DE602004009196T2

DE602004009196T2 - Integrierte wasserdekontaminierungsanlage und bohrlochpumpenanordnung

Info

Publication number: DE602004009196T2
Application number: DE602004009196T
Authority: DE
Inventors: John Stark
Original assignee: DCT Double Cone Technology AG
Current assignee: DCT Double Cone Technology AG
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2024-07-22
Also published as: WO2005007579A1; AU2004256863A1; ATE374165T1; DK1651567T3; CN1826292A; EP1651567B1; US7662290B2; DE602004009196D1; PT1651567E; US20060226077A1; CN100494079C; CA2533048A1; MXPA06000704A; CY1107091T1; AU2004256863B2; PL1651567T3; IL173105A; ES2293267T3; IL173105A0; EP1651567A1

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Fördern von Wasser aus verunreinigten Bohrlöchern und zur Aufbereitung des daraus geförderten Wassers.
Durch die Verunreinigung von Süsswasserreserven infolge übermässiger, nicht nachhaltiger Versorgung nimmt die Verfügbarkeit sicheren Trinkwassers rapide ab. Demzufolge muss das Wasser aus diesen Quellen oft gereinigt werden, bevor es als Trinkwasser verwendbar ist. Dieses Reinigungsverfahren wird als Wasseraufbereitung bezeichnet.
Ein typisches Wasseraufbereitungsverfahren ist ein zweistufiges Verfahren. Die erste Stufe besteht im Fördern von Wasser aus natürlichen/künstlichen Quellen wie Bohrlöchern, Flüssen und sogar dem Meer. Aus diesen Quellen wird Wasser mittels verschiedenartiger Vorrichtungen gefördert. Insbesondere werden für Wasser aus Bohrlöchern Bohrlochpumpen verwendet, um Wasser vom Bohrloch zur Oberfläche zu fördern. Das aus dem Bohrloch geförderte Wasser ist oft salzhaltig. Daher besteht die zweite Stufe der Wasseraufbereitung in der Entfernung von Verunreinigungen und gelösten Salzen aus dem in der ersten Stufe gewonnenen Wasser.
Die zweite Stufe ist weiter in unterschiedliche Verfahren aufgeteilt. Insbesondere wird Wasser zunächst gefiltert, um grössere Verunreinigungen wie Schlamm und verschiedene Mikroorganismen zu entfernen. In dieser Stufe der Wasseraufbereitung wird die natürliche Filtration von Wasser während dessen Bewegung im Boden nachgeahmt. Auf die Filtration folgen verschiedene Behandlungen wie beispielsweise die Anwendung chemischer Desinfektionsmittel und/oder von UV-Strahlung, um die gefährlicheren bakteriellen und viralen Verunreinigungen abzutöten oder zu neutralisieren.
Die verbleibenden gelösten Stoffe und aktiven Verunreinigungen, die noch nicht entfernt oder neutralisiert worden sind, werden soweit als möglich mittels verschiedener Arten von Membrantechnologie, Dialyse usw. extrahiert. Die Entfernung der Salzkomponente wird als Entsalzungsverfahren bezeichnet. Die Entsalzung ist einer der teureren und energieaufwendigeren Aspekte der Wasseraufbereitung. Daher haben Verbesserungen des Entsalzungsverfahrens einen wesentlichen Einfluss auf die Verfügbarkeit von Wasser. Die Entsalzung kann mittels verschiedener Techniken erfolgen, unter anderem durch umgekehrte Osmose (RO).
Die Entsalzung auf der Basis umgekehrter Osmose benötigt relativ wenig Energie und wird für die Entsalzung im kleinen und mittleren Massstab immer beliebter. Eine RO-basierende Entsalzungseinheit umfasst eine Hochdruckpumpe, ein durch eine semipermeable Membran in zwei Kammern unterteiltes Modul und eine Druckregeleinheit. Das salzhaltige Wasser wird mittels einer druckverstärkenden Vorrichtung, beispielsweise einer Hochdruckpumpe, in das Modul gepumpt. Die semipermeable Membran erlaubt einen Wasserfluss durch die Membran hindurch, verhindert jedoch den Transport von Salzen. Das Wasser (Permeat) in der Niederdruckkammer jenseits der Membran ist entsalzt, und das Salz bleibt in der Hochdruckkammer vor der Membran zurück. Das konzentrierte Salzwasser in dieser Hochdruckkammer verlässt das Modul über ein Druckregelventil. Das entsalzte Wasser (nachstehend als Süsswasser bezeichnet) kann einfach für verschiedene Endanwendungen verfeinert werden, beispielsweise als Trinkwasser oder für landwirtschaftliche Zwecke. Die konzentrierte Salzlösung (nachstehend als Sole bezeichnet) ist das Abfallprodukt, das entsorgt werden muss.
