DE3631218C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung
saurer, schwermetall- und/oder aluminiumhaltiger Rohwässer,
insbesondere zur Trinkwassergewinnung und eine
Filteranlage zur Durchführung dieses Verfahrens.
In Einzugsgebieten von Wasservorkommen, in denen bevorzugt
Urgestein vorliegt, kommen Rohwässer vor, die sehr
niedrige pH-Werte (<6,0) aufweisen und zusätzlich
noch unerwünschte Schwermetallionen wie z. B. Eisen und
Mangan enthalten können. Bedingt durch den immer stärkeren
Einfluß des sauren Regens weisen viele dieser
Wässer darüber hinaus Aluminiumionen auf, deren Menge
zum Teil jahreszeitlichen Schwankungen unterliegt. Ihre
zulässige Konzentration im aufbereiteten Trinkwasser
ist nun ebenso wie die für Eisen- und Manganionen
begrenzt. In der Novelle zur Trinkwasserverordnung vom
22. 5. 1986 wurden im Gegensatz zu der bisherigen Regelung
u. a. die Maximalkonzentrationen von Aluminium,
Mangan und Eisen als Parameter neu aufgenommen und mit
entsprechenden Grenzwerten für die zulässigen Höchstkonzentrationen
versehen. Die Aluminiumkonzentration
war bislang in Trinkwässern gesetzlich nicht begrenzt,
so daß auch eine Entfernung bei der
Trinkwasseraufbereitung bisher nicht erfolgte.
Lediglich Mangan und Eisen wurden bei höheren Gehalten
dieser Stoffe in Wässern, die meist als Quellwässer in
beschränkter Menge vorkommen, in geeigneten, relativ
kleinen Anlagen entfernt, da sonst diese Metalle Verbindungen
bilden, die zu unerwünschten braunen bis
schwarzbraunen Einfärbungen des Trinkwassers führen.
Zur Entfernung dieser Schwermetallionen durch Ausfällung,
die nur bei pH-Werten über 6,0, bevorzugt über
6,5 gelingt, benötigt man eine Entsäuerung, d. h. eine
pH-Anhebung.
Die Entsäuerung von Rohwässern ist ebenso wie ihre
Enteisenung und Entmanganung seit langem Gegenstand
intensiver Verfahrensentwicklung.
So werden im Taschenbuch der Wasserversorgung 1956,
S. 254 f. (Mutschmann, Stimmelmayr) entsprechende chemisch-
mechanische und biologische Verfahren angeführt,
wobei betont wird, daß zuerst die Entsäuerung und
Enteisenung des Rohwassers erfolgen muß und danach die
Entmanganung durchgeführt werden kann. Dieses Grundschema
des Aufbereitungsablaufs ist auch den Verfahren
aus neuerer Zeit eigen. Die Schwermetallentfernung aus
reduzierten ungepufferten Grundwässern läßt sich etwa
nach Eberhardt dadurch effizient gestalten, daß man der
Entsäuerung und Enteisenung über mit einer Mischung aus
Quarzsand und Entsäuerungsmaterial gefüllte, hintereinander
geschaltete Filter mit nachfolgender Fallverdüsung
des eisenfreien, teilentsäuerten Wassers die biologische
Entmanganung folgen läßt ("Vom Wasser", Bd. 41,
1973, S. 225 bis 242). Zur Anhebung des Sauerstoffgehalts
im Rohwasser vor der ersten Filtration
wird dabei ein geringer Teilstrom sauerstoffreichen
Reinwassers aus der Entmanganungsstufe dem Rohwasserzulauf
der Entsäuerungs- und Enteisungsfilter zugeführt.
Neben der mikrobiologischen Entmanganung werden
mit der chemischen Braunsteinbildung auch adsorptiv-
kontaktkatalytische Verfahren beschrieben, bei denen
ebenfalls im basischen Bereich gearbeitet werden muß
(Eberhardt, DVGW Schriftenreihe "Wasser", Nr. 206,
Eschborn 1983, 17-11 f.).
Keines der im Stand der Technik vorhandenen Verfahren
ist indes in der Lage, auch die Entfernung von
Aluminium
aus dem aufzubereitenden Wasser zu bewirken.
