DE3640542A1 - Verfahren zur kontinuierlichen, chemisch-physikalischen aufbereitung von wasser, insbesondere von trinkwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen, chemisch-physikalischen Aufbereitung von Wasser, insbeson­ dere von Trinkwasser, bei welchem dem Rohwasser unter Rüh­ ren Fällungs- und/oder Flockungsmittel und Flockungshilfs­ mittel zugemischt werden und im Rohwasser gelöste und sus­ pendierte Inhaltsstoffe durch Fällung, Flockung und Sedi­ mentation abgeschieden werden.

Bei Verfahren zur Aufbereitung von Wasser der angegebenen Art ist es seither üblich, einen Teil des durch Fällung und Flockung und Sedimentation gebildeten, sogenannten Flocken­ schlamms im Kreislauf zu führen. Eine verbreitete Variante dieser bekannten Suspensions-Kreislaufverfahren ist das so­ genannte Kontaktschlammverfahren, wie es u.a. in der DE-OS 28 02 066 beschrieben ist. Bei diesem Verfahren wird dem mit Flockungsmitteln und/oder Fällungsmitteln sowie ggf. mit Beschwerungsmitteln oder Flockungshilfsmitteln versetz­ ten Rohwasser in einer Schlammkontaktphase unter Rühren so­ genannter Kontaktschlamm zugemischt, der in einer Sedimen­ tationszone vom Reinwasser kontinuierlich abgetrennt und in eine dem Schlammkontakt dienende Reaktionszone zurückgeführt wird. Die Rückführung von Kontaktschlamm wird bei diesem be­ kannten Verfahren für erforderlich gehalten, um für die Fäl­ lungsreaktion eine möglichst große Kontaktfläche für die ge­ fällten Kristalle zu schaffen und die Bildung größerer, bes­ ser sedimentierfähigerer Partikel zu fördern. Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß zur Schlammrückführung zu­ sätzliche Fördereinrichtungen benötigt werden, die einen verhältnismäßig hohen Wartungsaufwand verursachen. Nachtei­ lig ist bei dem bekannten Verfahren ferner, daß die Funk­ tionsfähigkeit des Verfahrensablaufs in starkem Maße von der Schlammrückführung abhängig ist. Hierbei kommt es nicht nur auf die Dosierung der richtigen Menge des Rückführschlamms, sondern insbesondere auch auf seine altersbedingte Qualität an. So behindert beispielsweise altes Eisenhydroxyd die Kri­ stallbildung und die Flockenbildung. Weiterhin ist bei Ver­ wendung des bekannten Verfahrens für die Aufbereitung von Trinkwasser von Nachteil, daß dem Rohwasser zusätzlich zu frischem Flockungshilfsmittel mit dem Rückführschlamm altes Flockungshilfsmittel zugegeben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wasseraufbereitungsver­ fahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei ho­ her Effektivität einfach durchführbar ist und den Bau-, Betriebs- und Wartungsaufwand der Aufbereitungsanlage ver­ ringert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Rohwasser nach dem Zumischen der Fällungs- und/oder Floc­ kungsmittel in einer separaten Reaktionszone unter Eintrag von Rührenergie verweilt, daß in der Reaktionszone ohne eine Zufuhr von sedimentiertem Schlamm frisch ausgefällte und/ oder ausgeflockte Feststoffpartikel in einer Konzentration in Schwebe gehalten werden, die dem Gehalt des Rohwassers an ausfällbaren und/oder ausflockbaren Inhaltsstoffen ent­ spricht oder ihn überschreitet und daß das Wasser aus der Reaktionszone in eine Konzentrationszone gelangt, in der durch Erzeugung eines Schwebebetts der Feststoffgehalt das Zehn- bis Dreißigfache der kontinuierlich ausgefällten, re­ lativen Feststoffmenge beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der überraschen­ den Erkenntnis, daß trotz der durch die Rückführung von sedimentiertem Schlamm erreichten höheren Feststoffkonzen­ tration in der Reaktionszone die Fällungs- und Flockungs­ reaktion behindert und damit verzögert wird, weil die ein­ zelnen Partikel des sedimentierten und zurückgeführten Schlamms aufgrund ihres Alters erheblich an Aktivität ver­ loren haben. Ein weiterer Grund für die Verlangsamung der Reaktion sind die in dem Rückführschlamm enthaltenen poly­ meren Flockungshilfsmittel, die vor der Sedimentation zur Bildung größerer und damit besser sedimentierfähiger Floc­ kenagglomerate zugegeben werden. Diese Flockungshilfsmittel gelangen mit dem Rückführschlamm in die Reaktionszone und verkleben dort neugebildete Kristalle, wodurch diese ihre anfänglich hohe Reaktivität verlieren. Im Gegensatz hierzu werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die besonders reaktiven Oberflächen der frisch gefällten Kristalle durch den Eintrag von Rührenergie so intensiv mit den auszufällen­ den Wasserinhaltsstoffen in Kontakt gebracht, so daß eine hohe Reaktivität erreicht wird, welche die durch das Fehlen von Rückführschlamm bedingte, niedrigere Feststoffkonzentra­ tion in der Reaktionszone überkompensiert. Das erfindungsge­ mäße Verfahren hat somit den Vorteil, daß - verglichen mit dem bekannten Schlammkontaktverfahren - die Reaktionsge­ schwindigkeit in der Reaktionszone gesteigert und eine voll­ ständigere Reaktion erreicht wird und daß auf aufwendige und wartungsanfällige Einrichtungen zur Rückführung eines Teils des sedimentierten Schlamms verzichtet werden kann. Die Nach­ reaktion in der sich an die Reaktionszone anschließenden Kon­ zentrations- oder Flockungszone ist daher bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren sehr gering, so daß keine nennenswerte nachträgliche Bildung von Feinstpartikeln eintritt, die die Konzentrations- und Sedimentationszone ungehindert passieren. Eine nachträgliche Filtration kann daher bei dem erfindungs­ gemäßen Verfahren entfallen oder zumindest erheblich ent­ lastet werden; die Filtration hat nur noch eine Sicherheits­ funktion.

