DE4338851A1 - Aufbereitung von ABC-kontaminierten Wässern zu Trinkwasser mittels nassoxidativer Verfahren kombiniert mit Membranverfahren - Google Patents

Description

Trinkwasseraufbereitungsanlagen nach dem Stand der Technik arbeiten mit Chemikalien, deren Dosierung und Transport sich im Einzelfall als problema­ tisch erweisen kann. Wenn auch das Rohwasser der lokal besten verfügbaren Wasserquelle entnommen und die Aufbereitung von Oberflächenwasser oder mit Absetzstoffen angereicherten Bodenwassers vermieden wird, bleibt be­ sonders im Katastrophenfall eine kaum überschaubare Unsicherheit über die tatsächliche Kontamination des Rohwassers aus den Bereichen A-atomar, B-bakteriell und C-chemisch.

Das Bevölkerungswachstum, insbesondere in Entwicklungsländern wird lang­ fristig die Trinkwasserbeschaffung nicht nur zu einer technischen, sondern mehr und mehr zu einer existentiellen Aufgabe machen.

Uneinheitliche Regelwerke (Richtlinien und Standards zivil und militärisch) zu Grenzwerten der aufbereitbaren Rohwasserqualität und der zu garantieren­ den Trinkwasserqualität bei Kurzverbrauch und Langzeitverbrauch liefern keine Hinweise und Spezifikationen einer notwendigen und bevorzugten Prozeßtechnik. Die zahlreichen Entwicklungsanstrengungen der letzten Jahre beziehen sich vorzugsweise auf mobile, auch autonom energieversorgte Auf­ bereitungsanlagen mit einer Kapazität von 0,5 bis 5 m³/h Trinkwasser. Ent­ wicklungsziel ist, ohne die Rohwasserqualität exakt analysieren zu müssen, mit angemessenem Aufwand die Sicherheit einer hinreichenden Trinkwasser­ qualität mit dem Aufbereitungsverfahren selbst zu gewährleisten. Bekanntge­ wordene Lösungen bestehen aus den sequentiellen Verfahrensschritten wie Vorreinigung, Mikrofiltration, gegebenenfalls Umkehrosmose und Mischbett- Ionentauscher, Aufsalzung, Beseitigung von passierten gelösten Reststoffen durch Oxidation, Rückhaltung von Rückständen im Aktivkohlefilter und als Endstufe vor dem Trinkwassertank die Depotchlorierung.

Zur Oxidation vorgereinigter Wässer durch Ozonierung stehen handels­ übliche Geräte zur Verfügung (Ozongenerator, Spannungsversorgung mit elektronischer Steuerung), wenn auch bei größerem Ozonbedarf der techni­ sche Aufwand nicht unbeträchtlich ist. Daraus resultiert, daß der Ozonierung vorzugsweise die Funktion einer Nachoxidationsstufe, nämlich die eines so­ genannten Polizeifilters zugewiesen wird.

Fortschritte der Membrantechnik auf der Basis poröser Keramik oder organi­ schen Materialien, wie z. B. Polypropylen mit nomineller Porengröße unter 1 µm, vorzugsweise 0,005 µm bis 0,2 µm, ermöglichen heute, die Mikrofiltra­ tion als wesentliche Prozeßstufe der Wasseraufbereitung einzusetzen.

Aufbereitungsanlagen mit dieser Prozeßtechnik reagieren empfindlich auf Algen und Trübstoffe im Rohwasser. Membranen neigen dann zur Ver­ blockung, ein Effekt, der zwangsweise den Wartungsaufwand, gegebenenfalls sogar die Stillstandszeiten erhöht. Daß Kampfstoffreste die Mikrofiltration pas­ sieren können, wird gemäß dem Stand der Technik zwar durch Nachoxidation und Aktivkohlefilter berücksichtigt. Die Prozeßsicherheit kann aber nicht uner­ heblich vermindert werden, dadurch daß sich diese Kampfstoffreste lokal im Prozeß anreichern können, um dann mit höherer Konzentration schwallweise den nachfolgenden Prozeßstufen zuzuströmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Chemikalien wie z. B. Kohlen­ wasserstoffen, Chlorkohlenwasserstoffen, Pestiziden, insgesamt mit ABC- Inhaltsstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung kontaminierte Rohwässer mittels eines Verfahrens aufzubereiten, das bereits in den ersten Prozeßstufen die Kontaminationen abbaut und somit die inhärente Prozeßsicherheit we­ sentlich und ohne zusätzlichen apparativen Aufwand steigert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oxidationsstufe, ausgebildet als Ozonierung oder/und UV-Bestrahlung, auch in Verbindung mit einem geeigneten Katalysator, als zentrale Prozeßstufe in Kombination mit einer Membranstufe vorgesehen wird. Gemäß dem Stand der Technik wird dabei die Nachoxidation beibehalten. Die Lösung der Aufgabe beinhaltet die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ebenso für transportable, vorzugsweise für den Einsatz bei Katastrophenfällen konzipierte Anlagen, wie auch für stationäre Anlagen unterschiedlichster Kapazität zur Trinkwasserver­ sorgung von kleinen Ansiedlungen, Dörfern und Stadtteilen.

