DE2913287C2

DE2913287C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Teilentcarbonisierung von Wasser

Info

Publication number: DE2913287C2
Application number: DE19792913287
Authority: DE
Inventors: Klaus 5600 Wuppertal Kratzenstein
Original assignee: DEUTSCHE SCHACHTBAU- U TIEFBOHRGESELLSCHAFT MBH 4450 LINGEN DE; DEUTSCHE SCHACHTBAU- U TIEFBOHRGESELLSCHAFT MBH 4450 LINGEN
Current assignee: KRATZENSTEIN, KLAUS, DIPL.-ING., 42389 WUPPERTAL,
Priority date: 1979-04-03
Filing date: 1979-04-03
Publication date: 1986-05-22
Also published as: ES8201108A1; FR2453114B1; FR2453114A1; ES490055A0; DE2913287A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Teilentcarbonisierung von Wasser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Aus der AT-PS 74 198 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei der das zu behandelnde Wasser in eine Pumpenkammer eingesogen und dort mit Luft vermischt wird, so daß ein Gischt entsteht, der dann in einen Behälter gefördert wird, der unterdruckbeaufschlagt ist In dem Behälter ist eine Filterwand angeordnet, die dazu dienen soll, die Gischtblasen zurückzuhalten und nur das Wasser durchzulassen. Aus diesem Grunde sind in der Filterwand spitze körnige Materialien oder dergleichen angeordnet, die die Gischtblasen zerstechen können. Zwar wird sicherlich durch die Gischterzeugung ein Teil der im Wasser

enthaltenen Kohlensäure in die Gischtblasen abgeführt, jedoch ist dieser Teil relativ gering; und zwar aufgrund der hohen Oberflächenspannungen und durch den hohen Luftdruck der Blasen, denn es wird ja Luft mit atmosphärischem Druck zugemischt. Der Anteil an Kohlensäure, der von den Gischtblasen aufgenommen werden kann, ist daher sehr gering. Nicht umsonst ist zum Zwecke der Enthärtung in dieser Patentschrift eine Erwärmung des Wassers oder des Filters vorgesehen, was sich jedoch bei Trinkwasser verbietet. Der durch den angelegten Unterdruck und die Filterwandung zerplatzende Schaum gibt die eingeschlossenen Gase frei, so daß der angelegte Unterdruck im wesentlichen nur dazu dient, die die Blasen füllenden Gase abzusaugen.

Ferner ist es bekannt, eine Teilentcarbonisierung mittels Kalkhydrat vorzunehmen. Die Dosierung entsprechender Kalkhydratmengen bewirkt u. a. einmal die Abbindung im Wasser gelösten Kohlendioxides gemäß

so CO₂ + Ca(OH)₂ — CaCO₃ + H₂O

und ferner die Ausfällung ursprünglich gelösten Kalziumhydrogenkarbonates (= Karbonhärte) nach Ca(HCO₃J₂ + Ca(OH)₂ — 2 CaCO₃ + 2 H₂O.

Je Mol Kohlendioxid entsteht unter Verbrauch eines Moles Kalziumhydroxid ( = Kalkhydrat) ein Mol unlösliches Kalziumkarbonat, während die Umsetzung des Kalziumhydrogenkarbonates pro Mol zwei Mole Kalziumkarbonat liefert.
Dieser beachtliche Chemikalienbedarf beschränkt die Anwendung des Verfahrens in der Praxis weniger durch

die damit verbundenen Betriebskosten, als vielmehr infolge hoher Investitionen, u. a. sehr große Behälter, in denen die Reaktion und Sedimentation erfolgt und die eine Aufenthaltsdauer von wenigstens 1 bis 1,5 h ermöglichen, und technischer Probleme bei der Bevorratung, Aufschlämmung und Dosierung des Kalkhydrates. Auch die Unterbringung der bei dieser Technologie in erheblichem Maße anfallenden Schlammwassermengen stößt zunehmend auf Schwierigkeiten.

Hinzu kommt, daß das mit Kalkhydrat in geeigneten, großen Reaktionsbehältern behandelte Wasser allenfalls vorgeklärt ist und noch einer Filtration unter begrenzten Fließgeschwindigkeiten bedarf. Nachteilig wirkt sich auch die erhöhte Alkalität des auf diese Weise teilentkarbonisierten Wassers aus. Zur Einstellung des sogenannten »Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes« ist daher stets nach Abschluß der Reaktion die Dosierung einer

geringen Menge an Säure oder der Zusatz nicht entkarbonisierten, kohlendioxidhaltigen Wassers erforderlich, was die Betriebsbedingungen weiter erschwert

Die mit der Teiientkarbonisierung u. a. als Begleitreaktion verbundene Ermäßigung des Magnesiumgehaltes kann sich möglicherweise physiologisch nachteilig auswirken."

