filtermaterials immer mehr
mit Stickstoff gefüllt werden. Auf diese Weise kann ein Anteil von 30 % des Filterbettes
seiner Aufgabe der Wasserfiltration entzogen werden. Die mit einem derart großen
Leistungsrückgang einer Filteranlage verbundenen Nachteile liegen auf der Hand.
Sie sind in der Zeitschrift "Gas- und Wasserfach" 94 (1953), 87 + 157 und 111 (1970),
117 und 383, sowie im Jahrbuch "Vom Wasser" 27 (1970), 66, ausführlich geschildert.
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Zur Vermeidung solcher Stickstofausscheidungen ist man in neuerer
Zeit dazu übergegangen, anstelle von Luft reinen Sauerstoff zu verwenden. Dadurch
werden zwar die zuvor beschriebenen Nachteile vermieden, jedoch entstehen hierbei
erhebliche Aufwendungen und Kosten für die liufttrennung.
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Der Erfindung lieg#t die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gewinnung
von Reinwasser aus Rohwasser anzugeben, dem die zuvor beschriebenen Nachteile der
bekannten Verfahren nicht anhaften.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren gemaß ihrer
Erfindung dadurch gelöst, daß die Belüftung unter Druck durch Zumischen von Reinwasser
erfolgt. Dieses Reinwasser enthält nach der offenen Belüftung alle Gase der ~luft
etwa bis zum Sättigungszustand, beispielsweise Sauerstoff-bei der üblichen Temperatur
eines Grundwassers mit minJ t8 mg7? und darüber. Da für die Oxidation von 1 mg zweiwertigem
Eisen nur 0,145 mg Sauerstoff benötigt werden, genügt #uf der einen Seite selbst
bei höheren Eisengehalten bereits ein verhältnismäßig geringer Reinwasserzusatz,
um auf diese Weise genügend Sauerstoff für eine befriedigende Enteisenung dem Rohwasser
zuzuführen. Auf der anderen Seite ist das Rohwasser auch nach der Zumischung des
Reinwassers mit Stickstoff nicht übersättigt, da dieser ja allenfalls bis zum Sättigungszustand
bei normalem Luftdruck darin enthalten# ist. Dadurch ist eine störende Stickstoffausscheidung
in den anschließend durchflossenen Filteranlagen ausgeschlossen. Die Filteranlagen
bleiben daher voll wirksam. Das ermöglicht es, die Filteranlagen kleiner zu bemessen
als es bei den Verfahren erforderlich war, bei denen die Belüftung unter Druck durch
Einpressen von Luft erfolgte. Die Filteranlagen erreichen bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch längere Laufseiten und weisen geringere Filterwiderstände auf. Außerdem
können Anlageteile, wie Kompressor und Luftmischer entfallen. Diese werden einfach
durch eine Pumpe mit entsprechender leistung ersetzt,
die das rückgeführte
Reinwasser von der Abzweigstelle zur Nischstelle mit dem Rohwasser fördert.
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Insbesondere bei hohen Eisengehalten bietet das Verfahren gemäß der
Erfindung ferner den Vorteil, daß vor der Filtration das Rohwasser verdünnt wird.
Die Bildung eines gerade bei hohen Eisengehalten schnell auftretenden Filterkuchens
auf der Oberfläche des Filtermaterials wird dadurch zeitlich ver-~.W nn nicht gar
verhindert zogerti.es weiteren tritt infolge der geringen Sauerstoffkonzentration
eine Verlangsamung des Enteisenungsvorganges ein, wodurch der bei Schnellfiltern
zur Verlängerung der Filterlaufzeit wünschenswerte Enteisenungsprozeß in den tiefer
liegenden Filterschichten begünstigt wird. Man erhält auf diese Weise auch ohne
Anwendung eines gestuften Filter schichtaufbaues eine der Mehrschichtfiltration
entsprechende Wirkung.
