DE102022115962A1

DE102022115962A1 - Verfahren und Anlage zur Aufarbeitung von Wasser

Info

Publication number: DE102022115962A1
Application number: DE102022115962.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Kühlwein
Original assignee: Tec Austria GmbH
Current assignee: Tec Austria GmbH
Priority date: 2022-06-27
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2024003696A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Behandlung von Wasser, umfassend:- einen Zulauf zum Zuführen des zu behandelnden Wassers,- einen sich an den Zulauf anschließende Sedimientierungseinrichtung zur Sedimentierung von Schwebstoffen aus dem zu behandelnden Wasser wobei die Sedimentierungseinrichtung zumindest- einen Anreicherungspfad zum Anreichern des zu behandelnden Wassers mit einem Koagulanten und- einen sich an den Anreicherungspfad anschließenden Regulierungspfad zum Einbringen eines den pH-Wert des Wassers einstellenden Regulierungsmittels aufweist, und- eine sich an die Sedimentierungseinrichtung anschließende Filtereinrichtung mit einem Filtermedium, das in einer Richtung winklig zur Fließrichtung des zu behandelnden Wassers durch die Filtereinrichtung beweglich angetrieben gelagert ist, und- eine sich an die Filtereinrichtung anschließende Umkehrosmoseeinrichtung zur weitergehenden Filterung des Wassers sowie ein Verfahren zur Aufarbeitung von Wasser in der Vorrichtung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von Wasser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welches insbesondere kompakte Anlage für Ein- oder Mehrfamilienhäuser, Kleinbetriebe, Hochhäuser und dergleichen ausgebildet ist.
Eine mehrstufige Wasseraufarbeitung in der Sedimentierungseinrichtung kann sowohl die Verminderung und/oder Entfernung an Härtebildnern, insbesondere von Calciumionen, ermöglichen, als auch zu einer Verminderung von TOC (gesamter organischer Kohlenstoff) in Trinkwasser führen. Dieses zweistufige Vorgehen ist zwar bekannt allerdings bei der Wasseraufarbeitung nicht die Standardvorgehensweise und normalerweise widersprüchlich, da die TOC-Reduzierung durch einen geringen pH-Wert typischerweise zwischen 4,0-7,3 erreicht wird und die Reduzierung an Härtebildnern typischerweise bei höheren pH-Werten zwischen 9,5-11,5 erreicht werden kann. Die Anwesenheit von TOC's wirkt zudem als Inhibitor beim Ausfällen von Calcium.
Bei Ausführen dieses speziellen Verfahrens werden typischerweise umfangreiche Folgeschritte benötigt, welche die Dimensionierung der Anlage nahezu ungeeignet für den Einsatz von 50 EW's (Einwohnerwerte) - 1000 EW's macht. Derartige Angaben werden u.a. zur Spezifizierung von Kleinkläranlagen, gemäß DIN EN 12566 (A1-Fassung aus 2003) und DWA-A 222 genutzt.
Hier werden typischerweise für die Aufarbeitung von Haushaltsabwässer Fettabscheider und/oder Kleinkläranlagen eingesetzt, welche für diese Art von Abwässern ein zufriedenstellendes Ergebnis liefern.
Anders sieht es im Anwendungsfeld der Systemgastronomie aus, in welchem die Schmutzfracht pro Kubikmeter Wasser wesentlich höher ist als bei herkömmlichen Haushaltsabwässern. Hier stoßen Kleinkläranlagen und/oder Fettabscheider an ihre Grenzen. Zugleich gibt es seitens der Abwasserentsorgungseinrichtungen oder Kanalbetreiber Vorgaben für eine maximale Schmutzlast auch für diese Art der Abwässer.
Wasseraufbereitungsanlagen für dieses Einsatzgebiet sind kaum bekannt, insbesondere im Anwendungsfall der Systemgastronomie liegen Problemstellungen wie ein geringer Bauraumbedarf als auch eine geringe Zahl an Wartungszyklen im Fokus, welche durch Aufbereitungsanlagen vor Ort bislang nur unzureichend gelöst wurden.
Ausgehend von dieser Vorbetrachtung ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anlage zur Wasseraufarbeitung für Abwässer mit hoher Schmutzfracht bereitzustellen, welche sich durch einen kompakten Aufbau und durch einen nahezu wartungsfreien Betrieb bei möglichst hoher Reinigungseffizienz auszeichnet.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1,
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung von Wasser, umfasst

- einen Zulauf zum Zuführen des zu behandelnden Wassers,
- einen sich an den Zulauf anschließende Sedimientierungseinrichtung zur Sedimentierung von Schwebstoffen aus dem zu behandelnden Wasser wobei die Sedimentierungseinrichtung zumindest
- einen Anreicherungspfad zum Anreichern des zu behandelnden Wassers mit einem Koagulanten und
- einen sich an den Anreicherungspfad anschließenden Regulierungspfad zum Einbringen eines den pH-Wert des Wassers einstellenden Regulierungsmittels aufweist, und
- eine sich an die Sedimentierungseinrichtung anschließende Filtereinrichtung mit einem Filtermedium, das in einer Richtung winklig zur Fließrichtung des zu behandelnden Wassers durch die Filtereinrichtung beweglich angetrieben gelagert ist, und
- eine sich an die Filtereinrichtung anschließende Umkehrosmoseeinrichtung zur weitergehenden Filterung des Wassers.

