DE9301688U1 - Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser - Google Patents

Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser

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Description

Dipl. Ing. Helmut Kückens Kurfürstenallee
Prof. Dr. rer. nat. Wolfram Thiemann 2800 Bremen 1
Dipl. Chem. Thomas Viehweg
Dipl. Oek. Ronald Jurgeleit
Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser durch Druckpermeation und Bestrahlung.
Zur Aufbereitung von Wasser (Rohwasser), insbesondere zu Zwecken der Trinkwasserversorgung ist es bekannt. Schadstoffe wie z.B. Pestizide, PAK's und andere organische Verbindungen durch Adsorption mit Aktivkohlepulver zu entfernen. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß andere Wasserinhaltsstoffe (hauptsächlich Huminstoffe) mit den Schadstoffen um die Adsorptionsplatze konkurrieren und die Kapazität der Aktivkohlefilter relativ schnell erschöpft ist. Bis zu 99% aller Adsorptionsplatze werden dabei von Huminstoffen besetzt. Ferner ist auf diese Weise nur die
Entfernung unpolarer bis wenig polarer Substanzen möglich, wahrend polare Verbindungen im Wasser bleiben. Nachteilig ist weiterhin der große Aufwand.
Um z.B. 1 kg Atrazin aus Wasser, das mit 0,1 yg/l Atrazin belastet ist, zu entfernen, sind 100 Tonnen Aktivkohle erforderlich. Die kontaminierte Aktivkohle muß wiederum entsorgt (Deponie) oder durch Pyrolyse aufgearbeitet werden. Bei der Pyrolyse können möglicherweise Schadstoffe in die Atmosphäre gelangen.
Weiterhin ist es bekannt, mit Schadstoffen belastetes Wasser durch Bestrahlung mit geeigneten Lichtquellen und ggf. dem Zusatz von Hilfsstoffen zu behandeln. Als Strahlungsquellen werden dabei Quecksilber-UV-Niederdruck- bzw. Hochdruckstrahler und Xenon-Lampen, als Hilfsstoffe u.a. Wasserstoffperoxid, Ozon, Fenton's Reagenz und Titandioxid verwendet. Diese Zusatzstoffe können unter Umständen die Effektivität der Reinigung erhöhen. Eine UV-Behandlung des Wassers dient insbesondere zur Desinfektion. Die Inaktivierung der Keime wird dabei im wesentlichen durch eine photochemische Reaktion (Zerstörung von Wasserstoff-Brückenbindungen und Bildung von Thymin-Dimeren) an den Nukleinsäuren (DNS) der Keime ausgelöst, wodurch ihr Replikations- und InformationsZentrum zerstört wird.
Aus der DE-OS 40 08 458 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser bekannt, bei dem/der das in einer Pilterstrecke vorgereinigte Rohwasser unter Aufbau einer transmembranen Druckdifferenz einem Umkehr-Osmose-Modul zugeleitet wird. Das bei der Umkehr-Osmose anfallende Permeat (gereinigtes Wasser) wird über eine UV-Entkeimungsetrecke in einen drucklosen Speicher-behälter geleitet. Vor der Entnahme des Wassers wird das in einem Speicherbehälter enthaltene Reinwasser erneut über die UV-
Entkeimungsstrecke geführt, so daß eine sichere Entkeimung auch dann gewährleistet ist, wenn das Wasser längere Zeit im Speicherbehälter stand. Das bei der Umkehr-Osmose entstehende Konzentrat (Verunreinigungen) wird einer weiteren Entsorgung zugeführt.
Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die Anlage relativ aufwendig ist und einen stationären Aufbau erfordert, so daß sie für eine Anwendung, z.B. in der dritten Welt, wo das durch zentrale Vesorgungsleitungen angebotene "Trinkwasser· im allgemeinen nur unzureichend gereinigt ist und somit ein erheblicher Bedarf für zusätzliche Aufbereitungsanlagen besteht, nur eingeschränkt möglich ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser durch Druckpermeation und Bestrahlung anzugeben, die dezentral und mobil einsetzbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß eine erste Einrichtung zur Druckpermeation vorgesehen ist, der das aufzubereitende Wasser (Rohwasser) zugeführt wird und die in einem Behälter angeordnet ist, in den das sich bildende Permeat eintritt und gesammelt wird, wobei in dem Behälter weiterhin mindestens eine zweite Einrichtung zur Bestrahlung des Permeate vorgesehen ist.
Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die Vorrichtung sehr klein und kompakt aufgebaut werden kann, so daß sie mobil und transportabel ist und ohne großen Installationsaufwand an verschiedenen Orten einsetzbar ist. Die Vorrichtung ist weitgehend wartungsfrei und erfordert zu ihrem Einbau und zu ihrer Bedienung kein Fachpersonal. Durch
den Einsatz einer Einrichtung zur Druckpermeation ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß keine geschmack-liehen Veränderungen des Trinkwassers hervorgerufen werden, da nicht wie bei der Umkehr-Osmose alle Inhaltsstoffe, sondern bei der Auswahl geeigneter Membranen nur die die Trinkwasser-Qualität beeinträchtigenden Schadstoffe ent-fernt werden.
Der Behalter ist vorzugsweise geschlossen, weist einen Einlaß auf, über den das Rohwasser der ersten Einrichtung zugeführt wird und ist mit einem ersten Auslaß zur Entnahme des bestrahlten Permeats (aufbereitetes Wasser) aus dem Behälter sowie einem zweiten Auslaß zur Entnahme des Konzentrats aus der ersten Einrichtung versehen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das über den zweiten Auslaß entnommene Konzentrat mit Hilfe von Ionenaustauschern und/oder Filtereinheiten aufbereitet und anschließend mit dem Rohwasser dem ersten Einlaß wieder zugeführt. Durch diese Maßnahme wird die Effektivität der Vorrichtung wesentlich erhöht und zusätzlich Wasser eingespart.
Zur Integration der Vorrichtung in bestehende Leitungssysteme ist es vorteilhaft, den Behälter und somit auch die erste Einrichtung zylindrisch auszubilden und beide im wesentlichen koaxial zueinander anzuordnen. Der Zylindermantel der ersten Einrichtung weist dabei vorzugsweise eine Membran auf.
Die zweite Einrichtung ist vorzugsweise ein UV-Strahler, dessen Spektralbereich zwischen &lgr; = 230 nm und &lgr; = 290 mn liegt. Dadurch wird eine besonders wirkungsvolle Keimtötung erzielt, da das Absorptionsspektrum der DNS und dae
Keimcotungs-wirkungsspektrum ein besonders breites Absorptionsmaximum bei &lgr; = 260 nm aufweist.
Das Permeat wird vorzugsweise mit einer Mindestdosis von D=25 mJ/cm^ (= 250 W*s*m~2) bestrahlt, da auf diese Weise eine besonders sichere Desinfektion erreicht wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Funktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
und
Fig. 3 eine Prinzipschaltbild der Funktion einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Prinzipschaltbild wird das aufzubereitende Wasser (Rohwasser) über einen Anschluß 19 der Vorrichtung zugeführt. Bei dem Rohwasser handelt es sich vorrangig um gering bis mäßig belastetes Wasser, welches entweder über ein grobes Vorfilter geführt wurde oder z.B. als ■Trinkwasser' in der dritten Welt durch zentrale Versorgungsleitungen zur Verfügung gestellt wird und nicht den strengen Anforderungen z.B. der Deutschen Trinkwaeserverordnung vom 12.12.1990 entspricht.
Das Rohwasser wird über eine erste Pumpe 11 geführt und gelangt über ein erstes Ventil 13 in eine erste Einrichtung 1 zur Druckpermeation.
Die Druckpermeation dient zur Entfernung von Schadstoffen und Schwermetallen aus dem Wasser. Je nach Art und Beschaffenheit der Membran unterscheidet man zwischen Mikro-, Ultra- und Nanofiltration sowie Umkehr-Osmose. Bei der Nanofiltration werden bereits kleine Moleküle und Schwermetalle entfernt, bei der Umkehr-Osmose werden nahezu alle Wasserinhaltsstoffe ausgefiltert. Diese Verfahren unterscheiden sich durch die Art der Membranen und damit auch durch ihre Filterwirkung. Der Porendurchmesser der Membran ist der bestimmende Faktor bei der Abtrennung von Schadstoffen. Durch Austausch der Membran im Druckpermeations-Modul kann die Vorrichtung auf einfache Weise unterschiedlichen Wässern mit unterschiedlichen Schadstoffgehalten angepaßt werden. Die Vorrichtung ist somit vielseitig anwendbar. Unterschiedliche Anwendungen können durch Wechseln der Membran erfolgen. Wird die Vorrichtung z.B. zur Aufbereitung von sehr gering belastetem Trinkwasser benutzt, so kann die Vorrichtung durch Einsetzen anderer Membranen auch stärker belastetes Wasser reinigen. Die Wahl der Membran hängt also von der Qualität des aufzubereitenden Wassers und der gewünschten Reinheit ab. Bei der Druckpermeation entsteht zum einem sogenanntes Permeat 6, welches das gereinigte Wasser darstellt und zum anderen ein Konzentrat 7, welches in konzentrierter Form die zu entfernenden Stoffe enthält. Das Permeat wird