Nachdem aus dem angegebenen Grund (Ausfällung von
basischen Schwermetallniederschlägen aus wäßriger
Lösung bei Erhöhung des pH-Werts) bei der Rohwasseraufbereitung
die Entsäuerung der Schwermetallentfernung
vorangehen muß, können konventionelle Filterverfahren
für die Entsäuerung nicht eingesetzt werden, wenn
gleichzeitig Aluminium aus dem Rohwasser entfernt
werden muß. Einerseits werden die Oberflächen der
Entsäuerungsmaterialien durch die entstehenden Oxidhydratniederschläge
der Metallionen bedeckt, wodurch die
Entsäuerungsleistung der Filter mit zunehmender Betriebsdauer
nachläßt. Andererseits erweist es sich als
unmöglich, durch größere Schichttiefe im Entsäuerungsfilter
den Leistungsverlust durch Belegung mit basischen
Schwermetallniederschlägen auszugleichen. Es
ergibt sich leicht eine zu weit gehende pH-Wert-Erhöhung,
so daß bei weichen, d. h. schwach gepufferten
Wässern pH-Werte bis über 8 erreicht werden können. Die
Ausfällung von Aluminium in Form seines Oxidhydrats
gelingt jedoch nur in einem sehr engen pH-Bereich. Bei
derartig hohen pH-Werten geht das Aluminiumhydroxid in
das lösliche Aluminat über. Dadurch ist eine Abscheidung
von Aluminium im Filter nicht mehr möglich.
In der Regel ist es jedoch nicht zu vermeiden, auf den
Einsatz eines Entsäuerungsfilters zu verzichten, denn
die im Stand der Technik bekannten Dosierungsverfahren
zur Entsäuerung von Rohwasser sind mit schwerwiegenden
Nachteilen behaftet. Zwar ist es möglich den pH-Wert
entweder durch Zugabe von Natronlauge oder durch Zugabe
von Calciumhydroxid (Kalkhydrat) teilweise anzuheben,
wobei ersteres wegen der einfacheren Handhabung bevorzugt
wird (s. a. H. Bedforth, bbr. S. 197 f., 1984). Dabei
muß aber in Kauf genommen werden, daß der Natriumgehalt
des Wassers bei der Entsäuerung ansteigt, was aus
hygienischen Gründen unerwünscht ist. Neben der Festlegung
von Maximalkonzentrationen für Eisen, Mangan und
Aluminium enthält die Trinkwasserverordnung auch ein
Minimierungsgebot für den Natriumgehalt von Trinkwasser.
Außerdem ist eine ständige pH-Wert-Kontrolle zur
Steuerung der Dosierung erforderlich, die personellen
oder steuerungstechnischen Aufwand erfordert.
Bei der Zugabe von Calciumhydroxid (Kalkhydrat, gelöschter
Kalk, Kalkmilch) entfällt das hygienische
Problem, während das Problem der Prozeßregelung ebenso
vorhanden ist wie bei der Dosierung von Natronlauge.
Hinzu kommen eine Reihe weiterer praktischer technischer
Schwierigkeiten.
Für die Calciumhydroxiddosierung muß ein Lagerbestand
von gelöschtem Kalk in Form von Silos sowie Behälter
zur Kalkmilch- bzw. Kalkwasserbereitung und entsprechende
Dosiereinrichtungen zur Verfügung stehen. Beim
diskontinuierlichen Betrieb, der bei Kleinanlagen die
Regel ist, neigt der Kalk dazu, während der bewegungslosen
Lagerung im Silo seine Rieselfähigkeit zu verlieren,
so daß Dosierungsgeräte nicht mehr ansprechen.
Außerdem müssen die Ansetzbehälter regelmäßig von
Kalkablagerungen gereinigt werden.
Über diese Handhabungsschwierigkeiten hinaus erweist es
sich für die Trinkwassergewinnung als nachteilig, daß
in handelsüblichem gelöschten Kalk in einer Menge bis
zu 15% sehr feinteiliges, unlösliches Material vorhanden
ist. Diese hochdispersen Bestandteile können durch
einfache Filtration nicht aus dem Wasser entfernt
werden und verursachen damit ein Trübstoffproblem, das
weitere Verfahrensschritte zu seiner Beseitigung erfordert.
