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Verfahren und Vorrichtung zum Klären von Abwässern, insbesondere Papierfabrikabwässern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Klären von
Abwässern, insbesondere solchen der Papierfabrikation durch Dekantieren, bei dem
das Abwasser entlüftet und mit Klärhilfsmitteln vermischt wird, mit anschließendem
Absetzenlassen der Feststoffe und Abführung dieser einerseits und des geklärten
Wassers andererseits.
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Bei einem bekannten Verfahren wird das Abwasser von Papierfabriken
entlüftet und vor dem Dekantieren mit Klärhilfsmitteln vermischt. Die Entlüftung
erfolgt gegen die umgebende Atmosphäre, also gegen Normaldruck. Hierdurch
ist eine wirksame Entlüftung des Abwassers bei den großen, je Zeiteinheit zu verarbeitenden
Wassermengen nicht erzielbar. Daran ändert auch der Umstand nichts, daß Chemikalien
zur Regulierung des pH-Wertes und zur Koagulierung der Papierstoffe zugesetzt werden.
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Um die zur raschen Klärung des Abwassers notwendige Zugabe von Klärhilfsmitteln
sicher und wirkungsvoll zu gestalten, wird gemäß der Erfindung die Vakuumentlüftung
mit der getrennten Zugabe der . Mittel zur Neutralisation des Abwassers und zur
Koagulierung der Papierstoff- bzw. Masseteilchen derart kombiniert, daß die Neutralisationsmittel
vor der Vakuumentlüftung dem Abwasser zugesetzt und die Koagulationsmittel nach
der Vakuumentlüftung dem Abwasser beigefügt werden.
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Die Klärung von Papierfabrikabwässern allein durch Vakuum ist an sich
bekannt. Dieses Verfahren war für sich allein jedoch so unwirksam, daß es für den
eben erwähnten Zweck in Vergessenheit geraten war.
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Andererseits ist ein bekanntes, rein chemisches Verfahren zur möglichst
vollständigen Rückgewinnung der ausgefällten Papierstoffe und der geklärten Abwassermengen
nur bei einigen wenigen Papiersorten anwendbar. Fast immer werden nämlich die ausgefällten
Papierstoffe durch den großen Gehalt an Luft- und Gasmengen am Absinken gehindert
und dann zu einem großen Teil in die Mitte der Wassermenge im Absetzbehälter (Inhalt
oft bis 1000 cbm) sowie teilweise auch an die Oberfläche des Abwassers im Klärbehälter
getrieben. Diese nicht absetzbaren Stoffmengen gelangen dann mit dem abströmenden
überlaufwasser oder beim Ableeren der Abwassermengen, z. B. bei Sortenwechsel usw.,
in den Vorfluter und verunreinigen denselben auf sehr große Strecken vollständig.
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Alle bisher bekanntgewordenen Verfahren und Einrichtungen, welche
nach dem Absetzverfahren nur sehr unvollkommen arbeiten, haben insbesondere nicht
oder nur unzureichend in Rechnung gestellt. Der erste Faktor betrifft die volle
Wirkung des sogenannten elektrischen Feldes auf die meist kolloidal im Abwasser
gelösten Masseteilchen. Die Wirkung des elektrischen Feldes ist vielfach größer
als die des Schwerkraftfeldes. Es ergibt sich ein Verhältnis der Wirkungen des Schwerkraftfeldes
zum elektrischen Feld wie 1:840 (nach dem Coulombschen Satz vereinfachte Darstellung
aus dem Physiklexikon von H. Franke, Stuttgart, 1. Auflage).
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Auf diesen bisher nur wenig beachteten Zusammenhang und seine Wirkungen
bei der Abwasserreinigung wird vermutlich erstmals sehr eindrucksvoll auch in dem
Fachbuch »Wasser und Abwasser in der Textilindustrie« von Dr. Kehren, M.-Gladbach
1951, S. 153 bis 155, hingewiesen.