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine effektive Teiientkarbonisierung von Wasser mit erheblich verringerten Investitionskosten in großem Maßstab ohne wesentliche Erniedrigung des Magnesiumgehaltes ermöglicht

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst

Man kann eine Schüttung in Form eines FilterbeUes aus einem trigonale Kristalle aufweisenden, insbesondere kalziumkarbonathaltigen Material nutzen. Hierfür eignet sich vorzugsweise sehr reiner Kalk, wie Jurakalk, obwohl auch anderes kalziumkarbonathaltiges Material, Dolomit oder dergl, verwendet werden kann. Ein Material mit trigonalen Kristallen, insbesondere karbonathaltiges Material, für das Filterbett aus den granulierten festen Stoffen bildet gleichzeitig zur Ausfällung des Kalziumkarbonats notwendige Kristallisationskeime, während bei Verwendung von anderen granulierten festen Stoffen, etwa Kies oder auch Kunststoffgranulat, beim Ingangsetzen einer Vorrichtung zur Teilentkarbonisienrag zunächst Kristallisationskeime in Form von Kalziumkarbonat zugesetzt werden müssen. In letzterem Fall dienen dann die ausgefällten und im Filterbett ziirückgehaltenen Kalziumkarbonatteilchen als Kristallisationskeime, so daß das Verfahren auch dann nach dem ersten Impfen mit Kalziumkarbonat selbstsjängig wird.

Zweckmäßigerweise werden granulierte feste Stoffe mit einer Korngrößenverteilung im Bereich von 0,8 bis 2 mm verwendet, damit genügend Mengen an ausgefälltem Kalziumkarbonat als Kristallisationskeime zurückbehalten werden, andererseits jedoch der Durchfluß des Wassers durch das Filterbett durch die zurückgehaltenen Kalziumkarbonatteilchen und die granulierten festen Stoffe nicht zu sehr beeinträchtigt wird, so daß ein zu häufiges Rückspülen des Filterbettes vermieden wird. Ein Unterdruck im Bereich von 100 bis 30, vorzugsweise 50 bis 30 mm Hg wird zweckmäßigerweise verwendet, wobei die untere Grenze durch das Sieden des Wassers und die obere Grenze durch die gewünschte Teiientkarbonisierung des Wassers in praktischer Hinsicht bestimmt werden. Insbesondere arbeitet man bei einem Unterdruck von etwa 40 mm Hg.

Das Verfahren beruht auf der ständigen Verarmung des anfangs noch an Karbonathärte und gelösten Gasen und somit auch an freiem Kohlendioxid reicheren Wassers, das man zweckmäßigerweise auf das Filterbett in fein verteilter Form etwa durch Aufsprühen aufbringt und durch dieses rieseln läßt. Da aber zum Inlösungshalten von Kalziumhydrogenkarbonat (= Karbonathärte) eine genau definierte Kohlendioxidkonzentration erforderlieh ist, werden die Bedingungen, bei denen Kalzium- und Hydrogenkarbonat-Ionen miteinander im Gleichgewicht stehen, durch den Unterdruck kontinuierlich gestört. Es kommt somit zur Ausfällung von Kalziumkarbonat und ferner zum Austrag des größten Teils des freien Kohlendioxids gemäß folgender Formel:

Ca(HCO₃)2 —■ CaCO₃ + H₂O + CO₂.

Je Mol Kalziumhydrogenkarbonat entsteht somit nur ein Mol Kalziumkarbonat.

Dabei hängt die Kinetik dieser Umsetzung im wesentlichen von der Höhe des Unterdruckes, der Kontaktzeit, der Art der Konzentration der Wasserinhaltsstoffe und der Gegenwart von Kalziumkarbonat ab.