Die im RO-basierenden Entsalzungsverfahren erzeugte Sole weist einen höheren Salzgehalt auf als das Ausgangsmaterial. Wenn kein bestimmter Verwendungszweck für diese Sole besteht, kann diese eine ernsthafte Belastung darstellen, da sie entsorgt werden muss. Insbesondere darf die Sole nicht auf den Boden ausgeschüttet werden oder Süsswasserreserven kontaminieren. Auch ist die in der Hochdruck-Soleleitung gespeicherte Energie verloren, wenn die Sole einfach in die Umgebung ausgestossen wird. Eine Art, den Energieverlust zu vermeiden, besteht in der Verwendung eines an der Soleleitung montierten Systems zur Rückgewinnung der hydraulischen Energie. Damit wird das Problem einer beträchtlichen Energierückgewinnung gelöst, nicht aber jenes der Soleentsorgung.
Derartige Energierückgewinnungssysteme sind beispielsweise in US-6 540 487 und GB-02 363 741 beschrieben.
Während die in der Sole gespeicherte Energie verwendet wird, um den Energieverbrauch in der Entsalzungsanlage zu vermindern, muss die Sole nach der Energierückgewinnungseinheit immer noch entsorgt werden. Daher besteht ein Bedürfnis nach einem Verfahren und einem System, welche die Freisetzung der Sole in die Umwelt vermeiden.
Ausser dem Problem der Entsorgung der Sole bestehen bei den bisherigen Wasseraufbereitungsverfahren viele andere Probleme. Insbesondere bestehen Probleme im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Förderung von Wasser aus einem Tiefbrunnen.
Bei Tiefbrunnen, wie sie beispielsweise in vielen wasserarmen Binnengebieten gebohrt werden müssen, muss eine elektrisch angetriebene Pumpe auf den Grund des Bohrlochs abgesenkt werden. Die Leistung der Pumpen ist abhängig von der Grösse der Bohrung des Bohrlochs. Insbesondere gestattet ein grosses Bohrloch die Verwendung einer Pumpe mit einem genügend grossen Durchmesser für die Bewältigung eines hohen Durchsatzes. Bei Tiefbrunnen ist es jedoch unrealistisch, Bohrungsdurchmesser von mehr als 200-300 mm zu bohren, so dass die mechanische Pumpe, die abgesenkt werden kann, eine beschränkte Leistung aufweist. Somit ist das aus einem Tiefbrunnen förderbare Wasservolumen nicht sehr hoch, auch wenn die wasserführende Schicht eine sehr hohe Kapazität aufweist. Dieses Problem ist von grosser Bedeutung an weit vom Meer entfernten Orten und besonders in Trockengebieten mit knappen Wasservorkommen. Der Grundwasserspiegel liegt in solchen Gebieten oft sehr tief und erfordert somit tiefe Bohrlöcher. Begrenzte Wasservorkommen bedingen, dass diese Bohrlöcher voll ausgenützt werden und mit Durchsätzen betrieben werden, die nachhaltig und trotzdem genügend hoch sind, um den Wasserbedarf zu decken.
Ausserdem beinhalten die bekannten Pumpen im Allgemeinen bewegliche Teile und bergen damit die Gefahr von Verschmutzungen entweder durch auslaufende Schmiermittel oder durch Abnützung der beweglichen Teile. Wie alle Maschinen mit beweglichen Teile brauchen sie einen gewissen Unterhalt und haben eine begrenzte Lebensdauer.
KURZBESCHREIBUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasseraufbereitungsverfahren und -system für Bohrlochwasser.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Lösung des Problems der Freisetzung von Sole in die Umgebung.
Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung ist die Rückgewinnung von in der Sole-Nebenproduktleitung gespeicherter Energie, indem die Energie innerhalb des Wasseraufbereitungssystems genutzt wird.
Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung ist zudem die Erhöhung der Wassermenge, die aus einem Tiefbrunnen gefördert werden kann.
Gemäss einem weiteren Aspekt ist es ein Ziel der Erfindung, die Nachteile bekannter Bohrlochpumpen zu vermeiden.