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Der zweite Faktor, welcher bisher beim Dekantierverfahren meist ebenfalls
nicht entsprechend berücksichtigt wurde, ist der Luft- bzw. Gasgehalt der im Abwasser
enthaltenen Masseteilchen, welcher oft durch die verschiedenartigsten Fabrikationsvorgänge
sowie die Verwendung von chemischen Klärhilfsmitteln noch zusätzlich erzeugt, angelagert
und erhöht wird. Zur Erläuterung der Wirkung dieses ebenfalls sehr entscheidenden
Faktors diene der Hinweis, daß z. B. von 120 cbm Papiermaschinenabwasser je Stunde
etwa 17501 Luft- bzw. Gasmengen mit einem Druck von 0,45 ata im Vakuumrührwerk angesammelt
werden. Bei Normaldruck entsprechen dieser Menge etwa 7881, was einem Auftrieb von
etwa 788 kg auf die in dieser Abwassermenge enthaltenen Papierstoffe und sonstigen
noch im Abwasser vorhandenen gelösten Masseteilchen entspricht.
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Jeder dieser beiden Faktoren vermag demnach schon für sich allein
die volle und rasche Klärung des Abwassers zu verzögern, meist überhaupt unmöglich
zu
machen. Diese beiden entscheidenden Faktoren sind bei dem erfindungsgemäßen Klärverfahren
erstmals ihrer Bedeutung entsprechend dadurch berücksichtigt, daß zunächst neutralisiert,
dann entlüftet und erst danach das Koagulationsmittel zugesetzt wird.
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In der Folge wird der Einfachheit halber als Beispiel nur die Klärung
des Papiermaschinenabwassers beschrieben, was aber auch für alle sonstigen Abwässer
und wässerigen Lösungen gleichermaßen Geltung besitzt.
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Im einzelnen wird zu den zu lösenden Problemen noch folgendes ausgeführt.
Die Klärung und die Absetzzeit bzw. Absetzgeschwindigkeit wird in der Hauptsache
durch die nachstehend genannten Faktoren beeinfiußt, wobei der Vollständigkeit halber
die vorstehend bereits abgehandelten Faktoren nochmals (Ziffer 2 und 3) mit aufgeführt
sind: 1. die Teilchengröße, 2. das Verhältnis des spezifischen Gewichtes der Flüssigkeit
zum spezifischen Gewicht der darin enthaltenen Papiermasseteilchen, 3. die elektrische
Ladung bzw. der elektrostatische Zustand der Papiermasseteilchen, 4. die Zähigkeit
der Flüssigkeit, 5. die Temperatur derselben.
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Zu 1. Die Änderung der Größe der Papiermasseteüchen im Abwasser erfolgt
durch die Zugabe von organischen oder/und anorganischen Chemikalien und Zusätzen,
wobei diese bei dem vorliegenden Verfahren entsprechend der benötigten Reaktionszeiten
und der Reihenfolge derselben an verschiedenen Stellen der Rückgewinnungsanlage
zugegeben werden können. Der vorwiegend kolloidale oder sehr feinstoffliche Zustand
der im Abwasser befindlichen Papiermasseteilchen ist dann beim Einlauf in den Absetzraum
der Kläranlage in die für das rasche Absinken benötigte Form und Größe kleiner,
sichtbarer Flöckchen geändert.
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Zu 2. Das Verhältnis des spezifischen Gewichtes der Flüssigkeit zu
demjenigen der Papiermasseteilchen wird im Sinne eines möglichst großen Dichteunterschiedes
geändert, indem die Materialmasseteilchen im Verlaufe des Durchströmens durch die
Einrichtungen der Anlage vom kolloidalen Zustand zum Zustand sichtbarer Größe koaguliert
werden, wobei gleichzeitig durch die Umsetzungen mit den beigefügten Chemikalien
oder Zusätzen das Artgewicht derselben wiederhergestellt bzw. erhöht wird. Eine
weitere wesentliche Erhöhung bzw. Wiederherstellung des Artgewichtes wird zudem,
wie oben bereits ausgeführt wurde, durch die mit dem angeordneten Vakuumwerk vorgenommene
starke Entlüftung bzw. Entgasung der Papiermasseteilchen erzielt.