Außerdem erfolgt sowohl bei der Zugabe von Natriumhydroxid,
als auch bei der Zugabe von Calciumhydroxid
keine so weitgehende Aufhärtung (d. h. Bildung von
Hydrogencarbonat), wie dies bei der Filtrationsentsäuerung
durch CaCO₃ (zum Beispiel in Form von Marmor
oder halbgebranntem Dolomit) als Filtermaterial zu
erreichen ist. Unter anderem aus Gründen der sensorischen Trinkwasserqualität
ist diese Aufhärtung bei der Mehrzahl
der Wässer wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, ein
Verfahren zur Verfügung zu stellen, das auf möglichst
einfache und materialsparende Weise die zuverlässige
Entsäuerung und Aufhärtung bei gleichzeitiger Verringerung
sowohl des Eisen- und Mangan-, als auch des
Aluminiumgehalts saurer Rohwässer unter die jeweils
vorgeschriebenen Grenzwerte gestattet. Aufgabe der
Erfindung ist es ebenfalls, eine leicht zu installierende,
weitgehend wartungs- und überwachungsfreie,
kostengünstige Anlage für die Durchführung dieses
Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden bei einem gattungsgemäßen Verfahren
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
und bei einer gattungsgemäßen Anlage durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß Eisen, Mangan
und Aluminium aus sauren Rohwässern in Kombination mit
der Entsäuerung entfernt werden kann, wenn das Filter
zur Metallionenentfernung dem Entsäuerungsfilter vorgeschaltet
ist, sofern ein bestimmter Anteil der Ablaufwassermenge
aus dem nachgeschalteten Entsäuerungsfilter
im Kreislauf in das vorgeschaltete, zur Entfernung
der Metallionen dienende Filter zurückgeführt
wird. Dies hat eine pH-Anhebung des Rohwassers zur
Folge und verbessert die Wirkung des ersten Filters
erheblich. Aus dem ersten Filter läuft das zu reinigende
Wasser in weitgehend schwermetall- und aluminiumfreier
Form ab. Die Entsäuerung im nachgeschalteten
Entsäuerungsfilter kann daher praktisch ohne nachteilige
Belegung der Filteroberfläche erfolgen, so daß
eine effiziente Entsäuerung erreicht werden kann.
Sowohl das oder die Filter zur Metallionenentfernung
als auch das oder die Entsäuerungsfilter können in
bekannter Weise als Ein- oder Mehrfachschichtfilter
ausgelegt werden.
Die rückgeführte Menge an Kreislaufwasser kann je nach
der speziellen Zusammensetzung des Rohwassers in relativ
weiten Grenzen verändert werden, ohne daß die
Wirksamkeit des Verfahrens beeinträchtigt wird. Dabei
müssen durch die eingesetzte Pumpe lediglich die Druckverluste
der Schüttung und die Rohrreibungsverluste,
die beide vergleichsweise gering sind, überwunden
werden.
Beim Einsatz von halbgebranntem Dolomit kann die Entsäuerungsstufe
kleiner dimensioniert werden als dies beim
Einsatz von Kalkstein möglich ist. Auch die Kreislaufwassermenge
kann weniger groß gewählt werden. Dem steht
allerdings der Nachteil gegenüber, daß in diesem Fall
die rückgeführte Kreislaufwassermenge über den pH-Wert
des Wassers im Überstauraum des ersten Filters geregelt
werden sollte. Eine pH-Korrektur des
Reinwassers durch
Säuredosierung ist auch hier nicht erforderlich.
Das Verfahren nach der Erfindung kann auch unter Netzdruck
durchgeführt werden.
Eine Anlage, mit der das Verfahren nach der Erfindung
durchgeführt werden kann, besteht im wesentlichen aus
einer 1. Filteranlage zur Entfernung der Metallionen,
die beispielsweise mit Aktivkohle, Koks, Quarzsand,
Kies oder ähnlichem gefüllt sein kann, einem 2. Filter,
das mit festem Entsäuerungsmaterial, wie etwa Marmor,
Kalkstein, halbgebrannter Dolomit oder ähnlichem gepackt
ist, einer Rohrleitung, die dem Flüssigkeitstransport
vom Ablauf des 1. Filters zum Zulauf des 2.
Filters dient und einer vom Ablauf des 2. Filters
abzweigende, zum Rohwasserzulauf des ersten Filters
führende Leitung, die die Reinwasserteilstromrückführung
vermittelt und den entsprechenden, im Stand der
Technik bekannten Ventilsätzen.
Abb. 1 zeigt das Schema einer solchen Anlage.
Dem Filter zur Metallionenentfernung (13) ist das Entsäuerungsfilter
(14) nachgeschaltet. Dem Rohwasserzulauf
(5), dem an der Dosierstelle (11) KMnO₄ zugegeben
werden kann, wird durch die Leitung (7) der
Teilstrom des Reinwassers aus dem zweiten Filter zugeführt.
Die Anlage ist in an sich bekannter Weise mit
Ventilen (2), Pumpen (4) und Wasseruhren (3) versehen.