Ein weiteres Ziel vorliegender Erfindung ist die Integration von Dekontaminierungsanlagen, insbesondere Entsalzungsanlagen, mit Bohrlochpumpanordnungen, um eine Süsswasserproduktivität von über 90 zu erreichen, wobei das Problem der Soleentsorgung vermieden wird.
Mindestens das erste dieser Ziele wird erreicht durch die Verwendung eines Wasseraufbereitungssystems, das eine Entsalzungseinheit und eine Bohrlochpumpeinheit aufweist derart, dass die als Nebenprodukt der Dekontamination anfallende Sole als Zufuhr zum Betrieb der Bohrlochpumpenanordnung nach Anspruch 1 verwendet wird. Bevorzugte Ausführungsformen und Verfahren zur Reinigung von Bohrlochwasser sind in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemässe Bohrlochpumpanordnung umfasst eine oder mehrere Bohrlochpumpen, um Wasser vom Grund des Bohrlochs zur Erdoberfläche zu fördern. Das geförderte Wasser wird in einem Zwischenreservoir gespeichert. Dieses Wasser, das im Allgemeinen salzhaltig und als Trinkwasser ungeeignet ist, wird mittels einer Entsalzungseinheit entsalzt. Die Entsalzungseinheit umfasst eine Pumpanordnung, die das salzhaltige Wasser in eine Trenneinheit pumpt. Die Trenneinheit weist ein Modul auf, das durch eine semipermeable Membran in zwei Volumen getrennt ist. Die semipermeable Membran lässt Wasser durch, während die Salze zurückgehalten werden. Das durchströmende Wasser ist entsalzt und trinkbar, während die zurückbleibende konzentrierte Salzlösung als Zufuhr zum Betrieb der Bohrlochpumpenanordnung verwendet wird, welche mindestens eine Doppelkonuseinheit umfasst, z.B. wie in der WO-A-02/075 109 beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung werden zwei Bohrlochpumpen in Serie in das Bohrloch abgesenkt. Die erste Bohrlochpumpe dient zur Erhöhung des Volumenstroms zur zweiten Bohrlochpumpe, indem sie den Drucküberschuss in der Soleleitung aufnimmt. Die gesteigerte Zufuhr bei niedrigerem Druck treibt sodann die zweite Bohrlochpumpe an, welche proportional mehr Wasser an die Oberfläche zurückfördert.
Gemäss einem weiteren Aspekt ermöglicht die Erfindung nicht nur die Entsalzung von Bohrlochwasser, ohne sich um die Soleentsorgung kümmern zu müssen. Es werden auch Ausführungsformen vorgeschlagen, bei welchen Schadstoffe, einschliesslich toxischer Chemikalien, in einem kleinen Wasservolumen konzentriert werden, um ausserhalb des Systems chargenweise neutralisiert zu werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche zur Illustration dienen, ohne die Erfindung einzuschränken, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und worin:
1 ein Wasseraufbereitungssystem gemäss einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung zeigt;
2 bis 4 Abwandlungen des Systems gemäss 1 zeigen;
5 eine Ausführungsvariante vorliegender Erfindung zeigt; und
6 eine weitere Ausführungsform vorliegender Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbaren ein Wasseraufbereitungsverfahren und ein System zum Pumpen von Bohrlochwasser, das derart ausgebildet ist, dass die Freisetzung grosser Volumen von Sole in die Umgebung vermieden und der Energieverbrauch gesenkt wird.
Sie umfassen eine integrierte Entsalzungseinheit und Bohrlochpumpanordnung derart, dass die als Nebenprodukt des Entsalzungsverfahrens anfallende Sole als Zufuhr zur Bohrlochpumpenanordnung wirkt.
1 zeigt ein Wasseraufbereitungssystem 100 gemäss einer bevorzugten Ausführungsform vorliegender Erfindung. Das System 100 umfasst eine Bohrlochpumpanordnung 102, eine Entsalzungseinheit 104 und eine Soleleitung 106 für die Zuleitung einer Zufuhr von der Entsalzungseinheit 104 zur Bohrlochpumpenanordnung 102.