Bereits die Sedimentierungseinrichtung zeichnet sich durch einen hohen Reinigungsgrad aus, da sie die Verringerung von Härtebildnern wie Calciumverbindungen durch Zugabe des Regulierungsmittels einerseits und zugleich eine Verringerung des TOC-Gehalts durch Zugabe des Koagulanten in einer einzigen Einrichtung erreicht. Dabei wird die Sedimentation durch die Kompaktierung der gebildeten Flocken durch Ausbildung einer Hydroxid-Spezies unterstützt. Dabei ändert sich die spezifische Dichte der vom Koagulant gebildeten Flocken.
Dabei kann sich an den Regulierungspfad ein Flockungspfad anschließend, in welchem nach der Zugabe des Regulierungsmittels, typischerweise einer Base, insbesondere einer Natronlauge, eine Fällung initiiert wird. Als Sedimentierungsanlage kann insbesondere ein Lamellenschrägklärer eingesetzt werden.
Die Sedimentationsanlage kann optional durch eine Gaseinleitung zur Durchmischung des Regulierungsmittels und des Koagulanten mit dem Abwasser ergänzt werden. Allerdings kann auch ein herkömmlicher Lamellenschrägklärer ohne Gaseinleitung zur Sedimentation eingesetzt werden.
Die Lamellen ermöglichen dabei eine definiertere Unterteilung der jeweiligen Pfade innerhalb eines Gehäuses der Sedimentierungseinrichtung in verschiedene Abschnitte und vergrößern zugleich die effiziente Klärfläche zur Sedimentation nach der erfolgten Fällung.
Trotz der Sedimentation können noch Schwebstoffe oder andere feinverteilte Feststoffe innerhalb des Wassers beim Verlassen der Sedimentierungseinrichtung vorhanden sein. Dies können einerseits nicht vom Koagulant gebundene Partikel sein oder auch kleinere von Koagulant und Regulierungsmittel gebildete Feststoffteilchen, welche noch nicht zu größeren Einheiten agglomeriert sind.
An dieser Stelle weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Filtereinrichtung mit einem beweglich-gelagerten Filtermedium auf. Die Bewegung des Filtermediums erfolgt in einer Richtung winklig zur Fließrichtung des zu behandelnden Wassers durch die Filtereinrichtung. Dies kennt der Fachmann als dynamische Querstromfiltration, kurz DCF, bei welcher das Filtermedium gegenüber dem zu behandelnden Wasser bewegt wird. Rotiert das Filtermedium um eine Drehachse, so wird dies als rotatations-dynamische Querstromfiltration bezeichnet. Der Einsatz dieser Form der Querstromfiltration ermöglicht eine effiziente Entfernung einer großen Zahl an Partikeln aus dem Wasser. Sie ist zugleich kompakt und kann insbesondere durch eine Rückimpuls-Vorrichtung selbstreinigend und damit nahezu wartungsfrei betrieben werden.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Anordnung dieser Filtereinrichtung zwischen der Sedimentationseinrichtung und einer nachgelagerten Umkehrosmoseeinrichtung ein Verblocken der Umkehrosmoseeinrichtung verhindert, was andernfalls aufgrund des Partikelgehalts des Wassers nach der Sedimentationseinrichtung zu kurzen Wartungsintervallen der Anlage führt.
Dabei zeichnet sich die dynamische Querstromfiltration auch durch ihren kompakten Gesamtaufbau auf, was von Vorteil für das eingangs genannte Anwendungsgebiet bei geringen Einwohnerwerten ist, z.B. in Schnellrestaurants und dergl., ist.
Die Umkehrosmoseeinrichtung ermöglicht sowohl eine weitergehende Entfernung von Feinstpartikeln als auch eine Senkung des Salzgehalts.
Das vorbeschriebene Verfahren ist somit ein mehrstufiges chemisch/physikalisches Verfahren zur Ausbereitung von Abwässern der Systemgastonomie oder anders ausgedrückt von Küchenabwässern mit einer hohen Schmutzlast. Das aufgearbeitete Wasser, welches durch das Verfahren bereitgestellt wird, kann als Brauchwasser eingesetzt werden.
Übliche großtechnische Verfahren unter Verwendung von biologischen Stufen werden im vorliegenden Verfahren aufgrund ihres großen Raumbedarfs und der prozesstechnischen Risiken bevorzugt nicht eingesetzt.
Das vorliegende Verfahren und die damit verbundene Vorrichtung sind insbesondere konzipiert für die Gastronomie bzw. in einem Gastronomiebetrieb, insbesondere Systemgastronomie, wie z.B. FastFood Restaurants oder sogenannte QS-Restaurants (Quick-Service Restaurants).
Durch die vorbeschriebene Vorrichtung und das Verfahren wird es ermöglicht, dass die in das Kanalnetz einzuleitende Schmutzfracht so weit reduziert wird, dass dies den Anforderungen zur Einleitung erfüllt.
Weiterhin kann ein Teilstrom als Brauchwasser in der Systemgastronomie, insbesondere in Gebäuden z.B. als Toilettenspülwasser oder dergl., wiederverwendet werden.