Die zur Flockenbildung und zur Einbindung feinster Fest­ stoffpartikel in die Flocken erforderliche höhere Fest­ stoffkonzentration wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Ausbildung eines Schwebebetts in einer separaten Konzentrationszone erreicht. Hierbei hat sich überraschen­ derweise gezeigt, daß sich mit Hilfe des Schwebebetts bei einer vergleichsweise geringen Verweilzeit große, gut sedi­ mentierfähige Flockenagglomerate bilden und auch feinste Feststoffpartikel gut in die Flockenagglomerate eingebunden werden. Das Schwebebett in der Konzentrationszone trägt so­ mit ebenfalls wesentlich dazu bei, daß eine nachträgliche Filtration des Reinwassers entfallen kann. Durch das Fehlen einer Schlammrückführung und die gute Regelbarkeit des Schwe­ bebetts hat das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin den Vor­ teil, daß Lastschwankungen auf der Rohwasserseite von 100 auf 50% oder 125% auch als Stöße verkraftet werden können und keine nennenswerte Feststofferhöhung im Reinwasser zur Folge haben. Auch bei einer Filterrückspülung anfallendes Rückspülwasser mit einem vergleichsweise niedrigen Feststoff­ gehalt kann ohne Nachteil für die Funktion des Verfahrens mit dem Rohwasser oder auch anstelle von Rohwasser aufbereitet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat weiterhin den Vorteil, daß die Konzentration des Flockungshilfsmittels niedrig ge­ halten werden kann, was insbesondere bei der Aufbereitung von Trinkwasser sehr wichtig ist. Außerdem wird dem Wasser bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausschließlich frisches Flockungshilfsmittel zugegeben, das sich gut mit den Flocken vernetzt und daher vollständig mit dem sedimentierten Schlamm wieder abgeschieden werden kann. Lediglich im Bereich des Schwebebetts der Konzentrationszone ist bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren mit der Erhöhung des Feststoffgehalts auch ein Anstieg der Konzentration an Flockungshilfsmittel ver­ bunden. Dieser Anstieg der Flockungshilfsmittelkonzentration ist jedoch auf den Bereich des Schwebebetts begrenzt und fällt an der Überlaufkante zum Sedimentationsbecken wieder auf den ursprünglich dosierten Konzentrationswert ab. Die Gefahr einer Überschreitung von bei der Trinkwasseraufbe­ reitung vorgeschriebenen Konzentrationswerten ist daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht gegeben.