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Schließlich e#rgeben sich durch die Reinwasserrückführung noch weitere
Vorteile bei stark eisenhaltigen und sehr karbonatweichen und deswegen nur gering
gepufferten Wässern, die sonst bei der Enteisenung häufig Schwierigkeiten machen.
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Bei diesen Wässern wird nämlich durch die Zumischung des im weiteren
Aufbereitungsprozeß aufgehärteten Reinwassers eine zusätzliche Pufferwirkung durch
die Zuführung von Rydrogenkarbonationen erzielt, wodurch die Enteisenung bisher
als schwierig aufbereitbar bekannter weicher reduzierter Wässer völlig unproblematisch
wird.
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Hinsichtlich der Betriebskosten der Pumpe für die Reinwasserrückführung
einerseits und einer praktisch vollständigen Enteisenung des Rohwassers andererseits,
wird ein Optimum erzielt, wenn gemäß einer bevorzugten Anwendungsweise dieses erfindungsgemäßen
Verfahrens dem Rohwasser das Reinwasser in einer Menge zugemischt wird, daß dadurch
der Sauerstoffgehalt um ca. 0,5 mg/l über dem für die Eisenoxidation erforderlichen
stöchiometrischen Wert liegt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch zur Verbesserung des Abbaues
der organischen Substanz und/oder zur Verbesserung der Entmanganung benutzt werden,
wenn gemäß einer anderen vorteilhaften Anwendungsweise dem Rohwasser das Reinwasser
in einer Menge zugemischt wird, daß dadurch der Sauerstoffgehalt erheblich über
dem allein für die Eisenoxidation erfordermetrischen Wert liegt lichen stöchio/
uno man dadurch e Verdünnungswirkung des Reinwassers im Rohwasser ausnutzt. Auf
diese Weise lassen sich auch noch solche Wässer durch Filtration#aufbereiten, die
bisher aufgrund ihrer hohen Inhaltsstoffkonzentrationen an Eisen, Mangan oder organischer
Substanz nur mit Hilfe von Fällungsverfahren behandelt werden konnten.
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Schließlich kann#das Verfahren gemäß der Erfindung auch dadurch vorteilhaft
angewandt werden, daß das Reinwasser für die Zumischung zum Rohwasser an einer Stelle
abgezweigt wird, an der es mit bestimmten Inhaltsstoffen versehen ist, die die Aufbereitung
des Rohwassers, beispielsweise durch ihre puffernde und/oder durch ihre pH-Wert-korrigierende
Wirkung, zusätzlich unterstützen, sei es daß diese Stoffe etwa durch die Auswahl
bestimmter Biltermaterialien in den ohnehin durchflossenen Filteranlagen an dieses
abgegeben werden, sei es daß zu diesem Zweck gesonderte Anlagen vorgesehen erden,
in denen das durchfließende Wasser die erwünschten Inhaltsstoffe aufzunehmen vermag.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Skizze
eines Wasserwerkes im einzelnen erläutert.
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Eine Gruppe von Brunnen 1 mit U-Pumpen nimmt das Grundwasser aus ihrer
Umgebung auf und fördert es unter Druck als Rohwasser zum eigentlichen Wasserwerk.
Dort wird ihm an einer Mischstelle 2 eine bestimmte Menge Reinwasser zugemischt.
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Die Mischung durchläuft eine geschlossene Vorfilteranlage 3 und anschließend
eine offene Belüftungsanlage 4. Von dort gelangt das Wasser in eine offene Nachfilteranlage
5 und fließt von da in einen Reinwasserbehälter 6. Aus diesem wird
es
von Netzpumpen 7 mit Windkessel abgezogen und ins Wasserleitungsnetz gefördert.
An einer Abzweigstelle 8 wird ein Teil des Reinwassers abgezweigt und durch eine
Rückführleitung 9 mit einem Einstellventil 10 zur Mischstelle 2 zurückgeführt.