Als Systemgastronomie werden neben den bekannten Quick Service Restaurants auch Großküchen z.B. in Krankenhäusen, Mensen etc. angesehen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Filtereinrichtung kann einen Behälter und ein darin angeordnetes Filterelement aufweisen, wobei das Filterelement einen Hohlschaft und eine oder mehrere coaxial auf dem Hohlschaft angeordneten Filterscheiben aufweist. Die eine Filterscheibe oder die mehreren Filterscheiben weisen vorzugsweise das Filtermedium auf und/oder bestehen daraus. Es ist möglich, dass mehrere Filterplatten auf einem Gestell montiert zu der Filterscheibe zusammengesetzt sind. Die Filterplatten können z.B. eine kreissektorförmige Filteroberfläche aufweisen. In diesem Fall kann das Gestell aus einem anderen Material bestehen als die Filterplatten. Es ist allerdings auch möglich, dass eine entsprechende Filterscheibe einheitlich aus dem Filtermedium ausgebildet sind.
Das Filterelement oder zumindest die Filterscheiben können rotierbar im Behälter gelagert sein. So ist es möglich, dass die Filterscheiben rotierbar um den Hohlschaft gelagert sind. In einer alternativen bevorzugten Variante sind die Filterscheiben fest mit dem Hohlschaft verbunden und dieser ist seinerseits rotierbar im Behälter gelagert. Somit ist das gesamte Filterelement rotierbar gelagert. Die zweite Variante ist dabei konstruktiv einfacher realisierbar.
Die Filterscheiben weisen vorzugsweise einen Fluidableitungsbereich in ihrem Inneren auf, welcher in dem Hohlschaft mündet, derart, dass die Ableitung eines Filtrats aus der Filtereinrichtung entlang der Längsachse des Hohlschafts erfolgt.
Das Filtermedium kann vorteilhaft eine mittlere Porosität über die Filtermediumsoberfläche zwischen 5 - 200 nm, insbesondere zwischen 30 - 100 nm, aufweisen. Partikel oberhalb dieser Größenordnung würden die Membran der nachgeschalteten Umkehrosmoseeinrichtung bereits nach geringer Betriebszeit so zusetzen, dass eine Reinigung erforderlich wird.
Das Filtermedium kann vorzugsweise aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid und/oder aus Zirkoniumoxid, gebildet sein. Ein solches Material ist für lange Betriebszeiten besonders gut geeignet und vergleichsweise robust gegenüber mechanische Schädigung.
Die Filtereinrichtung kann zur Selbstreinigung ein Rückimpuls-System aufweisen. Dabei kann es sich vorzugsweise um einen Gegendruckerzeuger und besonders bevorzugt eine Kolbenhubvorrichtung handeln. Das Rückimpulssystem kann vorzugsweise entlang einer Filtratableitung der Filtereinrichtung angeordnet sein, so dass der Rückimpuls von der Reinseite des Filtermediums eingebracht wird und es durch den Impuls auf der Rohseite des Filtermediums zum Lösen von Ablagerungen kommt.
Die Filtereinrichtung kann, insbesondere reinseitig, einen oder mehrere Sensoren zur Überwachung der Filtereffizienz, vorzugsweise ein Durchflussmessgerät zur Durchflussmessung und/oder ein Trübungssensor zur Messung des Feststoffgehalts des gefilterten Wassers, aufweisen. Anstelle des Trübungssensors sind auch andere Sensoren, z.B. einen Viskositätsmessgerät, für den genannten Zweck der Messung des Feststoffgehalts einsetzbar. Eine Steuer und/oder Auswerteeinheit kann basierend auf den Sensormesswerten des Feststoffgehalts die Bewegungsgeschwindigkeit des Filtermediums, insbesondere die Rotationsgeschwindigkeit der Filterscheiben einstellen und/oder das Zulaufvolumen an zu reinigendem Wasser oder den Mediumsdruck innerhalb des Behälters.
Das Durchflussmessgerät ermöglicht eine Überwachung des Verschmutzungsgrads des Filtermediums und kann überdies in Verbindung mit einer Steuer- und/oder Auswerteeinheit einen Rückimpulses zur Selbstreinigung, eine CIP-Reinigung unter Einleiten eines Reinigungsmediums zusätzlich zur Selbstreinigung durch Rückimpulse und/oder einer Reinigung unter Demontage der Filtereinrichtung initiieren.
Die Filtereinrichtung kann zwei der Filterelemente aufweist, wobei die Filterscheiben eines ersten der Filterelemente jeweils in einen Zwischenraum zweier Filterscheiben eines zweiten der Filterelemente hineinragen. Dadurch wird in axialer Draufsicht ein Überlappungsbereich zwischen den Filterelementen gebildet, in welchem das zu filternde Wasser mit einer Scherspannung beaufschlagt wird, die die Filtration zusätzlich unterstützt und zugleich ein Zusetzen des Filtermediums beim Betrieb über einen längeren Zeitraum hinweg verhindert.
Die vorgenannte Vorrichtung zur Behandlung von Wasser kann insbesondere als Aufbereitungsanlage zur Aufbereitung von Küchenwässern mit sehr hohem Schutzgehalt, insbesondere von Speisefetten und dergl., genutzt werden.