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Zu 3. Die elektrische Ladung der Papiermasseteilchen, welche zusammen
mit dem kolloidalen Zustand derselben den Einfluß der Schwerkraft entweder vollkommen
oder fast vollständig aufzuheben vermag, wird durch die Koagulierung und Umladung
der Papiermasseteilchen durch die beigefügten Chemikalien ebenfalls geändert bzw.
aufgehoben, womit die volle Wirkung der Schwerkraft für das rasche Absinken der
koagulierten Papiermasseteilchen herbeigeführt ist.
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Zu 4. Der Zustand der erhöhten Zähigkeit (Viskosität) des Abwassers
wird ebenfalls durch die Koagulierung der Papiermasseteilchen auf den entsprechenden
normalen Stand zurückgebracht, wodurch die Absinkgeschwindigkeit ebenfalls wesentlich
erhöht ist.
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Zu 5. Die Temperatur des Abwassers, welche oft aus fabrikatorischen
Gründen auf der Papiermaschine erhöht wird, hat günstige und ungünstige Wirkungen
für die rasche Klärung des Abwassers. Verfahrensgemäß ist es ermöglicht, mit dem
zurückgewonnenen Papierstoff und Fabrikationswasser gleichzeitig auch den Wärmeinhalt
derselben fast vollständig zu erhalten und in die Fabrikation zurückzuführen.
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Die dem Verfahren eigene Arbeitsweise bezüglich der chemischen Vorgänge
wird im folgenden für zwei typisch verschiedene Papierqualitäten und deshalb verschieden
gestaltete Abwasserführungen durch Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Beispiel 1 Bei Papierqualitäten, bei welchen das gesamte überschüssige
Siebabwasser mit dem Spritzenwasser zusammen zur Klärung kommt, wird, um ein geklärtes
neutrales Wasser zu erhalten, diesem verfahrensgemäß vor Einlauf in das Evakuierwerk
ein der Fabrikation entsprechendes Chemikal oder Chemikalkombination zugeführt,
um das Abwasser auf den gewünschten pH-Neutralpunkt zurückzuführen. Die hierdurch
meist schon eingeleitete Koagulierung und Umladung der Papiermasseteilchen wird
dann stoßartig vollkommen herbeigeführt, indem an einer Zugabestelle ein entsprechendes
kationaktives Koaguliermittel hinzugegeben wird, welches die Eigenschaft besitzt,
sowohl im schwach saueren als auch im schwach alkalischen Medium wirksam zu sein.
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Beispiel 2 Bei Papierqualitäten, bei welchen das überschüssige Siebabwasser
wegen der besonders wertvollen Papiermasseteilchen einer eigenen ersten Kläranlage
und das Spritzenabwasser einer anderen, zweiten Anlage zugeführt werden, ist die
Klärung der ersteren Wassermengen bisher oft besonders schwierig und unvollkommen
geblieben. Wenn der pH-Wert des Abwassers beispielsweise kleiner als 7 ist, so verwendet
man zur Neutralisierung vorteilhafterweise z. B. Bariumhydroxyd. Durch die stark
alkalische Wirkung desselben sind bei entsprechender günstiger Leimungs- und Färbungsmethode
nur geringe Mengen notwendig. Das Umsetzungsprodukt desselben mit den im Abwasser
befindlichen S03 Ionen ergibt einen wertvollen erwünschten Füllstoff, welcher vor
allem keine die Leimung des Papieres schädigende Wirkung hat. Durch die somit erzielte
zusätzliche Beschwerung und die Entlüftung der Papiermasseteilchen ist die Dichte
derselben dann so stark geändert, daß diese nach Zugabe des kationaktiven Koaguliermittels
vollkommen vom geklärten Fabrikationswasser ausgeschieden und sehr rasch im Absetzraum
zum Absinken gelangen.