Die Bohrlochpumpenanordnung 102 dient dazu, Wasser aus dem Bohrloch zur Oberfläche zu fördern. Die Bohrlochpumpenanordnung 102 umfasst eine Bohrlochpumpe zum Fördern von Wasser aus dem Bohrloch und eine Austrittsleitung 108, die das aus dem Bohrloch geförderte Wasser führt. Typische Bohrlochpumpvorrichtungen sind Strahlpumpe, Kreiselpumpe, Tauchpumpe und Doppelkonusvorrichtung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Doppelkonus-Bohrlochpumpenanordnung, ein sogenannter Doppelkonus-Bohrloch-Druckverstärker (DC-WPPA) wie in der PCT-Patentanmeldung WO-A-02/075 109 beschrieben verwendet, um Wasser aus dem Bohrloch zu fördern. Für den Fachmann ist es klar, dass eine beliebige Bohrlochpumpenanordnung verwendet werden kann, um Wasser aus dem Bohrloch zu fördern. Das aus dem Bohrloch geförderte Wasser ist salzhaltig. Das salzhaltige Bohrlochwasser wird durch die Entsalzungseinheit 104 geleitet.
Unter einer Doppelkonusvorrichtung (DC) wird eine Doppelkonusvorrichtung verstanden, wie sie in den früheren Patentanmeldungen des Anmelders definiert wird, insbesondere in der PCT-Anmeldung WO-A-02/075 109 , welche hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Der DC-Bohrlochpumpen-Druckverstärker (DC-WPPA) 102 wird in das mit Salzwasser kontaminierte Bohrloch 103 abgesenkt. Der DC-WPPA 102, der von einer Hochdruck-Salzlösung angetrieben wird, saugt durch seinen Einlass 107 Bohrlochwasser 105 ein, das die Antriebs-Salzlösung wirksam verdünnt. Die verdünnte Lösung wird durch die Pumpwirkung des DC-WPPA 102 an die Oberfläche zurückgeführt.
Die Entsalzungseinheit 104 umfasst ein (Atmosphären-)Druck-Zwischenreservoir 110, eine Pumpanordnung 112 und eine Trenneinheit 114. Das Zwischenreservoir 110 speichert das mittels der Bohrlochpumpanordnung 102 geförderte salzhaltige Bohrlochwasser. Es ist mit einer Öffnung 115 zur Entfernung angesammelter Feststoffe und dergleichen versehen. Die Pumpanordnung 112 kann ein Hochdruck erzeugendes System sein. Sie drückt das salzhaltige Bohrlochwasser in die, Trenneinheit 114. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Pumpanordnung mit geschlossenem Kreislauf mit einer Doppelkonusvorrichtung 116 (wie in der PCT-Patentanmeldung WO-A-01/16493 des Anmelders beschrieben) und einer Zirkulationspumpe 118 verwendet. Die Zirkulationspumpe 118 ist eine in Strömungsrichtung nach der Doppelkonusvorrichtung 116 mit derselben verbundene Niederdruck-Pumpeneinheit. Dank der Anordnung in einem geschlossenen Kreislauf kann salzhaltiges Wasser unter Druck gesetzt und der Trenneinheit 114 sodann unter hohem Druck zugeführt werden. Die Entsalzungseinheit 104 ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Entsalzungseinheit auf der Basis einer Doppelkonusvorrichtung, vorzugsweise wie in der hiermit durch Bezugnahme aufgenommenen Patentanmeldung WO-A-01/16493 beschrieben.
Die Trenneinheit 114 ist ein Modul, das durch eine semipermeable Membran in zwei Volumen 114A und 114B aufgeteilt ist. Die semipermeable Membran lässt Wasser durch, während die im salzhaltigen Wasser enthaltenen Salze zurückgehalten werden. Folglich gelangt nur Süsswasser mit einem äusserst niedrigen Salzgehalt ins Volumen 114B. Die im Volumen 114A verbleibende Salzlösung wird durch Wasserverlust höher konzentriert. Entsalztes Wasser ist trinkbares Wasser, während die zurückbleibende Salzlösung (nachstehend als Sole bezeichnet) das Nebenprodukt ist.
Die Sole wird durch die Soleleitung 106 der Bohrlochpumpenanordnung 102 zugeführt. Die Soleleitung 106, welche wahlweise eine Vorpumpe 123 enthalten kann, kann irgend eine Fluid leitende Vorrichtung wie eine Rohrleitung sein, die die Sole zur Bohrlochpumpenanordnung 102 leitet. Die Sole dient als Zufuhr zum Betrieb der Bohrlochpumpenanordnung 102. Durch die Verwendung der Sole als Zufuhr kann das System 100 auch die in der Sole gespeicherte Energie verbrauchen, die sonst verloren wäre. Die Vorpumpe 123 kann auch bei sehr tiefen Bohrlöchern (>500 m) verwendet werden.