Das von der Vorrichtung und dem nachfolgenden Verfahren bereitgestellte Brauchwasser weist dabei eine derart hohe Reinheit auf, dass es den Auflagen der Kanalbetreiber im Europäischen Wirtschaftsraum oder auch anderer Nationen zur Einleitung in ein Kanalsystem hinreichend genügt. Zugleich kann über das gewonnene Brauchwasser der Eigenbedarf des jeweiligen Gastronomiebetriebes gedeckt werden.
Darüber hinaus kann eine Verringerung der anfallenden Abfallentsorgungskosten ermöglicht werden und es kann vor Ort durch das Brauchwasser ein Produkt zur Wiederverwendung geschaffen werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Aufarbeitung von Wasser in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die folgenden Schritte auf:

a) Zuführen des zu behandelnden Wassers in die Sedimentrierungseinrichtung, wobei in dieser Sedimen trierungseinrichtung in einem Anreicherungspfad das zu behandelnde Wasser mit einem Koagulanten, insbesondere mit einer Lewis-Säure, angereichert wird in einem Regulierungspfad ein den pH-Wert des Wassers einstellendes Regulierungsmittel, insbesondere eine Lauge, zugegeben wird, derart, dass eine Flockung insbesondere bei gleichzeitiger Ausfällung von Härtebildnern initiiert wird und schließlich ein Dekantieren eines Überstands an Wasser von einem sedimentierten Schlamm erfolgt;
b) Überführen des in Schritt a) vorgereinigten Wassers in die Filtereinrichtung in welcher eine weitergehende Aufarbeitung durch eine dynamische Querstromfiltration des Wassers erfolgt und
c) Überführen des in Schritt b) filtrierten Wassers in eine sich an die Filtereinrichtung anschließende Umkehrosmose-einrichtung zur weitergehenden Filterung des Wassers.

Insbesondere bilden die durch das Koagulat ausgebildeten Flocken Kristallisationskeime zur Entfernung der Härtebildner. Dadurch wird das Fällungsgleichgewicht in Richtung der Sedimentierungsprodukte verschoben.
Die vorbeschriebene Filtereinrichtung eignet sich besonders zur Abtrennung der im Wasser suspendierten restlichen Feststoffe.
Bei Einsatz von zwei oder mehr Filterelementen gemäß einer vorbeschriebenen Vorrichtung ist es von Vorteil, wenn innerhalb eines Behälters, die Filterscheiben der jeweiligen Filterelemente beim Ausführen des Verfahrens zum Aufbau von Scherspannungen im gleichen Drehsinn zueinander bewegt werden.
Der Koagulant kann vorteilhaft eine Lewis-Säure, insbesondere Eisen(III)-chlorid, aufweisen und das Regulierungsmittel kann eine Base, insbesondere Natronlauge, aufweisen.
Die Konzentrationen der Koagulanten und des Regulierungsmittels sind im Rahmen üblicher Dosierungsversuche derart einzustellen, dass zu Beginn von Schritt b) hydroxidummantelte koagulationsmittelhaltige Schwebstoffe im vorgereinigten Wasser enthalten sind.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise wie diese erreicht werden, werden verständlicher im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer Anlage, und
2 eine schematische Abbildung einer Filtrationsanlage zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die Figur ist eine rein schematische Darstellung. Tatsächliche geometrische Verhältnisse können von der Figur abweichen.
Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine Vorrichtung 2 zur Behandlung von Wasser zeigt.
Die Vorrichtung 2 umfasst einen Zulauf 4, über die sich der Vorrichtung 2 das zu behandelnde Wasser in einer Strömungsrichtung 5, nachfolgend auch Fließrichtung genannt, zuführen lässt.
Der Zulauf 4 führt in eine Sedimentierungseinrichtung 6, in der aus dem zu behandelnden Wasser Schwebstoffe und dergleichen entfernt werden. Die Sedimentierungseinrichtung 6 beginnt mit einem Anreicherungspfad 8, in der das zu behandelnde Wasser mit einem Koagulanten 10, auch Flockungsmittel genannt, angereichert wird. In der Strömungsrichtung 5 gesehen ist im Anreicherungspfad 8 hinter dem Ort der Anreicherung mit dem Koagulanten 10 eine erste Düse 12 angeordnet, die entgegen der Strömungsrichtung 10 Gas 14 in das zu behandelnde Wassers einträgt. Der Anreicherungspfad 8 ist dabei in einer nicht weiter referenzierten Fallrichtung des zu behandelnden Wassers aufgestellt, so dass das eingetragene Gas 14 entgegen der Fallrichtung aufsteigt und das zu behandelnde Wasser mit dem Koagulanten 10 durchmischt. Auf diese Weise lassen sich bauraumintensive Rührmaschinen zur Durchmischung vermeiden.