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Der zweite Abwasserteil wird dem erwünschten Endzustand des Fabrikationswassers
entsprechend in gleicher Weise wie der erste Teil oder für andere Verwendungszwecke
diesen entsprechend behandelt.
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Das auf diese Weise behandelte Abwasser ermöglicht es nun, den Absetzraum
der Rückgewinnungsanlage nur für eine Durchsatzzeit von 15 bis 60 Minuten
zu
bemessen. Die abgesetzten Papierstoffe können somit in einem für die Fabrikation
sehr günstigen Zustand und Zeitraum sofort wieder zur Papiermaschine zurückgeleitet
werden. Das durch Evakuierung und durch Zusatz von Chemikalien geklärte und auf
den pH-Neutralpunkt zurückgeführte Abwasser kann deshalb oft direkt wieder als Frischwasser
in der Fabrikation Verwendung finden.
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Die Arbeit für die Papierstoffbereitung wird dadurch erleichtert,
die Leimung und Färbung in günstiger Weise beeinflußt und der Papierstoffvorrat
der laufenden Fabrikation gegenüber den bisherigen Arbeitsmethoden stark vermindert.
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Abwässer, welche nach diesem Verfahren eventuell doch noch vor allem
Farbstoffe in feinster Verteilung enthalten, können anschließend durch Elektrophorese
bzw. Kataphorese auch von diesen gereinigt werden, so daß der Frischwasserzustand
weitgehend wiederhergestellt ist.
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Abwasser, welches während der Fabrikation in größerem Ausmaße Härtebildner
aufgenommen hat, welche bei der Koagulierung und Umsetzung mit den zugegebenen Chemikalien
nicht genügend entfernt sind, wird anschließend in bekannter Weise behandelt und
ist sodann vollkommen, mit Ausnahme eines nur erwünschten Mindergehaltes an Luft,
in einen fabrikationsgünstigen Zustand zurückgeführt.
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Der Fortschritt des neuen Arbeitsverfahrens gegenüber den bisher bekannten
Verfahren besteht also darin, daß mittels desselben der Klär- und Rückgewinnungsprozeß
innerhalb eines Zeitraumes von 25 bis 80 Minuten nach der Dekantierarbeitsweise
fortlaufend durchgeführt werden kann, wobei die in dem Abwasser enthaltenen Papiermasseteilchen
restlos in papiertechnisch bestem Zustand wieder der Papiermaschine zugeführt werden
können und das geklärte Abwasser durch die chemische und physikalische Behandlung
während des Klärvorganges wieder nahezu vollkommen den Charakter von Frischwasser
erhält.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Wirkungsweise der zur Durchführung
desselben dienenden Vorrichtung werden an Hand der schematischen Darstellung eines
Ausführungsbeispiels einer solchen Rückgewinnungsanlage im einzelnen näher beschrieben
und erläutert.
