DE4335996C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von schwach verunreinigtem Wasser - Google Patents

Description

Der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Reinigen von mit Schwermetallen schwach verunreinigtem Wasser. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung dienen dazu, schwach verunreinigte Wässer zu reinigen, wobei Schwermetalle wie Eisen­ gehalte und Mangan und sehr fein suspendierte Materie (die im allgemeinen im folgenden als "Verunreinigungen" benannt wer­ den), die gemeinsam oder einzeln in dem schwach verunreinigten Wasser vorhanden sind, kontinuierlich zum Vorsehen eines hoch­ gereinigten Wassers entfernt werden.

In den Gebieten, die schlecht mit Wasserversorgung ausgerüstet sind, wird Brunnenwasser allein oder in Kombination mit Lei­ tungswasser verwendet, damit der Wasserknappheit während des Sommers oder der Erhöhung der Wasserbelastung begegnet wird. In dem Falle des Brunnenwassers, wird solches als Trinkwasser für die Menschen benutzt, das sich als konform mit der Standardqua­ lität einer Trinkwasseranalyse erwies, die durch eine Organisa­ tion wie ein öffentliches Gesundheitszentrum durchgeführt wurde. Jedoch enthält in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Bo­ dens, in den die Brunnen gebohrt werden, das Brunnenwasser manchmal Schwermetalle wie Eisengehalte und Mangan in einer menge, die jenseits des erlaubten Niveaus liegt. Während die Eisengehalte keiner Oxydation in dem Grundwasser, das einen niedrigen Grad von Sauerstoff aufweist, unterliegen, werden sie mit Sauerstoff oxydiert, wenn das Wasser auf die Bodenoberfläche gepumpt wird, wodurch der sogenannte Zustand des roten Wassers verursacht wird. Solches Brunnenwasser, das einen hohen Betrag von Eisengehalten enthält, ist im allgemeinen nicht als Trinkwasser für Menschen geeignet.

In dem Fall von Brauchwasser wird Wasser vor der Verteilung in einer Stadt in großen Kläranlagen einer Sedimentation- und Filterbehandlung als auch einer Steri­ lisationsbehandlung unter Benutzung von Chlor und dergleichen unterworfen. Wenn jedoch ein großer Betrag von Schwermetallen wie Eisengehalte und Mangan in dem Rohwasser für Brauchwasser enthalten sind und der Verbrauch manchmal während des Sommers drastisch ansteigt, ist die Ver­ weildauer des Rohwassers in der Kläranlage, in der es der Sedi­ mentation und Filtration unterliegt, manchmal zu kurz. Folglich wird ein unzureichend behandeltes Wasser, das noch Schwermetalle wie Eisengehalte und Mangan enthält, allgemein an jeden Haushalt usw. geliefert. Daher ergibt es sich, daß das Brauchwasser wäh­ rend des Sommers einen besonders großen Betrag von u. a. Eisengehalt und schlechtem Geschmack enthält.

Wenn z. B. solches Brunnenwasser, das einen großen Betrag von Eisengehalt enthält, als Industriewasser benutzt wird, tritt Rosten in dem Rohrsystem der Maschinen und dergleichen auf, so daß Korrosion und Verstopfen der Rohre auftritt, wodurch ein schwerer Schaden bei der Aufrechterhaltung der Ausrüstung verur­ sacht wird. Es ist auf dem Gebiet der Tierzüchtung bekannt, daß, wenn solches Brunnenwasser, das einen großen Betrag von Eisenge­ halt enthält, als Trinkwasser für Kühe und Schweine benutzt wird, die Eisengehalte mit Phosphorsäure usw. in deren Körper reagieren, so daß die Tiere eine acidischen Zustand annehmen, wodurch die Aufnahme von Nahrungsmitteln verhindert wird und das normale Wachstum der Tiere beeinflußt wird. Wenn weiter solches Wasser, das einen großen Betrag von Eisengehalten, Mangan usw. enthält, zur Bewässerung auf dem Gebiet der Landwirtschaft, der Gartenwirtschaft usw. benutzt wird, wird die Mineralzusammenset­ zung in dem Boden aus dem Gleichgewicht gebracht, wodurch die Aufnahme von Nährstoffen durch Früchte, Gemüse und Gartenpflan­ zen verhindert wird, was Schwierigkeiten wie Mangelerscheinungen oder Leiden unter verschiedenen Krankheiten augrund der Abnahme der Widerstandsfähigkeit gegen krankhafte Bakterien verursacht. Daher ist es wünschenswert, die Verunreinigung, die Eisenge­ halte und Mangan enthält, soweit wie möglich zu entfernen, wenn nicht nur niedrig verunreinigte Wässer wie Brunnenwasser und dergleichen als Trinkwasser benutzt werden für Menschen, sondern auch wenn diese als Trinkwasser für Vieh auf dem Gebiet der Viehzüchtung oder zum Bewässern auf den Gebiet der Landwirt­ schaft oder der Gartenwirtschaft verwendet werden.