Durch die Rohwasserzuleitung (5) tritt durch ein Druckreduzierventil
(1) das aufzubereitende Wasser in die
Filteranlage ein. Leitung (8) dient dem Abfluß des
Reinwassers. Die Rückspulung der Filter erfolgt durch
die Leitung (15). Der Ablauf des ersten Filters (13)
gelangt durch die Leitung (6) auf das Entsäuerungsfilter
(14). Durch den Einlaß (12) ist eine Rückspülung
mit Luft möglich. Die Filterrückspülwässer werden über
die Leitungen (9) und (10) abgeführt.
Mehrere der zuvor beschriebenen Anlagen (Filterkombinationen)
können zu einem Mehrstraßensystem verbunden
werden.
Als Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vor
allem das Fehlen jeglicher Chemikalienzugabe für die
pH-Werteinstellung zu sehen. Eine ständige Messung des
pH-Werts und entsprechende Steuerung der Zugabe, die
vor allem bei kleinen Wasserwerken wegen der Gefahr der
Überalkalisierung als risikoreich eingestuft werden
muß, entfällt. Für einen einwandfreien Betrieb der
beschriebenen Reinwassergewinnungsanlage genügen entsprechende
Pumpen, was die Wartung der Anlagen außerordentlich
erleichtert und verbilligt.
Ein weiterer positiver Aspekt ist, daß alles im Wasser
vorhandene natürliche CO₂ zur Aufhärtung und Erhöhung
der Pufferkapazität verwendet wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren kommt damit den in der Natur ablaufenden
Vorgängen sehr nahe.
Gerade bei kleineren Anlagen kommt es entscheidend auf
die Bedienungsfreundlichkeit und den geringen Wartungsaufwand
an. Wie beschrieben erfüllt die erfindungsgemäße
Anlage diese Bedingungen. Im folgenden Beispiel
wird das Verfahren nach der Erfindung und die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Anlage genauer beschrieben:
In einer Anlage nach dem Schema der Abb. 1 wurden
zwei Plexiglasfilter mit einem Durchmesser von je
300 mm hintereinander geschaltet. Das erste Filter
wurde mit handelsüblicher Aktivkohle als Filtermaterial
gefüllt. Der Korndurchmesser der Aktivkohle betrug 0,5
bis 2,5 mm, die Schütthöhe 1500 mm. Das zweite Filter
wurde mit aktiviertem Kalkstein, Körnung 0,5 bis 2,5 mm
gefüllt, die Schütthöhe lag bei 1600 mm. Der Betriebsdruck
der Anlage betrug 0,8 bar. In jedem der beiden
Filter war eine 25 cm hohe Kiesstützschicht eingebracht.
Zur Verbesserung der Manganentfernung wurde dem
Rohwasser in an sich bekannter Weise ca. 0,2 mg/l
Mangan in Form von Kaliumpermanganat zudosiert. Gleichzeitig
förderte eine Pumpe aus dem Ablauf des zweiten
Filters 50% des entsäuerten Wassers in den Zulauf des
ersten Filters zurück.
Die stündlich aufbereitete Wassermenge betrug
0,18 m³/h. Daraus ergab sich bei einer rückgeführten
Wassermenge von 50% und einer Filterfläche von ca.
0,07 m² eine Filtergeschwindigkeit von ca. 5 m/h im
Versuchsbetrieb. Die Aufenthaltszeit des Wassers im
zweiten Filter (Entsäuerung), bezogen auf das Leervolumen,
betrug 19 min. Diese Zeit war für das vollständige
Abbinden der im Rohwasser vorhandenen freien Kohlensäure
(0,25 mol/m³) ausreichend.
Die Rückspülung der Filter erfolgte beim Filter 1
(Kohlefilter) mit Rohwasser und beim Filter 2 (Entsäuerungsfilter)
mit Luft und Rohwasser in an sich
bekannter Weise.
Das eingesetzte Rohwasser hatte einen Aluminiumgehalt
von ca. 0,45 mg/l und eine Mangankonzentration von
0,12 mg/l. Die Verringerung der Metallionenkonzentration
in der Anlage geht aus Tabelle 1 hervor.
Der Wirkungsgrad der Anlage für Mangan betrug 90%
(die Mangankonzentration in Reinwasser lag unterhalb
der Nachweisgrenze) und für Aluminium bei ca. 96%. Wie
ein Vergleich der im aufbereiteten Wasser ermittelten
Werte mit den entsprechenden Grenzwerten gemäß Trinkwasserverordnung
vom 22. 5. 1986 zeigt,
werden diese
Grenzwerte unter den angegebenen Betriebsbedingungen
deutlich unterschritten.