Die Forderung nach einer möglichst großen Menge des letzteren läßt sich in der Praxis leicht realisieren, indem man z. B. als Filtermaterial ein möglichst reines CaCO3-Granulat mit gutem Rückspülverhalten — etwa Jurakalk, ein billiger Rohstoff im Gegensatz zum Kalkhydrat, da kein Brennen und Hydratisieren notwendig ist, — verwendet. Das im Prozeßverlauf ausgeschiedene CaCO₃ wird in feinpulvriger, trigonal-kristalliner Form zurückgehalten und durch periodische, gegenläufige Luft- und Wasserspülung in bekannter Weise nur soweit entfernt, daß etwa nach 10—20% im Filterbett als Kontaktmaterial verbleiben. Rechnerisch liegen die Beruhrungszeiten von Wasser und Filtermaterial — je nach dem gewünschten Wirkungsgrad — etwa zwischen 6 und 20 Minuten bei Schichthöhen von mindestens 1,5 m.

Das stets in reichlicher Menge vorhandene, in »statu nascendi« gefällte Kalziumkarbonat stammt aus dem Wasser selbst und vermag auch schwerer flüchtige, organische Inhaltsstoffe in einem durchaus erwünschten Nebeneffekt zu absorbieren. Einige im Wasser gelöste Metall-Ionen werden infolge der Erhöhung des pH-Wertes zum Teil als unlösliche Oxidhydrate ausgeflockt und abfiltriert, während der Magnesiumgehalt nicht wesentlich erniedrigt wird.

Vorzugsweise wird die Unterdruckbeaufschlagung des Filterbetts von unten vorgenommen, so daß im Gleichstrom gearbeitet wird und keine aufsteigenden Gasblasen die Durchrieselung des Filterbetts durch das Wasser stören, während jedoch vorteilhafterweise oberhalb des Filterbetts ein Teilvakuum angelegt wird.

Die Vorrichtung kann eine Einrichtung zur Ausbildung einer Wassersäule aus behandeltem Wasser unter dem Behälter in Verbindung mit dessen Austrittsöffnung aufweisen, um hierdurch die Pumpenleistung zum Abführen des behandelten Wassers gering zu halten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Abbildung dargestellten bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.

Das zu behandelnde Wasser t wird über eine entsprechende Leitung Düsen 2 oder dergl. zugeführt, die in einem Behälter 6 angeordnet sind. Ferner ist in dem Behälter 6 mit Düsen, Sieb oder Schlitzen ausgestatteter Zwischenboden 5, der den Durchtritt von Wasser zuläßt, jedoch sin darüber angeordnetes Filterbett 4 beispielsweise aus granuliertem Jurakalk zurückhält, angeordnet. Das zu behandelnde Wasser wird durch die Düsen 2 möglichst fein und gleichmäßig über den Querschnitt des Behälters 6 auf die Oberfläche 3 des Filterbetts 4 versprüht und durchsetzt da; Filterbett 4 von oben nach unten. Das teilentkarbonisierte Wasser sammelt sich auf der Basis des Behälters 6 und fließt über eine Rohrleitung 7 ab. Unterhalb des Zwischenbodens 5 ist eine Zuleitung angeordnet, die mit einer Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks 10 verbunden ist. Ferner

kann im Deckel des Behälters 6 eine Leitung enden, die ebenfalls mit einer Vakuumpumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks 9 verbunden ist, der kleiner als der Unterdruck 10 ist und zum Stützen des Unterdrucks in dem Behälter 6 dient.

Zum Rückspülen des Filterbetts 4 wird Spülwasser 14 über die Rohrleitung 7 in den Behälter 6 und ferner Druckluft 13 über eine entsprechende Zuleitung nach Vornahme eines Druckausgleichs 11 über eine im Deckel des Behälters 6 mündende Leitung zugeführt. Nach der Belüftung erfolgt ein Fluten durch Spülwasserzufuhr und danach eine gemeinsame oder getrennte Zuführung von Druckluft 13 und Spülwasser 14, wobei das schlammhaltige Abwasser bei 12 über einen nach oben durch einen Deckel geschützten Trichter und eine sich daran anschließende Abführleitung abgeführt wird.

Die Rohrleitung 7 ist um eine genügende Länge, beispielsweise wenigstens 4 m, nach unten geführt, um das Abführen des behandelten Wassers durch eine nachgeschaltete Pumpe 8 zu erleichtern, da sich über der Wassersäule der Unterdruck 10 befindet, der anderenfalls ein Abführen des behandelten Wassers erschweren oder verhindern würde, wenn die zum Abführen des behandelten Wassers dienende Pumpe keine genügende Leistung aufweist. Durch die Ausbildung der Wassersäule in der Rohrleitung 7 benötigt man lediglich eine Pumpe mit geringer Leistung zum Abführen. Ist die Wassersäule größer als 10 m, kann ggf. sogar der Pumpvorgang ganz entfallen.