Wenn z. B. Eisengehalte aus Brunnenwasser zu entfernen sind, hat es keinen anderen Weg der Reinigung gegeben als das Hinzuführen eines Oxydationsmittels zum Brunnenwasser zum Umwandeln des ionisierten Eisens in Eisenoxyd, das dann unter Benutzung eines Hochpolymers aggregiert und durch Sedimentation und Filtra­ tion entfernt wurde. In diesem Fall sind große Ausrüstungen ein­ schließlich Sedimentationstanke, Filtrationstanke usw. notwen­ dig, was zu einer extremen Erhöhung der Produktionskosten und der laufenden Kosten der Anlage unvorteilhafter Weise führt. Bei dem Verfahren, bei dem ein Oxydationsmittel zur Wasserreinigung benutzt wird, ist keine große Effektivität zum Entfernen von Mangan gegeben, obwohl die Eisengehalte in Eisenoxyd umgewandelt werden können. Da Grundwasser, das einen großen Betrag von Eisengehalten enthält, allgemein einen großen Betrag von Mangan enthält, muß, wenn die Eisengehalte nur von dem Wasser entfernt werden, das Mangan durch Ausführen einer anderen Behandlung ent­ fernt werden, was große Ausrüstungen und hohe Kosten für die Extrabehandlung unter den gegebenen Umständen erfordert. Im allgemeinen enthält das niedrig verunreinigte Wasser häufig sehr feine organische suspendierte Materialien zusätzlich zu den Schwermetallen wie Eisen und Mangan, und die organischen suspen­ dierten Materialien sind sehr schwierig unter Benutzung eines Gerinnungsmittels zu entfernen. Folglich muß ein Sand- oder Aktivkohlefilter zum Adsorbieren und Abfiltern der organischen suspendierten Materialien benutzt werden. Wenn die Adsorptionka­ pazität des Filters jedoch verringert wird, wird Wasser gelie­ fert, von dem die Verunreinigungskomponenten nicht vollständig entfernt sind. Zusätzlich muß der Filter periodisch ausgetauscht werden, was eine Kostenerhöhung nach sich zieht, und falls der Austausch des Filters vernachlässigt wird, wird unbequemerweise ungereinigtes Wasser geliefert.

Aus der DE 34 12 217 A1 ist ein Verfahren zum Reinigen von ver­ unreinigtem Wasser und eine Vorrichtung zum Durchführen des Ver­ fahrens bekannt, dabei wird eine Entspannungsflotation durchge­ führt, bei der das zu reinigende Wasser mit Druckluft beauf­ schlagt und anschließend entspannt wird. Es besteht die Möglich­ keit, Flockungschemikalien einzuimpfen. Eine Förderung von Ver­ unreinigungen erfolgt über eine Pumpe, und die Reinigung des flotierten Wassers erfolgt über ein Filter.

Aus der JP 63-049291 A, Referat aus Chemical Patents Index, Derwent Publications LTD, London, Ref. Nr.: 88-100704/15 ist die Flotation von Siliziumstaub ent­ haltendem Wasser bekannt, während in Chemical Abstracts, Bd. 106, 1987, S. 580, Ref. Nr. 106 : 137 159k die Flotation mit Chitosan beschrieben ist.

Schließlich kann der JP 03-090000, Referat aus Chemical Patents Index, Derwent Publications LTD, London, Ref. Nr.: 91-153762/21 entnommen werden, daß bei der Reinigung von verunreinigtem Wasser kolloidales Siliziumdioxid und Chitosan verwendet werden können.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Reinigen von verunreinigtem Wasser und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens vorzusehen, mit denen auch mit Schwermetallen verunreinigtes Wasser gereinigt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 2.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung kann dem Anspruch 3 entnommen werden.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Figur.

Die Figur zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Vorrich­ tung zum Reinigen von schwach verunreinigtem Wasser nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform dient insbesondere für den Fall, daß Brunnenwasser (schwach verunreinigtes Wasser), das relativ hohe Beträge von Eisengehalten, Mangan usw. enthält, zu reinigen ist.