gegebenenfalls über einen ersten Meßfühler 12 - einer zweiten Einrichtung 2 zur Bestrahlung zugeführt. In dieser zweiten Einrichtung wird das Trinkwasser entsprechend den Vorschriften weitgehend keimfrei gemacht. Der Grenzwert der deutschen Trinkwasserverordnung vom 12.12.90 beträgt z.B. für coliforme Keime 1 Keim/100 ml H2O und für E. coli 1 Keim/100
ml H2O. Der Richtwert für die Gesamt-Koloniezahl betragt bei 20 0C und 36 0C 100 Kolonien pro ml H2O. Die Einhaltung dieser Grenzwerte ist insbesondere durch UV-Bestrahlung relativ leicht zu erreichen. Wie eingangs bereits erwähnt wurde, wird die Inaktivierung der Keime mit UV-Strahlen im wesentlichen durch eine photochemisehe Reaktion an den Nukleinsäuren der Keime ausgelöst. Das Absorptionsspektrum der DNS und das Keimtötungs-Wirkungsspektrum sind durch breite Absorptions-maxima bei einer Wellenlänge von 260 nm charakterisiert. Folglich eignen sich zur Inaktivierung solche Strahler, die im Spektralbereich zwischen &lgr;=230 nm und &lgr;=290 nm emittieren. Besonders geeignet ist dabei ein Quecksilber-Niederdruckstrahler, dessen Resonanzlinie bei &lgr; =253,7 nm liegt, wobei die relative Bestrahlungsstärke bei dieser Wellenlänge bei ca. 100% liegt. Die photochemischen Reaktionen laufen innerhalb von Sekundenbruchteilen ab, wobei die Effektivität nur von von der Bestrahlungsstärke abhängig ist. Es hat sich herausgestellt, daß zur Erzielung einer sicheren Desinfektion das Permeat mit einer Mindestdosis von D=25 mJ/cn? (= 250 W-s*m~2) zu bestrahlen ist.
Von großer Bedeutung für die Strahlungsdosis ist die Qualität des Permeates. Die Bestrahlungsstärke und die Schichtdicke, innerhalb der die Bestrahlungsstärke auf 10% abgesunken ist (=Eindringtiefe) nehmen mit geringer werdendem Transmissionsgrad des Permeates stark ab. In optisch klarem Wasser können Stoffe (vor allem organische Verbindungen) einen Teil der UV-Strahlung absorbieren und die Bestrahlungsstärke herabsetzen. Huminstoffe haben ebenfalls einen großen Einfluß auf den Transmissionsgrad, da sie einen Teil der UV-Strahlung absorbieren. Ahnliches gilt für Eisen- und Manganverbindungen, während im Wasser suspendierte Teilchen nur zum Teil die UV-Strahlung absorbieren und ein
wesentlicher Anteil an den Partikeln gestreut wird, so daß dieser zur Desinfektion zur Verfügung steht.
Da somit die Einstellung der Strahlendosis kritisch ist, ist die zweite Einrichtung 2 vorzugsweise mit einem integrierten Aktinometer versehen, mit dem die tatsachliche Strahlungsstarke gemessen und gegebenenfalls eingestellt wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, auch den Transmissionsgrad und den pH-Wert des Permeats zu messen, so daß die Vorrichtung nicht nur im Hinblick auf die Reinigungswirkung, sondern auch bezüglich des Energieverbrauches optimierbar ist.
Schließlich ist an der zweiten Einrichtung 2 ein Anschluß 20 vorgesehen, dem das über einen zweiten Meßfühler 18 geführte Trinkwasser entnommen wird.
Zur Steigerung der Effektivität der Anlage sowie zur Verringerung des Wasserdurchsatzes ist es vorteilhaft, das in der ersten Einrichtung 1 gesammelte Konzentrat 7 mehrfach durch diese Vorrichtung zu führen. Zu diesem Zweck ist eine Rückleitung 23 vorgesehen, die das Konzentrat aus der ersten Einrichtung 1 über eine zweite Pumpe 14 dem ersten Ventil 13 am Eingang der ersten Einrichtung zuführt. Das rückgeführte Konzentrat wird vorzugsweise über einen Ionenaustauscher 9 und/oder andere Filtereinheiten geführt und aufbereitet. Der Ionenaustauscher 9 wird mittels einer Regenerationslösung 10 regeneriert, wobei dieser Vorgang durch ein drittes Ventil 16 gesteuert wird. Gegebenenfalls kann auch ein Entsorgungsbehälter 24 vorgesehen sein, der an den Ionenaustauscher angeschlossen ist und bei Bedarf entleert oder entfernt werden kann.
