DE2644357B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von verunreinigtem Wasser - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von verunreinigtem Wasser, bei dem in einem Elektro-Koagulator unter gleichzeitiger Dissoziation von Wasser als elektrisch geladene Schwebeteilchen vorhandene Verunreinigungen mit Hilfe eines elektrischen Feldes entladen, zur Koagulation gebracht und anschließend in einer Flotationsstufe aus dem Wasser abgeschieden werden, und bei dem ferner ein Teil des flotierten Schlammes in den Koagulator rückgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Für die Reinigung von Abwässern zunächst eine Elektro-Koagulation und anschließend eine Flotation anzuwenden, ist bekannt (siehe z. B. P. T r e i 11 e »Utilisation de Pelectricite en epuration d' eau« in der Zeitschrift »R.G.E.« (Revue Generale d'Electricite), 84, Heft 4, April 1975, Seiten 315—320). Bei derartigen Verfahren wird das Rohwasser in einem Elektro-Koagulator der Wirkung eines elektrischen Feldes unterworfen, wobei einesteils eine Entladung und Koagulation von Verunreinigungen stattfindet, die als elektrisch geladene Schwebeteilchen im Rohwasser enthalten sind, und anderenteils eine Dissoziation von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt. Die koagulierten Teilchen werden anschließend von der flüssigen Phase in einem Flotationsbehälter getrennt, wobei die bei der Wasser-Dissoziation entstehenden Gasblasen sich zum Teil an die koagulierten Schwebeteilchen anlagern und deren Auftrieb — und damit die Abscheidung in einem Flotationsbecken — verbessern. Weiterhin wird dabei ein Teil des entstehenden Sauerstoffes zur Oxydation von Verunreinigungen verbraucht, und es findet schließlich zusätzlich eine direkte Oxydation an den Anoden des Koagulators statt, so daß die für chemische Prozesse in einer späteren Stufe zuzuführende Sauerstoffmenge verringert werden kann. Gegenüber den bekannten Flockungsverfahren zur Abscheidung von Schwebeteilchen hat das geschilderte Verfahren den Vorteil, daß keinerlei Chemikalien dem Abwasser zugesetzt werden müssen, die ebenfalls später wieder ausgeschieden werden müssen. Eine Lehre, wie vorzugehen ist, um eine gute Reinigungsleistung des geschilderten Verfahrens bei den häufig stark schwankenden, unterschiedlichen Verschmutzungsgraden des Rohabwassers zu wahren, ist dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine gute Reinigungsleistung auch bei häufig schwankenden Verschmutzungsgraden des Rohabwassers erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Stromdichte an den Elektroden des Koagulators durch je einen Trübungsmesser in der Rohwasserzufuhr- und in der Klarwasseraustrittsleitung gesteuert wird, wobei mit steigendem Schwebstoffgehalt des Rohabwassers durch den Trübungsmesser in der Rohwasserzufuhrleitung eine Erhöhung der Stromstärke an den Elektroden ausgelöst wird, auch wenn der Trübungsmesser in der Klarwasseraustrittsleitung eine solche Erhöhung noch nicht fordert.

Die Trübung des Klarwassers dient dabei als Regelgröße, durch die die Stromdichte des Koagulators verändert wird, wobei bei einer zu starken Trübung diese Stromdichte vergrößert wird und umgekehrt; denn der Flotationseffekt ist unter anderem abhängig von der Anzahl der erzeugten Gasblasen, und diese wiederum ist eine Funktion der Stromdichte, wobei die Anzahl der Teilchen ebenfalls mit der Stromdichte ansteigt und umgekehrt.

Die Meßwerte der zweiten Trübungsmessung am Rohrwassereintritt dienen dabei als Führungsgroße für die geschilderte Regelung, um in gewissem Umfang bei Änderungen der dem Koagulator zufließenden Menge an Schwebeteilchen für die Regelung die Trägheit der

Anlage zumindest teilweise zu kompensieren und so eine rasche Anpassung der Reinigungsleistung des Verfahrens hieran zu ermöglichen.