In einer Ausführungsvariante kann das Zwischenreservoir 110 auch noch ein Druckregelventil 124 aufweisen, um eine Zufuhr zur Pumpe 122 unter Druck zu ermöglichen, wodurch der Leistungsbedarf der Pumpe 122 gesenkt wird.
Weiter ist die Soleleitung 106 mit einem Auslass 127 versehen, um die Konzentration der Sole zu kontrollieren und zu regeln. Weiter ist ein Druckreduzierventil 126 vorhanden, um den Druck der Sole auf einen vom Auslass 127 festgelegten Wert zu senken. Die Soleleitung 106 ist mit dem Auslass 127 versehen, um die Konzentration der Sole zu kontrollieren und zu regeln. Wenn die Solekonzentration steigt, muss das Ventil 126 geöffnet werden und umgekehrt. Somit gestattet das Vorhandensein dieses Auslasses 127 die Überwachung des Salzgehalts der Sole und die anschliessende Regelung des Ventils 126.
Zusätzlich werden an verschiedenen Stellen innerhalb des Wasseraufbereitungssystems Zirkulationspumpen eingesetzt. Eine Zirkulationspumpe ist eine Niederdruckpumpe mit hohem Durchsatz. Insbesondere kann eine Zirkulationspumpe 120 zwischen der Trenneinheit 114 und der Pumpanordnung 112 angeordnet sein, um den Zufluss von Wasser zur Trenneinheit 114 weiter zu erleichtern. Gleichermassen kann eine Zirkulationspumpe 122 zwischen dem Zwischenreservoir 110 und der Pumpanordnung 112 angeordnet sein, um den Wasserfluss zur Pumpanordnung 112 zu erhöhen. Dem Fachmann dürfte es klar sein, dass mehrere Zirkulationspumpen vorgesehen sein können, um den Wasserfluss zu erhöhen. Zudem können verschiedenartige Zirkulationspumpen verwendet werden.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Vorpumpe ein zweiter DC-Druckverstärker DC-PA2 125 ist. Die aus der Trenneinheit 114 (vorzugsweise eine umgekehrte Osmoseeinheit [RO]) austretende Sole, die immer noch unter hohem Druck steht, passiert das Druckreduzierventil 126 und treibt den DC-PA2 125 an. Auf Grund der charakteristischen Arbeitsweise des Druckverstärkers wird durch die Leitung 129 Salzlösung aus dem Zwischenreservoir 110 in den DC-PA2 125 eingesaugt. Dieser Zustrom verdünnt den Hochdruck-Solestrom wirksam, wobei dessen Druck leicht gesenkt, jedoch das Durchflussvolumen erhöht wird. Mit diesem Hochdruck-Salzlösungsstrom wird der DC-WPPA 102 (die Bohrlochpumpe) angetrieben.
Dank dem DC-PA2 125 kann das ganze System während einer längeren Zeitdauer kontinuierlich betrieben werden, ohne dass der Salzgehalt zu schnell ansteigt. Wenn der Salzgehalt im System die praktikable Betriebsgrenze übersteigt, wird das Absperrventil 128 geschlossen, und die Salzlösung im System fliesst durch die Einlassöffnungen des DC-WPPA 102 zurück in das Bohrloch. Die Pumpe 118 braucht nicht abgestellt zu werden, die (wahlweise vorhandenen) Pumpen 120, 122 sollten jedoch gestoppt werden. Die dichtere Salzlösung aus dem System sinkt zum Grund des Bohrlochs 103 ab und sickert unten aus dem Bohrloch 103, wenn das Bohrloch 103 richtig konstruiert ist. Normalerweise erfolgt der Eintritt des Bohrlochwassers durch poröse Bohrloch-Liner in einem gewissen Abstand vom Sumpf (Grund) des Bohrlochs 103.
Dieses System gewährleistet, dass sich der Anwender nicht um anfallende Sole zu kümmern braucht und zugleich keine Gefahr läuft, das Bohrlochwasser ständig zu verunreinigen, da das zirkulierende Wasser mit erhöhtem Gehalt periodisch in das Bohrloch zurückgeführt wird, während die Bohrlochpumpe gestoppt ist. Bei laufendem System hat der Salzgehalt im System keinen Einfluss auf den Salzgehalt im Bohrloch.