Anhand folgender Figuren werden die technischen Merkmale und beispiels­ haften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Fließbild des Verfahrens mit der Kombination Oxidation und Mikrofiltration in der Reihenfolge Oxidation-Mikro­ filtration,

Fig. 2 ein schematisches Fließbild des Verfahrens in der Reihenfolge Mikrofiltration-Oxidation,

Fig. 3 ein detailliertes Fließbild entsprechend der Variante von Fig. 1 und

Fig. 4 ein detailliertes:Fließbild entsprechend der Variante von Fig. 2.

Die Vorreinigung, der das Rohwasser 1 als erstem Teil des Aufbereitungspro­ zesses nach Fig. 1 zufließt, besteht aus der Feststoffabtrennung 10 mit einer anschließenden Voroxidation 20 zur Spaltung organischer Substanzen. Mit­ tels des Verfahrens der kombinierten Oxidation 20 und der Mikrofiltration 30 erlangt das Rohwasser bereits eine weitgehend vollständige biologische und chemische Dekontamination.

In der Hauptreinigung, der Enthärtung 40 und der Umkehrosmose 50, dient die Enthärtung als Schutzmaßnahme für die nachfolgende Umkehrosmose. Bei reduzierter Permeatausbeute ist diese auch in der Lage, Meerwasser zu entsalzen.

Die erste Stufe der Feinreinigung, der Mischbett-Ionenaustauscher 60, ent­ fernt verbliebene Kontaminationsreste. Die Aufsalzung 70 des dekontaminier­ ten Wassers zu Trinkwasserqualität und die Nachoxidation 80 bilden die zweite und dritte Stufe dieses Verfahrensschrittes. Die Nachoxidation 80 dient als Sicherheitsstufe, insbesondere gegen Nachverkeimungen. Abschließend wird das Trinkwasser durch das Aktivkohlefilter 90 geleitet, sozusagen als Polizeifilter, und der Depotchlorierung 100 zugeführt.

Abwasserströme entstehen bei der Umkehrosmose kontinuierlich und bei den Stufen der Feststoffabtrennung, der Vorfilter und der Aktivkohle periodisch. Die periodische Reinigung oder Regenerierung der einzelnen Stufen erfolgt automatisch.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrensschemas nach Fig. 1 besteht darin, daß die oxidative Zersetzung der Kampfstoff-Kontaminationen vor der Mem­ branfiltrationsstufe erfolgt. Oxidierte Metallionen sind somit durch die Mikrofil­ tration abtrennbar. Weiterhin bewirkt die Hydrophilisierung des Systems, daß das Prozeßwasser in der Membranstufe effizienter behandelt wird, besonders im Falle der Anwesenheit hydrophober Stoffe.

Ein Nachteil des Verfahrensschemas nach Fig. 1 wird im relativ großen Ozon­ verbrauch gesehen, der insbesondere dann auftritt, wenn Feststoffe, z. B. Algen, nicht vom Rohwasser ferngehalten werden können. Die intensive Ozonbehandlung wird hier umso notwendiger, als alternative oxidative Ver­ fahren wie UV-Bestrahlung mit und ohne katalytische Unterstützung auf klares Wasser angewiesen sind.