Die Stärke des zwischen den Elektroden eines Elektro-Koagulators fließenden Stromes ist in erster Linie eine Funktion der Spannung an den Elektroden und der Leitfähigkeit der zwischen den Elektroden befindlichen Flüssigphase. Ohne die Leitfähigkeit z. B. durch Zugabe von ionogenen Stoffen künstlich zu erhöhen, läßt sich die Stromstärke daher nur durch Erhöhung der an die Elektroden angelegten Spannung vergrößern. Dieser Spannungssteigerung sind durch aus Sicherheitsgründen gegebene Vorschriften enge Grenzen gesetzt, so daß bei gegebener Leitfähigkeit eine bestimmte Stromstärke bzw. Stromdichte nicht überschritten werden kann. Reicht diese nicht aus, um den gewünschten Reinigungseffekt zu erzielen — was durch zu große Trübungen im Klarwasserabfluß zum Ausdruck kommt —, so ist nach einem zusätzlichen Gedanken der Erfindung eine Steigerung des Reinigungseffektes möglich, wenn bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes der maximal zulässigen Spannung am Koagulator in diesen Druckluft eingespeist und bei Unterschreiten eines unteren Grenzwertes diese Einspeisung wieder unterbrochen wird, wobei gleichzeitig die Menge des zum Koagulator rückgeführten Rücklaufschlammes erhöht bzw. erniedrigt wird. Durch diese Maßnahme wird das Angebot an Gasblasen für die Verbesserung des Auftriebs der zu flotierenden Schmutzstoffe erhöht, denn aus der Flüssigphase, in der bei erhöhtem Druck eine größere Gasmenge gelöst ist, wird bei der anschließenden Entspannung in das Flotierbecken hinein eine Vielzahl von Gasblasen zusätzlich ausgeschieden, so daß der Flotation auf Grund der elektrisch erzeugten Gasblasen eine Entspannungsflotation überlagert wird. Die erhöhte Rücklaufschlamm-Menge erfüllt hier wie bei der sogenannten Schlammkontakt-Flockung die Aufgabe der Verbesserung der Abscheidung der feinsten suspendierten Teilchen durch Einschluß und Anlagerung in und an die vorhandenen größeren Flockenaggregate.

Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch je einen Trübungsmesser in der Rohrwasserzufuhrleitung des Koagulators und in der Klarwasseraustrittsleitung des Flotationsbeckens, wobei die Trübungsmesser an ein Steuergerät angeschlossen sind, von dem Stellsignale zu einem Spannungsregler für die an den Elektroden des Koagulators anliegende Spannung führen. Darüber hinaus können in vorteilhafter Weise in einer solchen Anlage zur Durchführung der geschilderten Entspannungsflotation an den Koagulator ein Druckluftkompressor angeschlossen und in der Schlammrückführleitung eine regelbare Pumpe vorgesehen sein, deren Funktionen vom Steuergerät über Signalleitungen zu dieser Pumpe und zum Antrieb des Druckluftkompressors geregelt werden.

Schließlich kann in der Verbindungsleitung zwischen dem Koagulator und dem Flotationsbecken noch ein to Druckhalteventil vorgesehen sein, das — bei Betrieb des Druckluftkompressors — den Druck in dem Koagulator auf einen bestimmten Wert hält und von dem Steuergerät aus zusammen mit dem Druckluftkompressor in und außer Funktion gesetzt wird. en

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

In einen Elektro-Koagulator 1, dessen Elektrode 2 nur schematisch angedeutet sind, mündet eine Rohwasserzufuhrleitung 3, die in einem Verteiler 4 für das eingespeiste Rohwasser endet. Das Anodenmaterial ist beispielsweise mit Bleidioxid überzogenes Titanblech; die Kathoden bestehen z. B. aus Titan.