In 3 ist ein ungefähr ähnliches Schema wie in 2 dargestellt. Der einzige Unterschied liegt darin, dass der DC-Hochdruckkreislauf 112 durch eine Hochdruckpumpe 130 ersetzt wird. Insbesondere ist die periodische Entleerung des Systems viel aufwendiger, da das Absperrventil 128 nicht geschlossen werden kann, ohne die Hochdruckpumpe 130 anzuhalten oder einen geeigneten Überbrückungskreislauf vorzusehen. Vom Standpunkt der Süsswasserproduktion gesehen ist das Endresultat von der Idee her das gleiche, indem nur Süsswasser erzeugt wird und sich der Endanwender nicht um die Soleentsorgung zu kümmern braucht.
Bedingt durch die Erfordernisse der Systemkomponenten, insbesondere der Hochdruckpumpe 130 und der RO-Einheit 114, sind ein Feinfilter 136, eine Bruch-Sicherheitsvorrichtung 138 und/oder ein Pulsationsdämpfer 140 um die Pumpe 139 herum angeordnet. Diese Vorrichtungen sind an sich bekannt und brauchen nicht im Einzelnen beschrieben zu werden. Der Feinfilter 136 ist in Strömungsrichtung vor der Hochdruckpumpe 130 angeordnet, die anderen zwei Vorrichtungen 138, 140 danach.
Das in 4 dargestellte Schema funktioniert sowohl mit einem DC-Hochdruckkreislauf als auch mit einer Hochdruckpumpe als Hochdruckgenerator 142. Der Unterschied zwischen 4 und den beiden vorangehenden Figuren besteht darin, dass anstelle der Membraninheit 114 eine spezifisch für die Entfernung von Schadstoffen wie Arsen, Nitrate usw. im Bohrlochwasser ausgewählte Separatoreinheit 132 eingesetzt wird. Dabei ist ein Auslass 134 vorgesehen, um die konzentrierten Verunreinigungen periodisch abzuführen.
Allgemein kann anstelle oder zusätzlich zum Druckreduzierventil 126 ein System zur Rückgewinnung der Druckenergie verwendet werden, beispielsweise wie die in der Einleitung erwähnten. Der Druck erzeugende Teil eines solchen Systems ist vor oder nach der letzten Druck erzeugenden Einheit (DC-PA 112) angeordnet, um den Druckunterschied zu verringern, den letztere erzeugen muss.
5 zeigt eine Ausführungsvariante vorliegender Erfindung, bei welcher eine zweite Trenneinheit verwendet wird. Das System 200 umfasst eine Entsalzungseinheit 202 und eine Bohrlochpumpanordnung 102. Das von der Bohrlochpumpanordnung geförderte Wasser wird im Zwischenreservoir 110 gespeichert. Das Wasser fliesst durch eine Trenneinheit 204 zur Pumpanordnung 112.
Die Trenneinheit 204 ist ein Modul, das durch eine semipermeable Membran in zwei Volumen 204A und 204B getrennt ist. Das Volumen 204A jenseits der Membran enthält Wasser. mit einem niedrigen Salzgehalt, während das Volumen 204B Sole enthält. Die Sole dient als Zufuhr für die Bohrlochpumpanordnung 102. Durch die Pumpanordnung 112 wird Wasser mit geringem Gehalt in die Trenneinheit 114 gepumpt. Die Trenneinheit 114 erzeugt entsalztes Wasser sowie Hochdrucksole. Die Hochdrucksole wird dem Volumen 204B zugeführt, wo der Restdruck verwendet wird, um eine verdünnte Salzlösung aus der Sole durch die Membran in das eintretende Bohrlochwasser im Volumen 204A einzubringen. Dieser Vorgang führt dazu, dass die Solekonzentration wesentlich erhöht und der Salzgehalt des eintretenden Bohrlochwassers verringert wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Bohrlochpumpen verwendet, um das aus dem Bohrloch förderbare Wasservolumen zu steigern. 6 zeigt ein Wasseraufbereitungssystem 300 mit einer solegespeisten Bohrlochpumpanordnung 302 und einer Entsalzungseinheit 304. Die Bohrlochpumpanordnung 302 umfasst eine Mehrzahl von Bohrlochpumpen. Insbesondere kann, wenn für das Bohrlochpumpen zwei Doppelkonusvorrichtungen verwendet werden, eine erste Doppelkonusvorrichtung 302A verwendet werden, um das verfügbare Wasservolumen für den Antrieb der zweiten Doppelkonusvorrichtung 302B für das Bohrlochpumpen zu steigern. Diese letztere Pumpe fördert das Wasser zur Oberfläche.