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Der weiteren Betrachtung wird als Beispiel zugrunde gelegt, daß ein
Rohwasser mit etwa folgenden Analysenwerten zu Reinwasser zu verarbeiten ist: pH-Wert
= 6,4; m-Wert = 0,83 mval/l (ICH = 2,3 dz0); freies C02 = 57 mg/l; Fe = 7 mg/l;
Mn = 0,15 mg/l.
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Es handelt sich dabei um ein Rohwasser, wie es beispielsweise in Nordwestdeuts
chland häufig anzutreffen ist. Dabei sei besonders auf den geringen m-Wert, d.h.
die geringe Karbonathärte, und die dadurch bedingte geringe Pufferung hingewiesen,
der die Verarbeitung dieses Rohwassers nach den bisherigen Verfahren so überaus
schwierig machte.
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Das Reinwasser im Reinwasserbehälter 6 ist praktisch eisenfrei und
manganfrei. Infolge des vorherigen Durchgangs durch die Vorfilteranlage 3 ist das
Reinwasser, wie noch dargelegt werden wird, gegenüber dem Rohwasser aufgehärtet.
Aufgrund der offenen Belüftung in der Belüftungsanlage 4 ist es mit allen in der
Luft enthaltenen Gasen annähernd gesättigt.
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Es enthält beispielsweise bei der üblichen Temperatur eines Grundwassers
mindestens 10 mg/l Sauerstoff.
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Für die Oxidation von 1 mg zweiwertigem Eisen werden nur 0,145 mg
Sauerstoff benötigt. Daher genügt selbst bei höheren Eisengehalten eine verhältnismäßig
geringe Reinwasserzumischung. Bei dem geschilderten Beispiel betrug die Reinwasserzumischung
nur 13 - 14 % bezogen auf die Rohwassermenge.
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Damit konnte sehr exakt ein Sauerstoffgehalt von etwa 1,5 mg/l eingehalten
werden, der bei dem vorliegenden Eisengehalt nur 0,5 mg/l über dem stöchiometrisch
erforderlichen Wert lag, Die einzelnen Filter der geschlossenen Vorfilteranlage
3 ent vorzusweise alkalisches wnd zwar halte/ / Filtermateria1,ein Gemisch aus etwa
50 ffi Marmorsand
mit einer Körnung von 1,25 - 1,8 mm und etwa
50 ffi Dolomit mit einer Körnung von 0,5 - 1,25 mm. Infolge der Verdünnung des Rohwassers
durch die Zumischung von Reinwasser kann in dieserFilteranlage die Filtergeschwindigkeit
;auf 4 - 10 m/h gesteigert werden, die sonst üblicherweise bei etwa 2,5 m/h bis
höchstens 4 m/h liegt. Durch die hohe Filtergeschwindigkeit wird die Bildung eines
bei hohen Eisengehalten sonst schnell auftretenden Filterkuchens auf der Oberfläche
des Filtermaterials stark verzögert oder sogar vermieden. Weil das zugegebene#Reinwasser
einen höheren pH-Wert und m-Wert -als das Rohwasser hat, tritt eine leichte pH-Wert-Erhöhung
des sauren Rohwassers und eine bessere Pufferung ein. Infolge der geringen Sauerstoffkonzentration
ist jedoch eine nennenswerte Eisenoxidation erst im alkalischen Filterbett bei weiterer
Erhöhung des pH-Wertes möglich. Dadurch und infolge der hohen Piltergeschwindigkeit
wird der Enteisenungsprozeß in den tieferliegenden Filterschichten begünstigt. Dadurch
werden Filterlaufzeiten bis zu 32 Tagen, im Mittel ca. 11 Tage, erzielt, die sonst
2-3 Tage und bei Zuhilfenahme eines Flockungshilfsmittels allenfalls 3 - 4 Tage
betragen. Neben der Verlängerung der Filterlaufzeiten ist aber auch eine Verringerung
des Spülwasseraufwandes festzustellen, der bei dem angegebenen Eisengehalt von 7
mg/l nur noch 1,55 ffi des gewonnenen Reinwassers beträgt im Vergleich zu einem
Spülwasserverbrauch von 3,11 % bei einer bisherigen Anlage, die zudem ein Rohwasser
mit einem Eisengehalt von nur 4 mg/l zu verarbeiten hatte.