Problematisch ist allerdings, dass mit der Durchmischung des zu behandelnden Wassers und dem Koagulanten 10 die Ausflockung oder Ausfällung beginnt, die aus verfahrenstechnischer Sicht erst in einem Flockungspfad 16 nach dem Anreicherungspfad 8 erfolgen sollte. Um diese vorzeitige Ausflockung oder Ausfällung zu vermeiden, ist ein Regulierungspfad 18 zwischen dem Anreicherungspfad 8 und dem Regulierungspfad 18 vorhanden, in dem erst die Ausflockung gestartet wird. Um dies verständlicher zu erläutern, wird als Koagulant 10 im vorliegenden Ausführungsbeispiel Eisen-III-Chlorid betrachtet, welches ab einem pH-Wert des zu behandelnden Wassers von über 7,5 ausflockt.
Der pH-Wert nach der Zugabe des Koagulanten kann auf einen Wert zwischen 4,0 bis 7,3 eingestellt werden. Optional kann zusätzlich zum Koagulanten auch eine Säure genutzt werden.
Im Regulierungspfad 18 ist eine zweite Düse 20 angeordnet, die in der Strömungsrichtung 5 Luft 10 einträgt, wobei der Regulierungspfad 18 entgegen der Fallrichtung aufgestellt ist, so dass die Luft 10 mit der Strömungsrichtung 5 in dem zu behandelnden Wasser aufsteigt. In der Strömungsrichtung 5 wird das zu behandelnde Wasser vor der zweiten Düse 5 mit einem den pH-Wert des zu behandelnden Wassers einstellenden Regulierungsmittel 22, hier in Form von Natriumhydroxid angereichert. Das Regulierungsmittel 22 wird dann durch die Luft 10 aus der zweiten Düse 20 in der Strömungsrichtung 5 gemeinsam mit dem zu behandelnden Wasser und dem Koagulant 10 bewegt und durchmischt, wodurch der pH-Wert des zu behandelnden Wassers über die oben genannte Schwelle von 7,5 hebt, so dass der Koagulant 10 beginnt, auszuflocken oder auszufällen. Bevorzugt erfolgt die Zugabe der Base, hier NaOH, derart, dass der pH-Wert zwischen 9,5 bis 11,5 beträgt.
Dies geschieht dann im Flockungspfad 16, wodurch in an sich bekannter Weise Inhaltsstoffe aus dem zu behandelnden Wasser eliminiert werden. Dies ist grundsätzlich aus der DE 10 2015 106 823 A1 bekannt und soll nicht weiter erläutert werden.
Das Wasser wird dann weiter durch den Flockungspfad 16 transportiert und erreicht ein Sedimentationsbecken 19, in dem dann Koagulat 10 mit den gebundenen, aus dem Wasser zu eliminierenden Inhaltsstoffen in ausgeflocktem Zustand als Schlamm 23 absinken und in einem Auffangbecken 24 aufgefangen werden kann. Das Sedimentationsbecken sollte in der Fallrichtung gesehen an der unteren Seite mit einer Trichterwand versehen sein, die zu einem Boden mit einem Winkel 21 von 30° bis 80°, vorzugsweise 40° bis 70°, weiter vorzugsweise 50° bis 60° und besonders bevorzugt 55° geneigt sein kann.
In dem Auffangbecken 24 ist ein Sieb 26 angeordnet, über das aus dem Schlamm 23 Restfeuchte 27 austreten kann. Diese Restfeuchte 27 kann dann zu dem zu behandelnden Wasser in den Zulauf 4 zurückgeführt werden. Der Schlamm 23 kann ebenfalls entnommen werden.
Die im Wasser nach der Sedimentationseinrichtung 6 enthaltenden restlichen Partikel weisen eine kompaktere Form und damit eine andere Dichte auf als dies bei ausschließlichem Einsatz des Koagulats oder bei reiner NaOH-Zugabe der Fall wäre. Dies kann damit erklärt werden, dass eine Ausbildung von Calcium- oder auch Magnesiumhydroxid-Spezies durch Zugabe von NaOH erfolgt. Da zu diesem Zeitpunkt schon koagulatgebundene Partikel vorliegt, dienen diese Partikel zur als Kristallisationskeime und werden von einer Calcium- oder Magnesiumhydroxidschicht bedeckt. Dies ändert die spezifische Dichte der Partikel.
An die Sedimentierungseinrichtung 6 schließt sich dann eine Filtereinrichtung 28 an, in der das zu behandelnde Wasser aus der Sedimentiereinrichtung 6 weiter gefiltert wird, um Feinpartikel wie beispielsweise Bakterien und Viren aus dem zu behandelnden Wasser zu eliminieren. Auch an diesen Feinpartikeln kann es zu einer Anlagerung von Hydroxiden gekommen sein. Insgesamt weisen die Partikel eine besonders geringe Teilchengröße bei einer besonderen spezifischen Dichte auf, die ein Absetzen und damit eine quantitative Entfernung verhindert. Die Entfernung dieser nach der vorbeschriebenen Weise gebildeten Feinpartikel ist aufgrund ihrer Teilchengröße und spezifischer Dichte eine besondere Herausforderung des vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Filtereinrichtung 28 mit einem Filtermedium 30, das in einer Richtung 32 winklig zur Fließrichtung 5 des Wassers durch die Filtereinrichtung 28 beweglich angetrieben gelagert ist. Das Filtermedium kann grundsätzlich beliebig bewegt werden, also beispielsweise linear hin und her.