Das Verfahren wurde in einer Versuchsanlage getestet

Die Qualität des Rohwassers (Rhein-Uferfiltrat) war folgende, wobei nur die in diesem Zusammenhang interessierenden Parameter aufgeführt werden:

Aussehen (visuell):

Farbe (visuell):

Absorptions-Koeffizient bei 436 nm:

UV-Absorption bei 254 nm:

Temperatur:

Spezifische, elektrische Leitfähigkeit:

pH-Wert:

Basekapazität bis pH 8,2:

Summe Erdalkalien:

Säurekapazität bis pH 4,3:

Calcium:

Magnesium:

Geruchsschwellenwert bei 2O⁰C:

klar

farblos 0,5/m 5,3 /m 14,0⁰C 80,8 mS/m bei 2O⁰C 7,38

0,30 mol/m³ (= 13,2 mg fr. CO₂/1) 3,30 mol/m³ ( = 18,5° dH) 3,82 mol/m³ (= 10,7° dH) 2,71mol/m³(= 15,2° dH) 0,50 mol/m³ (= 3,3° dH) um 33

Die Versuchsfiltrate zeigten nach einer Behandlung durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung von Jurakalk mit einer Korngrößenverteilung von 0,8 bis 2 mm bei einer Rohwassertemperatur folgende Beschaffenheit unter den jeweils angegebenen Bedingungen:

	Probe Nr.	2	12	3	4
	1		klar
	% Vakuum	93	farblos	95	96
	90	Rechnerische Kontaktzeit, min	0,4
		8	4,0	12	18
	klar	693	klar	klar
Aussehen (visuell)	farblos	8,06	farblos	farblos
Farbe (visuell)	0,4	2.79	0,4	0,4
Absorptionskoeffizient b. 436 nm/m	4,1	15,6	4,0	3,9
UV-Absorption b. 254 nm/m	74,7	2,72	64,4	58,0
Spez.ei. Leiti, in mS/m b. 20" C	7,98	7,6	8,14	8,18
pH-Wert	2,93	2,22	2,63	2,40
Summe Erdalkalien, mol/m³	16,4	1Z4	14,7	13,4
= Gesamthärte, °dH	3,00	0,57	2,40	1,95
Säurekapazität bis pH 4,3 mol/m³	8,4	32	6,7	5,5
= Karbonathärte, °dH	Z36	ca. 7	2,06	1,83
Calcium, mol/m³	13,2	Hierzu 1 Blatt Zeichnungen	11,5	10,2
= Kalkhärte, °dH	0,57		0,57	0,57
Magnesium, mol/m³	3,2	3,2	3,2
= Magnesiahärte, °dH	ca. 10	ca. 7	ca. 5
Geruchsschwellenwert bei 20⁰C

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Teilentcarbonisisrung von Wasser, insbesondere Trinkwasser, durch Ausfällen von Calciumcarbonat in Anwesenheit von Kristallisationskeimen in Form von calciumcarbonathaltigem Material in

einer Schüttung aus granulierten festen Stoffen und Beaufschlagen mit Unterdruck, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wasser bei gleichzeitiger Unterdruckbeaufschlagung durch ein Filterbett rieseln läßt und das Filterbett derart rückspült, daß etwa 10 bis 20% des während der Entcarbomsierung ausgefällten Calciumcarbonate im Filterbett verbleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schüttung aus sehr reinem Kalk verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die granulierten festen Stoffe eine Korngrößenverteilung im Bereich von 0,8 bis 2 mm aufweisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß ein Unterdruck von 100 bis 30, vorzugsweise 50 bis 30 mm Hg verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterdruckbeaufschlagung des Filterbetts von unten vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Filterbetts ein Teilvakuum angelegt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Behälter, der mit einem Zwischenboden zum Zurückhalten des Filterbetts, mit Einrichtungen zum Versprühen des zu

behandelnden Wassers oberhalb des Filterbetts bzw. zum Abführen des behandelten Wassers im unteren Bereich sowie einer Einrichtung zum Beaufschlagen mit Unterdruck versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) oberhalb des Filterbetts (4) und unterhalb des Zwischenbodens (5) mit einer Unterdruckleitung versehen ist und eine Rückspüleinrichtung für das Filterbett (4) aufweist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß eine Einrichtung zur Ausbildung einer

Wassersäule aus behandeltem Wasser unter dem Behälter (6) in Verbindung mit dessen Austrittsöffnung vorgesehen ist