Weiterhin enthält der Behälter des Koagulators 1 einen mechanischen Rührer 5, der in ihm die Flüssigphase mechanisch verwirbelt und von einem nicht dargestellten Antrieb, vorzugsweise mit einer konstanten Drehzahl von beispielsweise 500 U/min, angetrieben wird. In den Boden des Koagulators 1 mündet eine Druckluftleitung 6, die den Koagulator 1 mit der Druckseite eines Druckluftkompressors 7 verbindet, dessen Saugleitung mit 33 und dessen schematisch angedeuteter Antrieb mit 8 bezeichnet sind.

Die Einspeisung der elektrischen Energie in den Koagulator 1 erfolgt von einer nicht gezeichneten Spannungsquelle über einen Spannungsregler 9, durch den die Spannung — und damit bei gegebener Leitfähigkeit der Flüssigphase — die Stromdichte zwischen den Elektroden 2 verändert werden kann.

Eine Leitung 10 für die koagulierten Schwebestoffe und die Gasblasen enthaltende Flüssigphase verbindet den Koagulator 1 mit einem Flotationsbecken 11, in dem die Trennung der festen Schmutzstoffe von dem zu reinigenden Wasser erfolgt; die Leitung 10, in der ein Druckhalteventil 12, z. B. ein Magnetventil, und stromaufwärts von diesem Ventil 12 ein Druckfühler 13 vorgesehen sind, endet im Becken 11 in einem aus mit öffnungen 14 versehenen Rohren 15 bestehenden Verteilsystem für die Flüssigphase.

Das Flotationsbecken 11 ist in einer der üblichen Konstruktionen ausgeführt und hat im Bereich seines oberen Endes einen Abfluß 16 für den flotierten Schlamm. Dieser Abfluß 16 verzweigt sich in einer Rückführleitung 17 und einer Wegführleitung 18. Mit Hilfe einer regelbaren Pumpe 19 wird eine Teilmenge des flotierten Schlammes über die Leitung 17, die in die Rohwasserleitung 3 mündet, als Rücklaufschlamm wieder dem Koagulator 1 zugeführt. Ein ansteuerbarer Absperrschieber 20 in der Saugleitung der Pumpe 19 trennt die Rücklaufschlamm-Dosierung vom Gesamtsystem, so daß Pumpenrevisionen und Reinigungsarbeiten gefahrlos durchgeführt werden können.

Der Überschuß-Schlamm wird über die Leitung 18, die in eine zweite Wegführleitung 21 mündet, aus der Anlage weg — und einer weiteren Verarbeitung oder Verwertung zugeführt. Die Leitung 21 dient dem Abtransport von Absetzschlamm, der sich in dem als zwei Trichter 22 ausgebildeten Boden des Beckens 11 sammelt.

Für den Abfluß des gereinigten Klarwassers aus dem Becken 11 ist eine Klarwasseraustrittsleitung 24 vorgesehen.

Erfindungsgemäß sind in den Leitungen 3 und 24 je ein Trübungsmesser 25 und 26 vorhanden. Über Signalleitungen 34 und 35 sind die Trübungsmesser 25 und 26 mit einem Steuergerät 27 verbunden, von dem aus zweite Signalleitungen 28 bis 31 zum Spannungsregler 9 für die an die Elektroden 2 angelegte Spannung, zum Antrieb 8 für den Druckluftkompressor 7, zum Absperrschieber 20 in der Leitung 17 und zum Druckhalteventil 12 in der Leitung 10 führen; über diese Leitungen 28 bis 31 und 36 werden Stellsignale für die genannten Regel- und Steuerorgane geleitet, deren

Wirkungsweise nachstehend anhand eines Anwendungsbeispiels beschrieben wird.