Vorzugsweise wird das Filtermedium allerdings gemäß der technischen Lehre aus der Druckschrift WO 2011 033 537 A1 bewegt, einer Filtereinrichtung, wie sie in Weinfiltrationseinrichtungen bekannt ist. Dabei wird das in der Strömungsrichtung 5 fließende und gefilterte Wasser in einer in 1 nicht weiter zu sehenden Weise aus dem Zentrum der Filtereinrichtung 28 entnommen und weiter transportiert. Ungefiltert verbleibendes Wasser 34 kann dabei ebenfalls zum Zulauf 4 zurückgeführt werden.
Nachfolgend soll die Wirkweise der Filtereinrichtung anhand näher der 2 näher erläutert werden. Diese Filtereinrichtung ist zur Ausführung einer rotations-dynamischen Querstromfiltration ausgebildet.
Die Filtereinrichtung 28 umfasst einen Behälter 61 in welchem ein Filterelement 62 angeordnet sind.
Ein Filterelement 62 umfasst eine Mehrzahl von Filterscheiben 63 und einen Hohlschaft 65, wobei die Filterscheiben 63 coaxial auf einem Hohlschaft 65 angeordnet sind. Zwischen den Filterscheiben 63 sind Zwischenbereiche 70 ausgebildet. Das Filterelement 62 oder zumindest Teile dieses Filterelements ist bzw. sind rotierbar im Behälter 61 angeordnet.
Die Filterscheibe 63 weist einen Fluidableitungsbereich 72 in ihrem Inneren auf, welcher sich bis in den Hohlschaft 65 erstreckt. Im Inneren der Filterscheibe 63 und im Hohlschaft 65 herrscht ein geringerer Druck als im Innenraum des Behälter 61, so dass Flüssigkeit ins Innere des Behälters 61 und von dort über eine axiale Ableitung im Hohlschaft abgesaugt wird. Die Wandung der Filterscheibe 63 stellt dabei die Filtermembran dar. Die Begriffe Filtermedium und Filtermembran 30 werden im Sinne der vorliegenden Erfindung synonym verwandt. Die Filtermembran 30 kann vorzugsweise aus einem keramischen Material, insbesondere aus Aluminiumoxid oder aus Zirkoniumoxid, gebildet sein.
Die mittlere Porosität der Filtermembran 30 für die vorgenannte Filtrationsaufgabe beträgt zwischen 0,06 - 0,18 mm, insbesondere zwischen 0,08 - 0,12 mm.
Die rotations-dynamische Querstromfiltration DCF (dynamic cross flow filtration) stellt ein Retentat 80, also aufkonzentrierte Schlammphase, umfassend nicht-sedimentiertes Koagulat, Bakterien, Viren und andere Feststoffanteile und ein Filtrat 90 in Form von filtriertem Wasser bereit. Dabei wird das Filtrat vorzugsweise axial aus dem Behälter 61 über eine Fitratableitung 66 ausgeleitet und das Retentat wird vorzugsweise radial aus dem Behälter durch eine Retentatableitung 67 abgeleitet. Bei hohen Feststoffanteilen kann entlang der Retentatableitung eine Pumpe 71 angeordnet sein, so dass auch ein hochviskoses Retentat 80 störungsfrei ableitbar ist.
Um die Gefahr des Zusetzens des Filtermediums 30 zu verhindern, weist die Filtereinrichtung 28 zudem ein sogenanntes Rückimpuls-System 68 (Back-pulse system) auf. Dabei wird , vorzugsweise im in der Filtratableitung 66 der Filtereinrichtung, ein Gegendruckerzeuger eingesetzt. Dabei kann es sich um eine Kolbenhubvorrichtung handeln, welche durch eine Kolbenbewegung einen Gegenpuls erzeugt. Wird dieser Gegenpuls beispielsweise ins Filtrat abgegeben, so überträgt sich der Gegenpuls aufgrund der Inkompressibilität der Flüssigkeit bis auf die Oberfläche der Filtermembran, wo es zu einem Ablösen von Ablagerungen kommt. Dadurch wird die Gefahr der Ausbildung einer sogenannten Foulingsschicht verringert - also einer Schicht zur Verringerung der Filtereffizienz oder des Filterdurchsatzes.
Weiterhin kann zur Überwachung der Filtereffizienz einer oder mehrere Sensoren 69, insbesondere ein Durchflussmessgerät zur Durchflussmessung und/oder ein Trübungssensor zur Messung des Feststoffgehalts angeordnet sein. Dieser kann entlang der Filtratableitung 66 angeordnet sein. Es ist allerdings auch möglich beide Messungen über ein Messgerät zu erreichen. So misst beispielsweise ein Ultraschalldurchflussmessgerät neben dem Durchfluss aufgrund der TOF-Zeiten (Signalzeitdifferenz bei Einstrahlung eines Ultraschallsignals in und entgegen der Fließrichtung) auch die Ultraschallgeschwindigkeit. Diese ändert sich mit den Feststoffgehalt in der Flüssigkeit und macht eine Überwachung des Feststoffgehalts im Wasser möglich.