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Beim Durchgang des Wassers durch den Marmorfiltersand wird etwa die
Hälfte des freien C02 unter Auflösung des Marmors gebunden. Neben der Enteisenung
wird das Wasser dadurch gleichzeitig etwas aufgehärtet und zwar erhöht sich der
m-Wert um etwa 1 mval/l, wodurch die Pufferwirkung des derart aufgehärteten zurückgeführten
Reinwassers sich merklich erhöht, was wiederum die Filtration in der oben beschriebenen
Weise begünstigt.
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Zur weiteren Verminderung des Gehaltes an freiem C02 wird das aus
der Vorfilteranlage 3 kommende Wasser in der Belüftungsanlage 4 offen, d.h. bei
Atmosphärendruck belüftet. Die Belüftungsanlage 4 ist als Fallverdüsungsanlage ausgebildet.
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Damit ist eine sehr intensive Belüftung des Wassers möglich, wobei
einerseits der Gehalt an freiem C02 weiter sehr stark vermindert wird und andererseits
das Wasser u.a. mit Sauerstoff gesättigt wird.
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Je nach Bedarf wird, wie im vorliegenden Beispiel, der Belüftungsanlage
4 eine offene Nachfilteranlage 5 zur biologischen Entmanganung nachgeschaltet. Durch
die praktisch vollständige Enteisenung des in die Nachfilteranlage gelangenden Wassers
wird deren ~leistungsfähigkeit merklich erhöht gegenüber jenen Anlagen, in denen
die Nachfilteranlage noch mit einer Restenteisenung belastet ist.
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Je nach den Gegebenheiten des Rohwassers kann anstelle der Nachfilteranlage
5 zur Entmanganung oder auch daneben eine oder mehrere andere Anlagen vorgesehen
werden, die anderen Zwecken dienen, sei es einer pH-Wert-K6rrektur, sei es einer
Erhöhung der Pufferwirkung des Reinwassers oder dergleichen.
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Von der Nachfilteranlage 5 gelangt das nunmehr fertig aufbereitete
Reinwasser in den.Reinwasserbehälter 6, von wo es durch die Netzpumpen 7 abgezogen
und in das Rohrleitungsnetz gepumpt wird.
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Durch das Einstellventil 10 in der Rückführleitung 9 für das dem Rohwasser
zuzumischende Reinwasser kann dessen Menge bezogen auf die zu verarbeitende Rohwassermenge
eingestellt werden. Zweckmäßigerweise wird das Einstellventil 10 über eine Regeleinrichtung
in Abhängigkeit von dem hinter der Mischstelle 2 gemessenen Sauerstoffgehalt automatisch
eingestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Verbesser#ung des Abbaues
der organischen Substanz und/oder zur Verbesserung der Entmanganung benutzt werden,
in dem man durch höhere als alleine für die Enteisenung erforderliche Reinwasserzumischung
den Verdünnungseffekt des Reinwassers im Rohwasser ausnutzt.
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Es lassen sich dann auch noch solche Wässer durch Filtration aufbereiten,
die bisher aufgrund ihrer hohen Inhaltsstoffkonzentrationen an Eisen, Mangan oder
organischer Substanz nur mit Hilfe von Fällungsverfahren behandelt werden konnten.
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Weitere Einzelheiten einerseits hinsichtlich des Standes der Technik
und andererseits hinsichtlich des Verfahrens gemäß der Brfindung können dem als
Anlage zur Beschreibung beigefügten Entwurf für einen Beitrag des AnmelderS im Jahrbuch
"Vom Wasser" entnommen werden.