Mit einer Verfahrenskonfiguration nach Fig. 2 werden diese Nachteile in hohem Maße beseitigt. Die Prozeßstufen Voroxidation 20 und Mikrofiltration 30 werden vertauscht, bei identischer Reihenfolge der nachfolgenden Pro­ zeßstufen. Zunächst kann die Feststoffabtrennung mittels eines Hydrozyklons entfallen. Die der Oxidationsstufe vorgeschaltete Filtration erhöht die Wasser­ qualität und damit die Effizienz aller naßoxidativer Behandlungsverfahren. Bei besserer Ausnutzung des eingespeisten Ozons verringert sich der Ozonbe­ darf. Nach Fig. 1 werden bis 20 g/h m³, nach Fig. 2 maximal die Hälfte benö­ tigt. Nachfolgestufen erfahren eine geringere Belastung und die Prozeßsicher­ heit erhöht sich.

Mit Fig. 3 wird die Verfahrenskonfiguration nach Fig. 1 weiter erläutert. Das Rohwasser wird von einer Tauchpumpe in den Rohwasserbehälter 21 geför­ dert. Dieser kann durch einen Überlauf von aufschwimmenden bzw. durch pe­ riodischen Ablauf von abgesetzten Verunreinigungen befreit werden. Nach Erreichen eines voreingestellten Füllstandes werden die Stufen Hydrozyklon 11 und Voroxidation 20 durch Einschalten der Pumpe 12 aktiviert. Der Hy­ drozyklon trennt suspendierte Feststoffe (Sandpartikel u. a.) bis zu einer Größe von 60 bis 100 µm ab. Das Konzentrat wird zyklisch entleert.

Die Voroxidation kann erfindungsgemäß allein aus der Ozonbeimischung 22, hergestellt in einem Ozongenerator 23, und/oder der UV-Bestrahlung 24 so­ wie aus einer Kombination eines Katalysators 25 und der UV-Bestrahlung 24 mit oder ohne Ozonzumischung 22 bestehen. Der chemische Sauerstoffbe­ darf (CSB) verringert sich, bezogen auf die ausschließliche Ozonbehandlung, um Größenordnungen durch eine nachgeschaltete UV-Bestrahlung und noch­ mal durch Anwesenheit eines Katalysators. Besonders im Falle hoher Was­ serdurchsätze ist die gleichzeitige Verkürzung der notwendigen Einwirkzeit von erheblichem Vorteil.

Nach der Ozonierung wird das Wasser in den Behälter 21 zurückgeleitet. Ein nicht dargestellter Katalysatorfilter stellt sicher, daß überschüssiges Ozon zer­ setzt wird und nicht in die Atmosphäre entweicht. Die Mikrofiltrationsstufe 30 dient der Entfernung von Verunreinigungen bis ca. 0,2 µm (Porenweite 0,005 bis 0,2 µm). Die Pumpen 31 und 32 führen das Wasser dem Filter 34 zu. Der größte Teil des Konzentrats wird zur Erzeugung einer hinreichend hohen An­ strömgeschwindigkeit der Membran im Kreislauf 33 geführt. Das Permeat 34 fließt ohne weitere Zwischenpumpe der ersten Stufe Enthärtung 40 (Enthär­ tungsionenaustauscher) der Hauptreinigung zu. Im Rohwasser enthaltene Calcium- und Magnesiumionen werden gegen Natrium zur Befreiung von Härtebildnern ausgetauscht. Die Enthärtung 40 ist mit den Teilstufen 41 und 42 als Pendelanlage ausgelegt. Die Regenerationszyklen werden automa­ tisch von einer Qualitätsmessung gesteuert. Das Regeneriermittel, vorzugs­ weise Natriumchlorid, befindet sich in einem nicht dargestellten Solebehälter.

Durch Endosieren von entsprechenden Chemikalien (z. B. Anti-Saline-Mittel) kann der Enthärtungsionenaustauscher auch entfallen. Das enthärtete Was­ ser wird mit Hilfe der Pumpen 51 und 52 über Umkehrosmose-Module mit Membranelementen entsalzt. Die Permeatströme 53 und 54 werden gesam­ melt. Der Konzentratstrom 55 kann zur Erhöhung der Ausbeute auch zurück­ geführt werden.

Am Ausgang der Umkehrosmose wird der Leitwert des Permeates gemessen. Wird die Trinkwassernorm nicht erfüllt, werden im Mischbett-Ionenaustauscher 60 die verbliebenen Spuren von Salzen entfernt. Besonders effektiv ist die Abtrennung von A- und C-Restkontaminationen.