Besonders bevorzugt sowohl aus Gründen der Energieeffizienz als auch aus Dimensionierungsgründen ist im Behälter 61 lediglich ein Filterelement 62 angeordnet, obwohl auch der Einsatz von zwei oder mehr Filterelementen denkbar wäre. Bei zwei ineinandergreifenden Filterelementen kann eine Scherung der Flüssigkeit im Überlagerungsbereich erfolgen.
Ein ähnlicher Effekt kann allerdings auch erreicht werden, wenn an einer Innenwandung eines oder vorzugsweise mehrere Prallbleche 73 zur Brechung einer Strömung angeordnet sind. Die Prallbleche 73 können umfangsseitig an der Innenwandung des Behälters 61 verteilt sein und einen Längsverlauf parallel zur Längsachse 100 des Hohlschafts aufweisen.
Die Prallbleche 73 ermöglichen eine geringe Tendenz zur Ausbildung eines Filterkuchens aufgrund gebildeter Turbulenzen. Dies sorgt für einen selbstreinigenden Effekt der Filtermembran.
Zugleich benötigt die vorbeschriebenen Ausbildung einer Filtereinrichtung 28 nur einen geringen transmembranen Druck für eine effiziente Filtration, was mit einem geringem Energieaufwand von bis zu 80% gegenüber herkömmlichen Querstrom-Filtrationseinrichtungen verbunden ist.
Die vorbeschriebene Reinigungswirkung wird insbesondere auch dadurch begünstigt, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Filterelements 62 zumindest 6 m/s am äußeren Umfang der Filterscheiben 63 beträgt und besonders bevorzugt 6,1-8 m/s. Dies sind für die vorgenannte Filtereinrichtung 28 bei anderen Anwendungen, wie z.B. der Weinklärung, vergleichsweise hohe Rotationsgeschwindigkeiten. Bei einer Geschwindigkeit von mehr als 8 m/s kann die mechanische Stabilität der Filterscheibe, je nach Material der Filtermembran, in Mitleidenschaft gezogen werden.
Durch die Bewegung des Filtermediums lässt sich das zu behandelnde Wasser zudem auf deutlich kleinerem Raum filtrieren, so dass sich die gesamte Vorrichtung 2 zur Behandlung des Wassers in deutlich kleineren Gewerberäumen, wie Restaurants unterbringen lässt. Zugleich wird die Filtereinrichtung 28 benötigt um ein Verblocken einer nachgeordneten Umkehrosmose-Anlage zu verhindern.
Das aus der Filtereinrichtung 28 in der Strömungsrichtung 5 austretende Wasser kann nun in einem Speicher 36 zwischengespeichert werden, bevor es abschließend mit einer Pumpe 38 aus diesem abgepumpt und in einer an sich bekannten Umkehrosmose-Anlage 40 zur Wasseraufbereitung final gefiltert wird, um beispielsweise niedermolekulare Fettsäuren herauszufiltern. Der Speicher 36 ermöglicht es Wartungsarbeiten, wie Spülvorgänge an der UmkehrosmoseAnlage 40 durchzuführen, ohne dass die gesamte Anlage davor abgeschaltet werden muss. Er glättet somit den Wasserfluss zwischen der Filtereinrichtung 28 und der Umkehrosmose-Anlage 40.
Wasser 42, welches ungefiltert aus der Umkehrosmose-Anlage 40 austritt kann einer Kanalisation 44 und/oder dem Zulauf 4 zugeführt werden.
Das final gefilterte Wasser aus der Umkehrosmose-Anlage 40 kann dann direkt in einem Auffangbecken 46 gespeichert werden, aus dem dann Brauchwasser 48, beispielsweise zum Betrieb einer Toilette entnommen werden kann. Durch die Zugabe eines Desinfektionsmittels 50, wie beispielsweise Chlordioxid kann eine Neubildung von Bakterien vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das final gefilterte Wasser aus dem Auffangbecken 46 in ein UV-Desinfektionseinrichtung 52 geleitet werden, durch die das Wasser im Auffangbecken 46 zirkuliert. Auch ist es möglich, das Wasser aus der Umkehrosmose-Anlage 40 direkt oder über einen Aktivkohlefilter 54 in die UV-Desinfektionseinrichtung 52 zu leiten.