Das einer Kartonfabrik entstammende Rohwasser in der Leitung 3 enthält am Eintritt in den Koagulator 1 während des Normalbetriebs, d. h. ohne Zuführung von Druckluft in den Koagulator 1, etwa 150 bis 200 mg/1 Schwebestoffe als Verunreinigungen. Ein erheblicher Anteil davon sind kolloidale Teilchen mit Durchmesser kleiner 15 μπί; diese Teilchen müssen erst durch den Koagulator zu — mit technischen Verfahren und vertretbarem Aufwand — separierbaren, d. h. im vorliegenden Fall flotierbaren, größeren Teilchen vereinigt werden. Bei einer — als Grenzwert festgelegten — Maximalspannung von 12 Volt werden je nach Leitfähigkeit des Abwassers im Koagulator 1 Stromdichten von 1,1 bis 2,5 A/dm² erreicht. Weiterhin wird der Rührer 5 mit einer konstanten Geschwindigkeit von 500 U/min angetrieben. Mit diesen Daten werden in der geschilderten Anlage etwa 4 bis 51 Wasserstoff pro Stunde durch die Wasser-Dissoziation erzeugt, die als Gasbläschen die Flotationswirkung erhöhen.

Die mittlere Verweilzeit des Abwassers im Koagulator 1 beträgt etwa 30 min und ist abhängig vom Ablauf des Koagulations-Prozesses; die von der Dauer des Trennvorgangs bestimmte Verweilzeit im Flotationsbecken 11 beträgt etwa 20 min. Die optimalen Werte für beide Verweilzeiten sind empirisch ermittelt worden.

Die Schlammrückführung durch die Leitung 17 beträgt im Normalbetrieb etwa 5%; die Trockensubstanz des Schlammes erreicht im Mittel etwa 60 g/l.

Mit den genannten Verweilzeiten und den geschilderten Kenndaten lassen sich bei der Versuchsanlage ein Restgehalt von Schwebstoffen von 15 bis 20 mg/1 im Reinwasseraustritt erreichen, so daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Normalbetrieb etwa 90% der Feststoff-Verunreinigungen entfernt werden.

Die Oxydationswirkung des durch die Dissoziation des Wassers entstehenden Sauerstoffes vermindert dabei den chemischen Sauerstoffbedarf für nachfolgende Reinigungsstufen um etwa 5—15%.

Wie bereits angedeutet, erfolgt die Regelung der Stromstärke an den Elektroden 2 in Abhängigkeit von den Trübungsmeßwerten in der Klarwasseraustrittsleitung 24, wobei die Meßwerte des Trübungsmessers 25 im Rohwassereintritt im Sinne einer Störgrößenaufschaltung als Führungsgröße wirksam werden, um ein rasches Ansprechen der Regelung auf Änderungen des Schwebstoffgehaltes im Rohwassereintritt zu erzielen; mit steigendem Schwebestoffgehalt des Rohwassers (größere Trübung) wird dabei eine Erhöhung der Stromstärke an den Elektroden ausgelöst, auch wenn der Trübungsmesser 26 in der Klarwasseraustrittsleitung 24 eine solche Erhöhung noch nicht fordert.

Das Steuergerät 27 beeinflußt dabei die an den Elektroden 2 anliegende Spannung über den Regler 9, wodurch bei gegebener Leitfähigkeit die für die

ίο Koagulation und Dissoziation des Wassers maßgebenden Stromstärken verändert werden.

Wird die maximal zulässige Spannung — im vorliegenden Fall 12VoIt — erreicht, ohne daß der gewünschte Reinigungseffekt eintritt, oder wird von der Führungsgröße eine stärkere, sprunghafte Erhöhung des Schwebestoffanteils — ζ. Β. beträchtlich über 200 mg/1 hinaus — im Rohwasser angezeigt, so erfolgt ein Übergang vom Normal- auf den Hochbelastungsbetrieb. Bei diesem wird durch den Kompressor 7 der Druck im Koagulator auf etwa 3 atm erhöht und gleichzeitig die rückgeführte Schlamm-Menge von 5 auf 10% vergrößert.