Grundwasserbrunnenwasser 10 wird durch eine Pumpe 12 hochgepumpt und in einem vorbestimmten Betrag in einem Primärtank 14 gespei­ chert. Eine Reaktionsmittelbeschickungsvorrichtung 16, die mit einem Reaktionsmittel gefüllt ist, das primär ein kolloidales Siliziumdioxid enthält ist benachbart zu dem Primärtank 14 so vorgese­ hen, daß das Reaktionsmittel gemessen werden kann und zu dem in dem Tank 14 enthaltenen niedrig verunreinigtem Wasser hinzuge­ fügt werden kann. Das Reaktionsmittel enthält ein kolloidales Siliziumdioxid als die Hauptkomponente, einen löslichen Tierkalk und einen Komplex kleiner Beträge verschiedener Elemente, die in dem Reaktionsmittel ent­ halten sind und mit den unerwünschten Stoffen so reagieren, daß Schwermetalle, die Eisengehalte und Mangan oder sehr feine suspendierte Stoffe enthalten, in dem niedrig verun­ reinigten Wasser gelöst oder suspendiert werden.

Wie oben beschrieben wurde, reagieren die Verunreinigungen wie Eisengehalte und Mangan, die in dem niedrig verunreinigten Wasser sind, mit dem Reaktionsmittel in dem Primärtank 14, so daß sie dispergiert werden. Das in dem Primärtank 14 enthaltene niedrig verunreinigte Wasser wird daraus durch ein Rohr 20, das mit einem später zu beschreibenden Sekundärtank 18 verbunden ist, herausgefördert. Eine Koaguliermittelbeschickungsvorrich­ tung 22 ist mit dem Rohr 20 so verbunden, daß Koaguliermittel gemessen werden kann und zu dem niedrig verunreinigten Wasser hinzugefügt werden kann, zu dem das Reaktionsmittel bereits hin­ zugefügt ist. Das von der Koaguliermittelbeschickungsvorrichtung 22 hinzuzufügende Koaguliermittel weist Chitosan auf, das z. B. in Krebsschalen enthalten ist und zeigt einen hervorragenden Effekt des Ausflockens der unerwünschten Materie, die mit dem Reaktionsmittel dispergiert ist. Das Rohr 20 weist eine Hochdruck­ pumpe 24 stromabwärts von dessen Koaguliermittelbeschickungspo­ sition auf, und das niedrig verunreinigte Wasser, das aus dem Primärtank 14 herausgefördert und mit dem Koaguliermittel ver­ mischt worden ist, wird zu dem Sekundärtank 18 gepumpt. Die Pumpe 24 ist mit einem Lufteinlaß und einem Mechanismus zum Ein­ führen von Außenluft unter hohem Druck in das niedrig verunrei­ nigte Wasser während der Tätigkeit der Pumpe versehen. Als Hoch­ druckpumpe 24 ist es empfohlen, z. B. eine Furan-Selbstansau­ gende-Pumpe KPD (Handelsname) zu verwenden, die von Futakuni Kikai Kogyo Kabushiki Kaisha hergestellt wird.

Ein Wasserabscheider 26 ist mit dem Rohr 20 an einer Position zwischen der Auslaßseite der Pumpe 24 und dem Sekundärtank 18 verbunden. Der Wasserabscheider 26 ist darauf gerichtet, eine Trennung der Luft von dem niedrig verunreinigten Wasser durch­ zuführen, das die Außenluft enthält, die durch die Pumpe 24 so eingebracht worden ist, daß es der Luft ermöglicht ist, sich unter Druck in dem verunreinigten Wasser zu lösen. D. h., die Luft ist unter Druck in dem niedrig verunreinigten Wasser gelöst, das der Wasserabscheidung unterworfen wird, so daß, wenn das so behandelte verunreinigte Wasser in einem Wasser unter Normaldruck freigegeben wird, die Luft in dem Wasser in der Form einer Vielzahl feiner Blasen aufsteigt. Der Sekundärtank, mit dem das letzte Ende des Rohres 20 verbunden ist, kann zuvor darin einen vorbestimmten Betrag von niedrig verunreinigtem Wasser speichern, in das das verunreinigte Wasser, das der Was­ serabscheidebehandlung unterworfen wurde, geblasen wird, und er ist dazu ausgelegt, einen großen Betrag von feinen Blasen zu erzeugen, indem der Druck freigegeben wird. Da die Blasen zu der Wasseroberfläche auf schwimmen, reißen sie die unerwünschten Stoffe mit sich, so daß allmählich eine Schlammschichtschicht/Schaumschicht gebildet wird, die periodisch entfernt wird, z. B. durch eine Fördereinrichtung 29, die über dem Sekundärtank 18 vorgesehen ist. Die Fördervorrichtung 29 ist als Beispiel angegeben, und es kann eine Stufe an der oberen Endfläche auf einer Seite des Sekundärtankes 18 anstelle der Fördervorrichtung 29 so vorgesehen sein, daß dem Schlamm ermöglicht wird, über die Stufe zu fließen, wobei er nach außerhalb der Vorrichtung ausgegeben wird. In dem Fall, in dem das Überflußsystem eingesetzt wird, wird empfohlen, Luft in eine Richtung gegen den Schlamm zu blasen, der auf der Oberfläche floatiert, damit das Überfließen des Schlammes beschleunigt wird.