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Rohwasser wird über den Anschluß 19 der Vorrichtung zugeführt. Es gelangt über die erste Pumpe 11, einen dritten Meßfühler 21 und das Ventil 13 zu einem Einlaß 4 der ersten Einrichtung 1 zur Druckpermeation. Die erste Einrichtung ist zylindrisch geformt, wobei ihre Zylinderwand durch die mit einem Stützmaterial versehene Membran gebildet ist. Die Zuführung des Rohwassers erfolgt stirnseitig durch den Einlaß 4 in das Innere der zylindrischen ersten Einrichtung 1.
Die erste Einrichtung 1 befindet sich in einem Behalter 3, der ebenfalls im wesentlichen zylindrisch ist und zur Aufnahme des aus der ersten Einrichtung 1 austretenden Permeats dient. Der Behälter 3 weist ferner die zweiten Einrichtungen 2 zur Bestrahlung auf, die sich in axialer Richtung längs erstrecken und im wesentlichen entlang des Umfanges des Behälters verteilt sind.
Am Behälter 3 ist weiterhin ein erster Auslaß 5 vorgesehen, über den das aufbereitete Wasser entnommen und über den zweiten Meßfühler 18 geführt wird.
Im Bodenbereich des Behälters 3 ist ferner ein zweiter Auslaß 8 vorgesehen, der im Bereich einer stirnseitigen öffnung der bis zum Boden reichenden ersten Einrichtung 1 liegt und zur Abführung des sich in der ersten Einrichtung sammelnden Konzentrats 7 dient. Das Konzentrat wird über eine zweite Pumpe 14 abgesaugt und über die Rückleitung 23, in die der Ionenaustauscher 9 und/oder andere Filtereinheiten geschaltet sind, zu dem ersten Ventil 13 zurückgeführt.
Bei dieser Aus f ührungs form wird also das in der ersten Einrichtung angefallene Konzentrat in einem Kreislauf
aufbereitet und dann der ersten Einrichtung erneut zugeführt. Da bei bei der Druckpermeation im allgemeinen nur Ausbeuten von 45 bis 80% zu erreichen sind, kann auf diese Weise die Effektivität der Aufbereitung erhöht und zusätzlich Wasser eingespart werden. Überschreitet das Konzentrat eine bestimmte Konzentration, so kann es über ein zweites Ventil 15 aus dem Kreislauf entfernt und der Entsorgung zugeführt werden. Das dritte Ventil 16 dient, zusammen mit einer dritten Pumpe 17 zur Förderung der Regenerationslösung 10 in den Ionenaustauscher 9. Mit einem vierten Meßfühler 22 wird die Reinigungswirkung des Ionenaustauschers und/oder der anderen Filtereinheiten überwacht.
Das zugeführte Rohwasser sowie das rückgeführte Konzentrat gelangen über den Einlaß 4 in das Innere der ersten Einrichtung 1. Der für die Druckpermeation erforderliche Druck wird durch die erste Pumpe 11 ausgeübt, so daß das gereinigte Wasser durch die Membran hindurchtritt und sich in dem Behälter 3 sammelt. Die Verunreinigungen verbleiben im Inneren der ersten Einrichtung und werden über den zweiten Auslaß 8 aus dieser entfernt. Das Permeat wird duch die innerhalb des Behälters angeordneten zweiten Einrichtung bestrahlt und über den ersten Auslaß 5 und den zweiten Meßfühler 18 der Trinkwasserversorgung zugeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist selbstverständlich auch zur Reinigung anderer Flüssigkeiten, z.B. bei der chemischen Produktion verwendbar, wobei in Abhängigkeit von den zu trennenden Molekülgrößen und der geforderten Reinheit unterschiedliche Membranen und UV-Strahler sowie verschiedene Filter und Ionenaustauscher eingesetzt werden können.
Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der Funktion einer modifizierten zweiten Ausführungsform der Erfindung. Bei
dieser Ausführungsform kann insbesondere das bei der Druckpermeation erhaltene Konzentrat über das Ventil V4 entweder durch den Ionenaustauscher aufbereitet und nach Mischung mit dem zugeführten Rohwasser über das Ventil V3 der Vorrichtung erneut zugeführt werden, oder es kann ohne Aufbereitung als Brauchwasser verwendet werden. Ist dabei der Schadstoff gehalt des Konzentrats zu hoch bzw. der Brauchwasser-Bedarf zu hoch, so kann dem Konzentrat über das Ventil V5 Rohwasser zugemischt werden, um einerseits die Schadstoffkonzentration des Konzentrats zu verringern und andererseits den Brauchwasser-Bedarf zu decken.