- Bezugszeichenliste
1 Druckreduzierventil
2 Durchflußregler bzw. Ventil
3 Wasseruhr
4 Pumpe
5 Rohwasser
6 Leitung für teilentsäuerte, metallionenfreies Wasser (Abb. 1, 1. Filter)
7 Leitung für Kreislaufwasser (=Reinwasser)
8 Reinwasser
9 Leitung für Filterrückspülwasser 1. Filter
10 Leitung für Filterrückspülwasser 2. Filter
11 Dosierstelle "Kaliumpermanganat"
12 Einlaß
13 Filter zur Metallionenentfernung
14 Entsäuerungsfilter
15 Leitung
Claims (10)
1. Verfahren zur Aufbereitung von sauren, schwermetall-
und/oder aluminiumhaltigen Rohwässern in hintereinander
geschalteten Filtern mit Reinwasserteilstromrückführung,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohwasser zuerst durch ein oder mehrere mit im
wesentlichen neutralem Material gefüllte(s) erste(s)
Filter geleitet und danach über ein oder mehrere mit
festem Entsäuerungsmaterial gefüllte(s) zweite(s)
Filter geleitet wird, wobei zwischen 20 und 80%,
vorzugsweise etwa 50% des aus dem oder den zweiten
Filter(n) abströmenden Reinwassers in den Zulauf des
oder der ersten Filter(s) eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Rohwasser zuerst über ein oder mehrere mit
Kohle, Aktivkohle, Koks, Quarzsand oder Kies gefülltes
erstes Filter und der daraus resultierende Ablauf durch
ein oder mehrere mit Kalkstein, aktiviertem Kalkstein,
Marmor oder halbgebranntem Dolomit gefülltes Entsäuerungsfilter
geleitet wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als erstes und zweites Filter Ein- oder Mehrschichtfilter
verwendet werden.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Rohwasser zusätzlich ein Oxidationsmittel
zugesetzt wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß es unter Druck durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten beziehungsweise die zweiten Filter
jeweils in Parallelschaltung betrieben werden.
7. Anlage zur Rohwasseraufbereitung in hintereinandergeschalteten
Filtern mit Reinwasserteilstromrückführung,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein oder mehrere mit im wesentlichen neutralem
Material gefüllte(s) Filter (13) einem oder mehreren
mit festem Entsäuerungsmaterial gefüllten Filter(n)
(14) vorgeschaltet sind und gegebenenfalls mehrere
derartige Filterkombinationen zu einem Mehrstufensystem
verbunden sind.
8. Anlage nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das oder die erste(n) Filter (13) mit Kohle, Aktivkohle,
Koks, Quarzsand oder Kies und das oder die
zweite(n) Filter (14) mit Kalkstein, aktiviertem Kalkstein,
Marmor oder halbgebranntem Dolomit gefüllt
sind.
9. Anlage nach Ansprüchen 7 und 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten Filter (13, 14) Ein- oder
Mehrschichtfilter sind.
10. Anlage nach Ansprüchen 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß Rohrleitungen zwischen dem oder den mit festem
Entsäuerungsmaterial gefüllten Filtern (14) und den
oder den mit im wesentlichem neutralen Material gefülltem
oder gefüllten Filter(n) (13) vorhanden sind, die
es ermöglichen, während der Phase der Erstfiltratableitung
in einer Filterkombination der Mehrfachstraße von
der jeweils parallel geschalteten Straße eine Reinwasserteilstrommenge
in das oder die erste(n) Filter (13)
einzuspeisen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863631218 DE3631218A1 (de) | 1986-09-13 | 1986-09-13 | Verfahren zur aufbereitung von sauren, schwermetall- und/oder aluminiumhaltigen rohwaessern |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19863631218 DE3631218A1 (de) | 1986-09-13 | 1986-09-13 | Verfahren zur aufbereitung von sauren, schwermetall- und/oder aluminiumhaltigen rohwaessern |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3631218A1 DE3631218A1 (de) | 1988-03-24 |
DE3631218C2 true DE3631218C2 (de) | 1988-09-15 |
Family
ID=6309532
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19863631218 Granted DE3631218A1 (de) | 1986-09-13 | 1986-09-13 | Verfahren zur aufbereitung von sauren, schwermetall- und/oder aluminiumhaltigen rohwaessern |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3631218A1 (de) |
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NO20015354L (no) * | 2001-11-01 | 2003-05-02 | Wasto As | Fremgangsmåte og anordning ved v¶skebehandling |
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1986
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