Der Sekundärtank 18 weist einen Ausgabeabschnitt 28 für gerei­ nigtes Wasser auf, der sich daran anschließt und in dem das gereinigte Wasser nach dem Entfernen der Verunreinigungen wiedergewonnen werden kann, so daß es nach außen abgegeben wird. Ein Filter 30 ist an dem Boden des Sekundärtankes 18 so vorgese­ hen, daß das gereinigte Wasser filtriert wird, und der Tank 18 und der Ausgabeabschnitt 28 für gereinigtes Wasser stehen durch den Filter 30 in einer Flüssigverbindung miteinander. Der Filter 30 ist kein unabdingbarer Bestandteil dieser Erfindung, und er ist zusätzlich vorgesehen, damit die Entfernung der Verunreinigungen sichergestellt wird, wenn das gereinigte Wasser als Trinkwasser für Menschen benutzt wird, und er kann weggelassen werden, wenn das gereinigte Wasser als Industriewasser oder bei der Viehzüchtung, in der Landwirtschaft, der Gartenwirtschaft usw. benutzt wird.

Als nächstes wird die Anwendung des so zusammengesetzten Gerätes zum Reinigen eines niedrig verunreinigten Wassers beschrieben, z. B. in Bezug auf den Fall, in dem Brunnenwasser, das einen relativ großen Betrag von Eisengehalten und Mangan enthält, zu reinigen ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird das Grundwasser­ brunnenwasser 10 von der Pumpe 12 hochgepumpt und mit einem vor­ bestimmten Betrag in dem Primärtank 14 gespeichert, während ein vorbestimmter Betrag von Brunnenwasser ebenfalls in dem Sekun­ därtank 18 gespeichert wird. Das Reaktionsmittel, das hauptsäch­ lich kolloidales Siliziumdioxid enthält, wird gemessen und zu dem Brun­ nenwasser durch die Reaktionsmittelbeschickungsvorrichtung 16 hinzugefügt, das in dem Primärtank 14 enthalten ist, wodurch die Eisengehalte und das Mangan, die in dem in dem Primärtank 14 enthaltenen Brunnenwasser vorhanden sind, reagieren können und dispergiert werden. Das in dem Primärtank enthaltene Brunnenwasser wird durch die Wirkung der Hochdruckpumpe 24 durch das Rohr 20 zu dem Sekundär­ tank 18 gefördert.

Das Koaguliermittel wird gemessen und durch die Koaguliermittel­ beschickungsvorrichtung 22, die mit dem Rohr 20 verbunden ist, zu dem Brunnenwasser hinzugefügt, zu dem das Reagiermittel bereits hinzugemischt ist, wobei es durch das Rohr 20 gefördert wird. Das Koaguliermittel, das hauptsächlich Chitosan enthält, das in Krebsschalen z. B. enthalten ist, flockt die Eisengehalte und das Mangan aus, die durch das in dem Brunnenwasser enthal­ tene Reaktionsmittel dispergiert sind. Da jedoch das Brunnenwasser in dieser Stufe durch das Rohr 20 gefördert wird, werden die Flocken noch nicht von dem Wasser getrennt. Weiterhin wird die Außenluft unter hohem Druck in das Brunnenwasser gefördert, während die Hochdruckpumpe 24 an einer Position stromabwärts von der Koaguliermittelbeschickungsposition des Rohres 20 betätigt wird. Der Wasserabscheider 26, der mit dem Rohr 20 verbunden ist, das mit der Auslaßseite der Pumpe 24 in Verbindung steht, führt die Trennung der Luft von dem Brunnenwasser aus, das die Außenluft enthält. Somit wird ein großer Betrag von Luft in dem Brunnenwasser gelöst, das in dem begrenzten Raum des Rohres 20 unter Druck fließt.