Es wurde weiterhin gefunden, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits eine gute Reinigungswirkung und eine ge­ nügend schnelle Reaktion erzielt wird, wenn der Gehalt an frisch gefällten Feststoffpartikeln in der Reaktionszone wenigstens 300 g/cbm beträgt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens kann erfin­ dungsgemäß darin bestehen, daß der Eintrag von Rührenergie in der Reaktionszone derart erfolgt, daß eine torusartige Zirkulationsströmung erreicht wird. Die Umwälzung des Was­ sers in der Reaktionszone ist dadurch besonders intensiv bei vergleichsweise geringem Energieeintrag. Weiterhin kann erfindungsgemäß durch die Zirkulationsströmung er­ reicht werden, daß in einem größeren Bereich der Reaktions­ zone eine Feststoffkonzentration hervorgerufen wird, die das Zwei- bis Fünffache des kontinuierlich aus dem Roh­ wasser ausgefällten Feststoffgehalts beträgt. Eine derart durch hydraulische Wirkung erzielte Steigerung der Fest­ stoffkonzentration frisch gefällter Kristalle beschleunigt den Reaktionsablauf, da sich die Kontaktfläche für die Fällungsreaktion erhöht.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens kann eine Steigerung der Feststoffkonzentration in der Reaktionszone durch die Ausbildung eines Schwebebetts mit Hilfe eines Paddelrührwerks erzielt werden.

Die Verweilzeit des Wassers in der Reaktionszone ist er­ findungsgemäß so bemessen, daß die Fällungsreaktion in der Reaktionszone vollständig ablaufen kann und am Ausgang der Reaktionszone im wesentlichen beendet ist. In der Praxis hat sich eine Verweilzeit des Wassers in der Reaktionszone von 6 bis 8 Minuten als besonders günstig erwiesen.

Die zur Ausbildung der Flocken und zur Einbindung feinster Feststoffpartikel in die Flocken erforderliche Verweilzeit des Wassers im Schwebebett beträgt ca. 2 bis 6 Minuten. Weiterhin hat sich gezeigt, daß eine maximale Durchsatzge­ schwindigkeit im Schwebebett von 18 bis 20 m/Stunde ohne Beeinträchtigung der Reinigungswirkung zugelassen werden kann. Zur Anpassung an Durchsatzschwankungen ist nach ei­ nem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen, daß die Höhe des Schwebebetts einstellbar ist. Ebenso kann zur Auf­ rechterhaltung des Schwebebetts ein Paddelrührwerk vorge­ sehen sein, dessen Drehzahl zum Ausgleich von Änderungen der Durchsatzgeschwindigkeit regelbar ist.

Die Zugabe des Flockungshilfsmittels erfolgt erfindungsge­ mäß vorzugsweise bei hohem Energieeintrag in einer Misch­ zone, die dem Schwebebett vorgeschaltet ist. Die Verweil­ zeit des Wassers in der Mischzone beträgt ca. 1 Minute. Die Zugabemenge des Flockungshilfsmittels kann dabei er­ findungsgemäß unter 0,5 g/cbm liegen. An das Schwebebett schließt sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Sedimentationszone mit Schlammabscheidung an, wobei zur Feinklärung und Abtrennung feinster Feststoffpartikel ein Abscheider nach dem Prinzip eines Parallelplattenabscheiders vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand ei­ nes in der Zeichnung dargestellten Anwendungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine Anlage zur kontinuier­ lichen Entkarbonisierung von Trinkwasser. Die Anlage besteht im wesentlichen aus fünf hintereinander liegenden Behältern unterschiedlicher Größe, durch die das Rohwasser bei der Aufbereitung geleitet wird, bevor es als Reinwasser an das Trinkwassernetz abgegeben werden kann.

Der erste Behälter 1 bildet eine Mischzone, in der das über eine Leitung 2 zugeführte Rohwasser mit dem Fällungsmittel Kalkmilch und dem Flockungsmittel Eisen (III)-Chlorid ge­ mischt wird. Das Fällungsmittel wird über eine Dosierlei­ tung 3 und das Flockungsmittel über eine Dosierleitung 4 zugeführt. Ein Rührwerk 5 sorgt für eine gute Vermischung des Rohwassers mit dem Fällungs- und Flockungsmittel.

Während die Zugabe des Fällungsmittels zur Einleitung der Fällungsreaktion erforderlich ist, dient die Zugabe des Flockungsmittels Eisen (III)-Chlorid zur Verbesserung der Flockenbildung und zur Konditionierung des ausgefällten Karbonatschlamms, der dadurch geschmeidiger und transport­ fähiger wird. Die Dosiermenge von Eisen (III)-Chlorid rich­ tet sich nach dem Eisengehalt des Rohwassers. Ist im Roh­ wasser bereits Eisen enthalten, so kann dieses durch vor­ herige Oxydation in Belüftungstürmen von Eisen (II)+ in Eisen (III)+ umgewandelt werden, das dann in der Reaktions­ zone als Eisen (III)-Hydroxyd ausgefällt wird. Bei dem be­ schriebenen Verfahren sollte die Dosiermenge von Eisen, dosiert als Eisen (III)-Chlorid, ca. 2,5 g/cbm betragen. Enthält das Rohwasser bereits Eisen, so kann diese Dosier­ menge entsprechend reduziert werden.