Die Funktion der einzelnen Pumpen Pl bis P7, der Meßfühler Ml bis M6 und der Ventile Vl bis V7 ergibt sich wie folgt:
Pl: Pumpt die Aktinometer-Lösung in den Reaktionsraum des
umschlossenen UV-Strahlers
P2: Pumpt den Reaktionsraum des umschlossenen UV-Strahlers leer
P3: Pumpt das Konzentrat der Druckpermeationseinheit zum
Ionenaustauscher
P4: Pumpt die Regenerationslösung zum Ionenaustauscher
Ml: Meßfühler für das Rohwasser. Mißt die Leitfähigkeit, den pH-Wert und den Durchfluß. Diese Werte werden mit den
Werten des Meßfühlers M2 verglichen.
M2: Meßfühler für das Trinkwasser (siehe Ml)
M3: Mißt 1. den pH-Wert des erhaltenen Permeats oder 2. den pH-Wert bei der Aktinometrie
M4: Meßfühler zur Kontrolle des Permeats. Wenn die Leitfähigkeit einen bestirnten Wert überschreitet bzw. der
Durchfluß einen bestimmten Wert unterschreitet, wird das Gerat abgeschaltet.
M5: Mißt die Leitfähigkeit, den Durchfluß und den pH-Wert des erhaltenen Konzentrats
M6: Mißt die Leitfähigkeit des Konzentrats nach Durchlaufen des Ionenaustauschers
Vl: Regelt den Zulauf des Permeats bzw. der Aktinometer-Lösung in den Reaktionsraum des umschlossenen UV-Strahlers
V2: Regelt die Entsorgung der verbrauchten Aktinometer-Lösung, bei normalen Betrieb (V2 Stellung 2-3) wird das Permeat, das im umschlossenen UV-Strahler aufbereitet wird, als Brauchwasser verwendet
V3: Regelt den Zulauf des Rohwassers zur Druckpermeationseinheit bzw. die Rückführung des aufbereiteten Konzentrats in die Druckpermeationseinheit
V4: Regelt die Verwendung des Konzentrats: 1. Aufbereitung
durch den Ionenaustauscher und 2. unbehandelt als Brauchwasser
V5: Regelt das Verhältnis von Rohwasser zu Konzentrat(als Brauchwasser) (optional)
V6: Notwendig für die Regeneration des Ionenaustauschers V7: Wie V6

Claims (7)

Schut zansprüche
1. Vorrichtung zur Aufbereitung von Wasser durch Druckpermeation und Bestrahlung,
dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Einrichtung (1) zur Druckpermeation vorgesehen ist, der das aufzubereitende Wasser (Rohwasser) zugeführt wird und die in einem Behälter (3) angeordnet ist, in den das Permeat (6) eintritt, wobei in dem Behälter (3) weiterhin mindestens eine zweite Einrichtung (2) zur Bestrahlung des Permeate (6) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) geschlossen ist, einen Einlaß (4) zur Zuführung des Rohwassers zu der ersten Einrichtung (1), einen ersten Auslaß (5) zur Entnahme des aufbereiteten Wassers und einen zweiten Auslaß (8) zur Entnahme des in der ersten Einrichtung (1) anfallenden Konzentrats (7) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine an den zweiten Auslaß (8) angeschlossene Rückführung (23) mit einem Ionenaustauscher (9) und/oder anderen Filtereinheiten zur Aufbereitung und Rückführung des angefallenen Permeates zu dem Einlaß (4).
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (3) und die erste Einrichtung (1) zylindrisch ausgebildet und koaxial zueinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel der ersten Einrichtung (1) eine Membran aufweist.
6. Vorrichtung nach mindesten einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung ein UV-Strahler ist, der in einem Spektralbereich von etwa &lgr;=230 nm bis &lgr;=290 nm emittiert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der UV-Strahler mit einer Mindestdosis von D= 25 mJ· cm~2 (= 250 Ws-m~2) strahlt.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996001790A1 (de) * 1994-07-09 1996-01-25 Schrott, Harald Gerät zur trinkwasseraufbereitung zum ortsveränderlichen einsatz
WO2007125490A1 (en) * 2006-05-01 2007-11-08 Koninklijke Philips Electronics N.V. Autonomously functioning water purification device
DE102013214981A1 (de) * 2013-07-31 2015-02-05 Krones Ag Verfahren und Vorrichtung zur wertstofforientierten Wasseraufbereitung für Minen

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