Wie oben beschrieben, wird das Brunnenwasser, in dem die Luft unter Druck gelöst ist, durch das Rohr 20 schließlich in das Brunnenwasser gefördert, das zuvor in dem Sekundärtank 18 gespeichert wurde. Der auf das Brunnenwasser in dem Rohr 20 aus­ geübte Druck läßt nach, wenn das Brunnenwasser in das in dem Sekundärtank 18 enthaltene Brunnenwasser geblasen wird, und das Brunnenwasser fließt aufwärts unter der Bildung feiner Blasen. Die Eisengehalte und das Mangan, die in dem Brunnenwasser ent­ halten sind, das in den Sekundärtank 18 gefördert wurde, sind durch das Reaktionsmittel dispergiert und durch das Koaguliermit­ tel in Flocken ausgeflockt. Die Flocken werden durch die sehr feinen Blasen mitgerissen, die in großem Maße gebildet werden, wenn der auf das Brunnenwasser ausgeübte Druck in dem Sekundär­ tank 18 nachläßt, und sie schweben mit den Blasen zu der Wasseroberfläche auf, wo allmählich eine Schlamm-/Schaumschicht gebildet wird. Der Schlamm wird periodisch mittels der Förder­ vorrichtung 29, die über dem Sekundärtank 18 vorgesehen ist, oder durch das Überflußsystem entfernt. Das nach Entfernung der Verunreinigungen wie Eisengehalte und Mangan erhaltene gereinigte Wasser wird durch den Ausgabeabschnitt 28 für gerei­ nigtes Wasser benachbart zu dem Sekundärtank nach außen ausgege­ ben und für verschiedene Zwecke benutzt.

Während ein Filter 30 an dem Boden des Sekundärtankes 18 vorge­ sehen sein kann, ist der Filter 30 zusätzlich vorgesehen zum Sicherstellen der Entfernung der Flocken wenn das gereinigte Wasser als Trinkwasser für Menschen zu benutzen ist, und er kann weggelassen werden, wenn das gereinigte Wasser als Industriewas­ ser oder für Tierzüchtung, Landwirtschaft und Gartenwirtschaft usw. benutzt wird. Die Analyse des so gereinigten Wassers zeigte sich als gute Resultat insoweit, daß es geeignet war zum Trin­ ken.

Claims (3)

1. Verfahren zum Reinigen von mit Schwermetallen wie Eisen und/oder Mangan schwach verunreinigtem Wasser, mit den Schritten in der Reihenfolge:
Hinzufügen von kolloidalem Siliziumdioxid zu dem verunreinigten Wasser (10),
Hinzufügen von Chitosan in das Wasser, während das Wasser von einer Pumpe (24) gefördert wird;
Beaufschlagen des gepumpten Wassers mit Außenluft unter hohem Druck und Trennen der nicht gelösten Luft von dem Wasser;
Eingeben des so behandelten Wassers in verunreinigtes Wasser, das zuvor gespeichert worden ist, zum Erzeugen sehr feiner Blasen unter Entspannen des Druckes;
Entfernen der flotierten Stoffe an der Wasseroberfläche; und Abführen des so gereinigten Wassers.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit:
einem Primärtank (14) zum Speichern des schwach verunreinigten Wassers (10);
einer ersten Dosiervorrichtung (16) zum Dosieren des kolloidalen Siliziumdioxids in das Wasser (10) in dem Primärtank (14);
einer zweiten Dosiervorrichtung (22), die mit einem aus dem Primärtank (14) führenden Rohr (20) verbunden ist, zum Dosieren des Chitosans in das Wasser in dem Rohr (20);
einer Pumpe (24), die mit dem Rohr (20) an einer Position strom­ abwärts von der zweiten Dosiervorrichtung (22) verbunden ist, zum Fördern des Wassers und zum Beaufschlagen des Wassers mit Außenluft unter hohem Druck;
einem Wasserabscheider (26) zum Trennen der nicht gelösten Luft von dem Wasser;
einem Sekundärtank (18), in dem eine vorbestimmte Menge von dem verunreinigten Wasser gespeichert worden ist, und der stromab­ wärts von dem Wasserabscheider (26) mit dem Rohr (20) verbunden ist;
einer auf der Oberseite des Sekundärtankes (18) vorgesehenen Fördervorrichtung (29) zum Entfernen der flotierten Stoffe; und einer an den Sekundärtank (18) angefügten Abführeinheit (28) zum Abführen des gereinigten Wassers.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der ein Filter (30) zum Filtrieren des gereinigten Wassers zwischen dem Sekundärtank (18) und der Abführeinheit (28) vorgesehen ist.