Nach den vorgeschalteten Reinigungsstufen, die auch Salze beseitigen, er­ folgt die kontrollierte Aufsalzung 70 mit Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Chlo­ rid- und Sulfationen entsprechend den von der Trinkwassernorm geforderten Konzentrationen. Die Einspeisung 71 in den Wasserstrom erfolgt aus dem Behälter 72 über eine mengenabhängige Feindosierung 73.

Im nachgeschalteten Behälter 81 findet die Nachoxidation 80 statt mit Hilfe der Komponenten Pumpe 82, Injektor 83 und Ozongenerator 84.

Mit den für die Trinkwasser-Feinreinigung speziell ausgelegten Aktivkohlefil­ tern 90 können die Substanzen, die durch die vorangehenden Verfahrens­ stufen nicht restlos entfernt wurden, zurückgehalten werden. Die Hinterein­ anderschaltung der Stufen 91 und 92 bewirkt eine zusätzliche Verfahrens­ sicherheit. Wegen der geringen Belastung der Filter ist deren Lebensdauer hoch.

Die nachgeschaltete Depotchlorierung 100 erfolgt aus dem Behälter 102 mit der gesteuerten Dosierung 103 und Injektion 104 von Natriumhypochlorit. Die Zumischungsrate liegt bei etwa 0,3 mg/l Wasserdurchsatz. Durch die Leitung 101 verläßt das aufbereitete Wasser die Anlage.

Die alternative Anordnung von Rohwasserzulauf 1, Behälterstufe 10′ mit Be­ hälter 2 und Ablauf 26, Mikrofiltration 30 und Voroxidation 20 gemäß Fig. 2 ist in Fig. 4 detaillierter dargestellt. Die Mikrofiltration 30 bildet über die Pum­ pen 31 und 32 mit dem Behälter 21 den größeren und mit der Verbindungs­ leitung 33, wie bereits beschrieben, den ersten Kreislauf. Das Permeat 34 fließt hier dem Behälter 21 zu, der mit den verschiedenen Aggregaten 22 bis 25 und der Pumpe 26 den Oxidationskreislauf bildet. Das behandelte Wasser wird mittels der Pumpe 43 aus dem Behälter 21 abgezogen und der Enthär­ tungsstufe 40 zugeführt. Mit dieser Stufe endet der Unterschied des Verfah­ rensablaufs nach Fig. 1, Voroxidation-Mikrofiltration, und Fig. 2, Mikrofiltration- Voroxidation.

Claims (9)

1. Verfahren zur Aufbereitung von ABC-kontaminierten Wässern mittels der hintereinandergeschalteten Prozeßabschnitte Vorreinigung, Hauptreinigung und Feinreinigung sowie Trinkwassereinstellung für stationären und mobilen Einsatz unterschiedlicher Kapazität, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßstufen der naßoxidativen Wasser­ behandlung und der Mikrofiltration kombiniert werden, wobei sich die Reihenfolge der Anordnung aus den Dichten der ABC-Kontaminations­ anteile ergibt und beide Stufen zusammen mit der Feststoffabtrennung die Vorreinigung bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ozonzugabe bei der Sequenz Voroxidation-Mikrofiltration ca. 20 g/h m³ und im Falle der Sequenz Mikrofiltration-Voroxidation maximal die Hälfte beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das naßoxidative Verfahren aus der Vorozonierung mit einer UV-Bestrah­ lung zur Intensivierung der Sterilisationswirkung ergänzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung der Ozonierung und UV-Bestrahlung durch die Anordnung eines wasserumspülten Katalysators verstärkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die naßoxidative Behandlung aus eine UV-Bestrahlung des vorgereinigten Prozeßwassers besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die UV-Bestrahlung durch einen nachgeschalteten Katalysator ver­ stärkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Degradation der Dekontaminationswirkung in jeder zur Aufberei­ tung beitragenden Prozeßstufe durch anlageninterne Sensoren und Steuerungsbefehle bis zu einer programmierbaren Grenze der Abwei­ chung automatisch detektiert und kompensiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß über einen programmierbaren Zeitraum hinaus anhaltende Funktions­ abweichungen den Stillstand des Prozesses herbeiführen.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Verfahrensschritte automatisch überbrückt werden, wenn die Rohwasserqualität oder die Reinigungswirkung oder die geforderte Produktwasserqualität dies zuläßt, um den Energiebedarf der Anlage zu senken und die zulässige Betriebsdauer zu erhöhen.