Dabei wird vom Steuergerät 27 aus der Kompressorantrieb 8 in Betrieb gesetzt, das Druckhalteventil 12 und der Druckfühler 13 funktionsbereit gemacht und die Förderleistung der Pumpe 19 erhöht.

Der vom Ventil 12 im Koagulator 1 gehaltene Druck von etwa 2 bis 3 atü wird während des Hochbelastungsbetriebs aus den Rohren 15 durch die öffnungen 14 ins Becken 11 entspannt, wobei die unter Druck vermehrt in der Flüssigphase gelöste Luft als zusätzliche Gasblasen freigesetzt und in einer sogenannten Entspannungsflotation wirksam wird.
Unterschreiten die Trübungsmeßwerte des Trübungsmessers 25 und/oder des Trübungsmessers 26 während des Hochbelastungsbetriebs einen im Gerät 27 eingestellten Minimalwert, so wird — zum Übergang auf den Normalbetrieb — der Kompressor 7 ausgeschaltet, die Funktionsbereitschaft des Druckhalteventils 12 aufgehoben, wobei dieses ganz geöffnet wird, und die Menge an rückgeführtem Schlamm wieder verringert. Über den Regler 9 wird darüber hinaus die Spannung an den Elektroden 2 wieder unter ihren Maximalwert verringert, so daß die für den Normalbetrieb vorgesehene Regelung, wie beschrieben, wiederum zu wirken beginnt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufbereitung von verunreinigtem Wasser, bei dem in einem Elektro-Koagulator unter gleichzeitiger Dissoziation von Wasser als elektrisch geladene Schwebeteilchen vorhandene Verunreinigungen mit Hilfe eines elektrischen Feldes entladen, zur Koagulation gebracht und anschließend in einer Flotationsstufe aus dem Wasser abgeschieden werden, und bei dem ferner ein Teil des flotierten Schlammes in den Koagulator rückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte an den Elektroden (2) des Koagulators (1) durch je einen Trübungsmesser (25, 26) in der Rohwasserzufuhr- (3) und in der Klarwasseraustrittsleitung (24) gesteuert wird, wobei mit steigendem Schwebstoffgehalt des Rohabwassers durch den Trübungsmesser (25) in der Rohwasserzufuhrleitung (3) eine Erhöhung der Stromstärke an den Elektroden (2) ausgelöst wird, auch wenn der Trübungsmesser (26) in der Klarwasseraustrittsleitung (24) eine solche Erhöhung noch nicht fordert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten eines oberen Grenzwertes der maximal zulässigen Spannung am Koagulator (1) in diesen Druckluft eingespeist und bei Unterschreiten eines unteren Grenzwertes diese Einspeisung wieder unterbrochen wird, wobei gleichzeitig die Menge des zum Koagulator (1) rückgeführten Rücklaufschlammes erhöht bzw. erniedrigt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch je einen Trübungsmesser (25,26) in der Rohwasserzufuhrleitung (3) des Koagulators (1) und in der Klarwasseraustrittsleitung (24) des Flotationsbeckens (11), wobei die Trübungsmesser an ein Steuergerät (27) angeschlossen sind, von dem Stellsignale zu einem Spannungsregler (9) für die an den Elektroden (2) des Koagulators (1) anliegenden Spannungen führen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Koagulator (1) ein Druckluftkompressor (7) angeschlossen ist und in der Schlammrückführungsleitung (17) eine regelbare Pumpe (19) vorgesehen ist, deren Funktionen vom Steuergerät (27) über Signalleitungen (29, 36) zu dieser Pumpe (19) und zum Antrieb (8) des Druckluftkompressors (7) geregelt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (10) so zwischen dem Koagulator (1) und dem Flotationsbecken (11) ein Druckhalteventil (12) vorgesehen ist, das — bei Betrieb des Druckluftkompressors (7) — den Druck in dem Koagulator (1) auf einem bestimmten Wert hält und von dem Steuergerät (27) aus zusammen mit dem Druckluftkompressor (7) in und außer Funktion gesetzt wird.