Die erste Pumpe 302A wandelt die Sole mit niedrigem Volumen und hohem Druck in eine Zufuhr mit niedrigerem Druck und höherem Volumen um, mit der die Bohrlochpumpe 302B angetrieben werden kann. Der Förderdruck der Sole kann beispielsweise in der Grössenordnung von 60 bar liegen, während der Druck, der benötigt wird, um das Wasser zur Oberfläche zu pumpen, ungefähr 20 bar beträgt. Somit können die übrigen 40 bar verwendet werden, um das Volumen der verfügbaren, für den Betrieb der Pumpe 302B notwendigen Zufuhr zu erhöhen.
Mit dieser Technik, bei der zwei Bohrlochpumpen in Serie verwendet werden, kann im Vergleich mit bestehenden Systemen fast das doppelte Produktvolumen an Süsswasser pro Einheit zugeführter Energie erzeugt werden.
Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass Abwandlungen, die zum System 100 beschrieben wurden, auch auf das Wasseraufbereitungssystem 300 anwendbar sind. Weiter können andere Bohrlochpumpvorrichtungen als die Doppelkonusvorrichtung für das Bohrlochpumpen verwendet werden, um das aus dem Bohrloch geförderte Wasservolumen zu steigern.
Bei der vorliegenden Erfindung wird Sole innerhalb des Systems verwendet. Somit wird die Sole nicht in der Umgebung freigesetzt, und eine Verschmutzung wird vermieden. Weiter wird die in der Soleleitung gespeicherte Energie zurückgewonnen, wodurch sich ein gesenkter Energieverbrauch ergibt.
Sämtliche oben beschriebenen Systeme eignen sich für die Wassererzeugung in Trockengebieten mit knappen Wasservorkommen und tief liegendem Grundwasserspiegel.
Weiterhin sind sie geeignet, alternativ oder zusätzlich andere störende oder toxische Komponenten zu beseitigen. Dabei wird unter salzigem Wasser in der gesamten Beschreibung allgemein Wasser mit störenden Beimischungen verstanden.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es klar, dass die Erfindung nicht nur auf diese Ausführungsformen beschränkt ist. Zahlreiche Abwandlungen, Änderungen, Variationen, Ersatz- und gleichwertige Ausführungen sind für den Fachmann ersichtlich, ohne den in den Ansprüchen beschriebenen Erfindungsgedanken und Umfang derselben zu verlassen.
GLOSSAR

DC: [double-cone] Doppelkonus (-vorrichtung), vgl. WO-A-87/01770 , WO-A-01/16493 , WO-A-02/075109 .
DC-WPPA: [double-cone-well pump Pressure amplifier] DC-Bohrlochpumpen-Druckverstärker
PA: [Pressure amplifier] Druckverstärker
RO: [reverse osmosis] umgekehrte Osmose

Claims

Wasseraufbereitungssystem (100), umfassend: a. eine Bohrlochpumpenanordnung (102) zum Fördern von verunreinigtem, insbesondere salzhaltigem Wasser aus einem Bohrloch; wobei die Bohrlochpumpenanordnung mindestens eine Doppelkonusvorrichtung beinhaltet und die Doppelkonusvorrichtung einen Einlass aufweist, bei welchem im Betrieb Material eingesaugt wird; b. eine Reinigungseinheit (104) zur Trennung des verunreinigten Wassers in gereinigtes Wasser und Sole, wobei die Reinigungseinheit weiterhin beinhaltet: i. ein Zwischenreservoir (110) zum Speichern des verunreinigten Wassers; ii. eine Pumpanordnung (112), um das vom Zwischenreservoir kommende verunreinigte Wasser unter Druck zu setzen; und iii. eine Trenneinheit (114) zur Trennung des unter Druck stehenden verunreinigten Wassers in gereinigtes Wasser und Sole; c. eine Leitung (106) für Sole, um die Sole von der Trenneinheit zur Bohrlochpumpenanordnung zu leiten; so dass Sole aus dem Einlass der Doppelkonusvorrichtung ausfliessen und im Bohrloch absinken kann und die Freisetzung von Sole in die Umwelt vermieden wird, und dass die Sole als Zufuhr für die Doppelkonusvorrichtung wiederverwendbar ist, um die darin gespeicherte Energie wieder zu verwenden.