Die Zugabe von Eisen (III)-Chlorid erfolgt bereits in der ersten Mischzone im Behälter 1, damit sich bereits in der nachfolgenden Reaktionszone kleine Eisenhydroxydflocken bilden können, die die ausgefällten Partikel schon in klei­ nere Verbände zusammenführen. Das frisch gefällte Eisen­ hydroxyd behindert die Fällungsreaktion und die Bildung von Kalciumkarbonatkristallen nicht.

Nach einer Verweilzeit von 30 bis 60 Sekunden gelangt das mit Fällungs- und Flockungsmittel vermischte Rohwasser aus dem Behälter 1 in einen Behälter 6, der die Reaktionszone enthält. In dem Behälter 6 befindet sich ein Rührwerk 7, das im Wasser eine torusartige Zirkulationsströmung erzeugt. Der Energieeintrag beträgt dabei etwa 20 W/cbm Behältervolumen. Die Zirkulationsströmung sorgt für einen schnellen Reaktions­ ablauf und ruft in einem größeren Bereich der Reaktionszone eine Feststoffkonzentration hervor, die das Zwei- bis Fünf­ fache des Feststoffgehalts betragen kann, der kontinuierlich aus dem Rohwasser ausgefällt wird. Die Verweilzeit des Was­ sers in der Reaktionszone beträgt 6 bis 8 Minuten. Die Pra­ xis hat gezeigt, daß in dieser Verweilzeit die Fällungsreak­ tion vollständig ablaufen kann, d.h. alle ausfällbaren In­ haltsstoffe ausgefällt werden.

Aus dem Behälter 6 fließt das Wasser zunächst in einen klei­ neren Mischbehälter 8, in dem unter Eintrag von Rührenergie mit Hilfe eines Rührwerks 9 polymeres Flockungshilfsmittel zugemischt wird, das über eine Dosierleitung 16 zugeführt wird. Die Verweilzeit im Mischbehälter 8 beträgt etwa 30 bis 60 Sekunden. Die Zugabemenge des Flockungshilfsmittels ist auf die im Wasser vorhandene Menge an Eisenhydroxyd abge­ stimmt und beträgt etwa 0,3 g/cbm. Dieser Wert liegt unter der Sicherheitsgrenze, die aus Gesundheitsgründen bei Trink­ wasser einzuhalten ist. Die Zugabe des Flockungshilfsmittels im Anschluß an die Reaktionszone hat den Vorteil, daß der Reaktionsablauf nicht behindert wird, indem das Flockungs­ hilfsmittel die Kristallflächen der gefällten Kristalle ver­ klebt.

An den Mischbehälter 8 schließt sich ein Behälter 10 an, der eine Flockungs- und Konzentrationszone enthält. Die Konzen­ trationszone wird durch ein Schwebebett gebildet, das bei geringeren Durchsatzgeschwindigkeiten durch ein Paddelrühr­ werk 11 aufrechterhalten wird. Durch das Schwebebett wird eine Konzentrationszone geschaffen, in der die Feststoffkon­ zentration auf das Zehn- bis Dreißigfache ansteigt. Dies ist erforderlich, um feinste, ungeflockte Feststoffpartikel in bestehende Flockenverbände zu integrieren und um feine Floc­ ken zu größeren Flockenagglomeraten zusammenzubinden. Auf diese Weiae wird die Sedimentierfähigkeit der in Flocken ein­ gebundenen Feststoffe gesteigert und ein hoher Sedimentations­ grad erreicht. Im Gegensatz zu dem bekannten Schlammkontakt­ verfahren ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe Feststoffkonzentration nur in der Konzentrationszone unmit­ telbar vor der Sedimentation erforderlich, während in den übrigen Aufbereitungsstufen durch den Verzicht auf Rückführ­ schlamm die Feststoffkonzentration gering ist.

Die Höhe des Schwebebetts kann durch ein in der Höhe ver­ stellbares Wehr 12 variiert und damit Lastschwankungen an­ gepaßt werden. Weiterhin kann durch eine durchsatzabhängige Drehzahlregelung des Paddelrührwerks 11 ein Zusammenbrechen des Schwebebettes bei Lastschwankungen verhindert werden. Die maximale Durchsatzgeschwindigkeit im Schwebebett kann bei dem beschriebenen Verfahren an 18 bis 20 m/Stunde betragen. Die Verweilzeit des Wassers im Bereich des Schwebebetts be­ trägt etwa 2 bis 6 Minuten.