Optional kann nach der Filtervorrichtung 28 oder nach der Umkehrosmose-Anlage 40 eine Säurezugabe zur Einstellung des pH-Werts des Wassers im pH-Wert neutralen bis schwach-alkalischen Bereich zwischen 7,0 bis 8,5 erfolgen.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung zur Behandlung von Wasser
4: Zulauf
5: Strömungsrichtung
6: Sedimentierungseinrichtung
8: Anreicherungspfad
10: Koagulant
11: Luft
12: Düse
14: Gas
16: Flockungspfad
18: Regulierungspfad
19: Sedimentationsbecken
20: Düse
22: Regulierungsmittel
23: Schlamm
24: Auffangbecken
26: Sieb
27: Restfeuchte
28: Filtereinrichtung
30: Filtermedium bzw. Filtermembran
32: Richtungsbefehl
34: ungefiltertes Wasser / Retentat
36: Speicher
38: Pumpe
40: Umkehrosmose-Anlage
42: ungefiltertes Wasser/Osmose-Spülwasser
44: Kanalisation
46: Auffangbecken
48: Brauchwasser
50: Desinfektionsmittel
52: UV-Desinfektionseinrichtung
54: Aktivkohlefilter
61: Behälter
62: Filterelement
62': Filterelement
63: Filterscheibe
63': Filterelement
65: Hohlschaft
66: Filtratableitung
67: Retentatableitung
68: Rückimpuls-System
69: Sensoren zur Überwachung der Filtereffizenz
70: Zwischenraum
70': Zwischenraum
71: Pumpe
72: Überlappungsbereich
80: Retentat
90: Filtrat
100: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015106823 A1 [0052]
WO 2011033537 A1 [0058]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 12566 [0003]

Claims

Vorrichtung (2) zur Behandlung von Wasser, umfassend: - einen Zulauf (4) zum Zuführen des zu behandelnden Wassers, - einen sich an den Zulauf (4) anschließende Sedimientierungseinrichtung (6) zur Sedimentierung von Schwebstoffen aus dem zu behandelnden Wasser wobei die Sedimentierungseinrichtung (6) zumindest - einen Anreicherungspfad (8) zum Anreichern des zu behandelnden Wassers mit einem Koagulanten (10) und - einen sich an den Anreicherungspfad anschließenden Regulierungspfad (18) zum Einbringen eines den pH-Wert des Wassers einstellenden Regulierungsmittels (22) aufweist, und - eine sich an die Sedimentierungseinrichtung (6) anschließende Filtereinrichtung (28) mit einem Filtermedium (30) , das in einer Richtung winklig zur Fließrichtung des zu behandelnden Wassers durch die Filtereinrichtung (28) beweglich angetrieben gelagert ist, und - eine sich an die Filtereinrichtung (28) anschließende Umkehrosmoseeinrichtung (40) zur weitergehenden Reinigung des Wassers.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (28) einen Behälter (61) und ein darin angeordnetes Filterelement (61, 61') aufweist, wobei das Filterelement (61, 61') einen Hohlschaft (65) und eine oder mehrere coaxial auf dem Hohlschaft angeordneten Filterscheiben (63, 63') aufweist, wobei die Filterscheiben (63, 63') das Filtermedium (30) aufweisen und/oder daraus bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (61, 61') oder zumindest die Filterscheiben (63, 63') rotierbar im Behälter (61) gelagert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterscheiben (63, 63') einen Fluidableitungsbereich in ihrem Inneren aufweisen, welcher in dem Hohlschaft (65) mündet, derart, dass die Ableitung eines Filtrats (90) aus der Filtereinrichtung (28) entlang der Längsachse (100) des Hohlschafts (65) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (30) eine mittlere Porosität über die Filtermediumsoberfläche zwischen 5 - 200 nm, insbesondere zwischen 30 - 100 nm, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (30) aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid und/oder aus Zirkoniumoxid, gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (28) zur Selbstreinigung ein Rückimpuls-System (68), vorzugsweise einen Gegendruckerzeuger, besonders bevorzugt eine Kolbenhubvorrichtung, aufweist, welches vorzugsweise entlang einer Filtratableitung (66) der Filtereinrichtung (28) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung einen oder mehrere Sensoren (69) zur Überwachung der Filtereffizienz, vorzugsweise einen Sensor zur Durchflussmessung und/oder einen Sensor zur Messung des Feststoffgehalts, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (28) ausschließlich ein Filterelement (61) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (61) an einer Innenwandung eines oder vorzugsweise mehrere Prallbleche (73) zur Brechung einer Strömung aufweist.
Verfahren zur Aufarbeitung von Wasser in einer Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Zuführen des zu behandelnden Wassers in die Sedimentrierungseinrichtung (6), wobei in dieser Sedimentrierungseinrichtung (6) in einem Anreicherungspfad (8) das zu behandelnde Wasser mit einem Koagulanten (10) angereichert wird in einem Regulierungspfad (18) ein den pH-Wert des Wassers einstellendes Regulierungsmittel (22) zugegeben wird, derart, dass eine Flockung initiiert wird und ein Dekantieren eines Überstands an Wasser von einem sedimentierten Schlamm (23) erfolgt; b) Überführen des in Schritt a) vorgereinigten Wassers in die Filtereinrichtung (28) in welcher eine weitergehende Aufarbeitung durch eine dynamische Querstromfiltration des Wassers erfolgt und c) Überführen des in Schritt b) filtrierten Wassers in eine sich an die Filtereinrichtung (28) anschließende Umkehrosmose-einrichtung (40) zur weitergehenden Reinigung des Wassers.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Koagulant (10) eine Lewis-Säure, insbesondere Eisen(III)-chlorid, aufweist oder daraus besteht und dass das Regulierungsmittel eine Lauge, insbesondere NaOH, aufweist oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe an Koagulant (10) und Regulierungsmittel (22) in Schritt a) derart erfolgt, dass dem Schritt b) zugeführte vorgereinigte Wasser hydroxidummantelte koagulationsmittelhaltige Schwebstoffe enhält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (28) ausschließlich ein Filterelement (61) aufweist, welches sich mit einer Rotationsgeschwindigkeit von zumindest 6 m/s am äußeren Umfang der Filterscheiben rotiert, insbesondere mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 6-8 m/s.