System nach Anspruch 1, wobei die Bohrlochpumpenanordnung zum Fördern von Salzwasser aus einem Bohrloch beinhaltet: a. eine erste Doppelkonusvorrichtung (302A) zur Umwandlung einer Solezufuhr mit niedrigem Durchsatz und hohem Druck in eine Zufuhr mit niedrigerem Druck und höherem Volumen unter Verwendung des verfügbaren Bohrlochwassers; und b. mindestens eine zweite Doppelkonusvorrichtung (302B), um die gesteigerte Zufuhr zu benützen, um noch mehr Wasser aus dem Bohrloch zur Oberfläche zu fördern; wodurch die Bohrlochpumpenanordnung das aus einem Bohrloch förderbare Wasservolumen steigert.
System nach Anspruch 1, wobei die Pumpanordnung, mittels welcher das verunreinigte Wasser unter Druck gesetzt wird, ein geschlossener Kreislauf ist, mit: a. einer Doppelkonusvorrichtung (116), um das vom Zwischenreservoir (110) kommende verunreinigte Wasser unter Druck zu setzen; und b. einer Zirkulationspumpe (122), die am Einlass der Doppelkonusvorrichtung angeschlossen ist, um den Durchfluss des verunreinigten Wassers im geschlossenen Kreislauf zu verbessern.
System nach Anspruch 3, weiter beinhaltend eine zweite Trenneinheit (204), die den Druck der Sole verwendet, um Wasser aus dem Zwischenreservoir (110) zu verdünnen, und so verunreinigtes Wasser mit einer niedrigeren Konzentration und konzentriertere Sole liefert, wobei die konzentriertere Sole als Zufuhr für die Bohrlochpumpenanordnung verwendet wird und das verunreinigte Wasser mit der niedrigeren Konzentration zum geschlossenen Kreislauf der Pumpanordnung fliesst.
System nach Anspruch 1, weiter beinhaltend eine Zirkulationspumpe (121) zur Erhöhung der Durchflussmenge an Salzwasser vom Zwischenreservoir zur Pumpanordnung (112).
System nach Anspruch 1, weiter beinhaltend eine Zirkulationspumpe (120) zur Erhöhung des Drucks zwischen dem Auslass der Pumpanordnung und der Trenneinheit (114).
System nach Anspruch 1, weiter beinhaltend ein oder mehrere am Zwischenreservoir (110) angebrachte(s) Druckregulierventil(e) (124), um den Zufuhrdruck zum Hochdruckpumpsystem zu steigern.
Verfahren zur Integration einer Reinigungseinheit (104) und einer Bohrlochpumpenanordnung (102; 302) zur Gewinnung von Süsswasser, wobei das Verfahren folgende Schritte beinhaltet: a. Fördern von verunreinigtem Wasser aus einem Bohrloch (103) mittels der Bohrlochpumpenanordnung; b. Durchleiten des verunreinigten, insbesondere salzhaltigen Wassers, durch die Entsalzungseinheit, um Süsswasser und Sole zu gewinnen; c. Verwendung der Sole als Zufuhr zum Betrieb der Bohrlochpumpenanordnung; und d. Stoppen des Soleflusses durch die Bohrlochpumpe, wenn der Gehalt der Verunreinigung in der Sole, insbesondere der Salzgehalt, eine vorbestimmte Grenze übersteigt, so dass Sole aus der Bohrlochpumpe in das Bohrloch austritt, um die Freisetzung von Sole in die Umwelt zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt der Verwendung der Sole als Zufuhr zum Betrieb der Bohrlochpumpenanordnung (102; 302) weiter den Schritt der Verdünnung der Sole mit Bohrlochwasser beinhaltet, um den Anstieg des Salzgehalts zu verlangsamen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Förderns von verunreinigtem Wasser aus dem Bohrloch (103) mittels der Bohrlochpumpenanordnung (102; 302) weiterhin den Schritt der Umwandlung eines verunreinigten Wasserflusses mit niedrigem Volumen in einen verunreinigten Wasserfluss mit höherem Volumen durch Zumischen von Wasser (105) aus dem Bohrloch beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in der Bohrlochpumpe mindestens eine Doppelkonuseinheit (102; 302A, 302B) zur Anwendung kommt, welche Doppelkonuseinheit mit dem verunreinigten Wasser als Arbeitsfluid betrieben wird und Bohrlochwasser (103) ansaugt.