An der Überlaufkante vom Behälter 10 in den die Sedimenta­ tionszone bildenden Schlammsammelbehälter 13 entspricht die Feststoffkonzentration des Wassers wieder der Feststoff­ konzentration beim Eintritt in den Behälter 10. Die erhöhte Feststoffkonzentration in der Reaktionszone ist also hier nicht mehr vorhanden. Im Schlammsammelbehälter 13 setzt sich der größte Teil der gebildeten Flocken ab, wobei der abgesetzte Schlamm ohne Eindicker bereits einen Feststoffge­ halt von etwa 25% erreicht. Zur Abtrennung feiner und fein­ ster Feststoffpartikel ist weiterhin ein Parallelplattenab­ scheider 14 mit einer Flächenbelastung von 1,5 bis 2 cbm/qm und Stunde bezogen auf die Summe der vertikal projizierten Plattenfläche vorgesehen. Aus dem Parallelplattenabscheider 14 gelangt das Reinwasser in einen Reinwasserbehälter 15, von wo es über eine Filtrierstation in das Trinkwassernetz eingeleitet werden kann. Die Filtrierstation ist bei dem beschriebenen Verfahren aus Sicherheitsgründen vorgesehen, da der Reinheitsgrad des Wassers nach dem Verlassen des Parallelplattenabscheiders bereits Trinkwasserqualität hat.

Claims (15)

1. Verfahren zur kontinuierlichen, chemisch-physikalischen Aufbereitung von Wasser, insbesondere von Trinkwasser, bei welchem dem Rohwasser Fällungs- und/oder Flockungs­ mittel und Flockungshilfsmittel unter Rühren zugemischt werden und durch Fällung, Flockung und Sedimentation im Rohwasser gelöste und suspendierte Inhaltsstoffe abge­ schieden werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Roh­ wasser nach dem Zumischen der Fällungs- und/oder Floc­ kungsmittel in einer separaten Reaktionszone unter Ein­ trag von Rührenergie verweilt, daß in der Reaktionszone ohne eine Zufuhr von sedimentiertem Schlamm frisch aus­ gefällte oder ausgeflockte Feststoffpartikel in einer Konzentration in Schwebe gehalten werden, die dem Ge­ halt des Rohwassers an ausfällbaren und/oder ausflock­ baren Inhaltsstoffen entspricht oder ihn überschreitet und daß das Wasser aus der Reaktionszone in eine Konzen­ trationszone gelangt, in der durch Erzeugung eines Schwe­ bebetts der Feststoffgehalt das Zehn- bis Dreißigfache der kontinuierlich ausgefällten, relativen Feststoffmenge beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoffgehalt in der Reaktionszone wenigstens 300 g/cbm beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Eintrag von Rührenergie in der Reaktions­ zone eine torusartige Zirkulationsströmung erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Zirkulationsströmung in einem größeren Bereich der Reaktionszone eines Feststoffkonzentration hervorge­ rufen wird, die das Zwei- bis Fünffache des kontinuierlich ausgefällten und/oder ausgeflockten Feststoffgehalts be­ trägt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Konzentrationszone ein Schwebebett mit einer Zone höherer Feststoffkonzentration gebildet wird.

6. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verweilzeit des Wassers in der Reaktionszone so bemessen ist, daß die Fällungsreaktion am Ausgang der Reaktionszone im wesentlichen beendet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verweilzeit des Wassers in der Reaktionszone 6 bis 8 Minuten beträgt.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verweilzeit des Wassers im Schwe­ bebett ca. 2 bis 6 Minuten beträgt.

9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die maximale Durchsatzgeschwindigkeit im Schwebebett 18 bis 20 m/Stunde beträgt.

10. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Schwebebetts einstell­ bar ist.

11. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung des Schwebe­ betts ein Paddelrührwerk vorgesehen ist, dessen Dreh­ zahl zum Ausgleich von Änderungen der Durchsatzgeschwin­ digkeit des Wassers regelbar ist.

12. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwebebett eine sich an die Reaktionszone anschließende Mischzone zur Zugabe des Flockungshilfsmittels vorgeschaltet ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabemenge des Flockungshilfsmittels unter 0,5 g/cbm liegt.

14. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Konzentrationszone eine Sedimentationszone mit Schlammabscheidung anschließt.

15. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß zur Feinklärung ein Abscheider nach dem Prinzip eines Parallelplattenabscheiders vorgesehen ist.