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Das von der Papiermaschine kommende Abwasser fließt der Rückgewinnungsanlage
durch den Kanal 1 zu. In diesem Kanal werden dem Abwasser sofort diejenigen Zusatzstoffe
zugesetzt, die eine längere Reaktionszeit benötigen. Die Zuführung derselben erfolgt
von dem Zuleitungsbehälter 2 aus über eine Rohrleitung durch das Ventil und die
Düse 3. Von dem Kanal 1 aus fließt das Abwasser dann über eine Wasservorlage 5 durch
das Steigrohr 6 in das Misch-und Evakuierwerk. Dieses besteht aus einem waagerecht
liegenden, vorzugsweise zylindrischen Rührwerkskessel 4, der entsprechend der zu
behandelnden Abwassermenge und der Art der darin enthaltenen Papiermasseteilchen
meist für eine Durchlaufzeit von 10 bis 20 Minuten bemessen ist. In diesem Kessel
ist eine waagerechte Welle 7 mit Rührarmen 8 angeordnet, durch die das durchlaufende
Abwasser in quirlender Bewegung gehalten und die Ausscheidung der in den Papiermasseteilchen
enthaltenen Luft beschleunigt wird. Das entlüftete bzw. entgaste Abwasser fließt
dann durch das Fallrohr 9 in die Wasservorlage 10, deren Wasserspiegel tiefer als
der der Wasservorlage 5 liegt. Durch den Höhenunterschied der beiden Abwasserspiegel
in den Wasservorlagen 5 bzw. 10 entsteht eine Heberwirkung, so daß das Abwasser
ohne nennenswerten besonderen Energieaufwand ständig selbsttätig das Evakuierwerk
durchströmt. Nach dem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung wird das benötigte Vakuum
zum Betriebe des Evakuierwerkes durch die auf dem Rührwerkskessel 4 angeordnete
Vakuumpumpe 14 erzeugt und mittels des Regelventils 13 konstant erhalten. Der Unterdruck
in dem Rührwerkskessel kann bei dieser Anordnung entsprechend dem benötigten Entlüftungsgrad
und mit Rücksicht auf die Temperatur des Abwassers bis zu 5000 mm WS betragen.
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In dem Rühr- und Evakuierwerk können dem Abwasser von einer weiteren
Zuteilvorrichtung 15 über eine Rohrleitung und ein Ventil 16 noch andere Chemikalien
oder Zusatzstoffe zugeführt werden. In der Wasservorlage 10 wird dem aus dem Evakuierwerk
kommenden Abwasser von einer Zuteilvorrichtung 18 über eine Rohrleitung und
ein Ventil 19 das Koagulierungsmittel zugeführt, das eine rasche und vollkommene
Abscheidung der Papiermasseteilchen aus dem Wasser herbeiführt.
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Durch eine Pumpe 17 wird nun das mit dem Koagulierungsmittel versetzte
Abwasser aus der Wasservorlage 10 in den Dekanteur gefördert, wobei gleichzeitig
eine gute Verteilung des Koagulierungsmittels in dem Abwasser erfolgt. Der Dekanteur
20 besteht aus einem länglichen, rechteckigen Behälter, an den sich unten kegelförmige
Absetzräume 21 anschließen, in denen nach unten wirkende Rührflügel 35 angeordnet
sind. Durch diese Rührflügel wird sowohl das Absetzen der in dem Dekanteur absinkenden
Papiermasseteilchen mechanisch beschleunigt als auch die Kanalbildung in dem meistens
stark eingedickten Papierstoff verhindert. Sollte der Einbau eines mechanischen
Rührwerkes aus besonderen Gründen nicht möglich sein, so kann statt dessen durch
eine Umlaufpumpe die entsprechende Bewegung des Papierstoffes bewirkt werden.
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An die kegelförmigen Absetzräume schließen sich Ablaßventile 22, 23,
24 an, mittels deren die Konzentration des rückgewonnenen Papierstoffes eingestellt
werden kann.
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Das Auslaufen des Papierstoffes aus den Absetzräumen beim Abstellen
der Papiermaschine wird durch zusätzliche, beim Abstellen der Maschinen selbsttätig
schließende Absperrventile 25, 26, 27 verhindert. Die aus den Absetzräumen abfließende,
zurückgewonnene Papierstoffmasse fließt durch eine Sammelrinne 28 in einen Sammelbehälter
29, von dem aus sie durch eine schwimmergesteuerte Pumpe 30 über eine Rohrleitung
31 dem (in der Zeichnung nicht dargestellten) Stoffmischkasten der Papiermaschine
wieder zugeführt wird. Bei dieser Anordnung können der zurückgewonnenen Papierstoffmasse
durch eine weitere Zuteilvorrichtung 33 über eine Rohrleitung und das Ventil 34
in der Sammelrinne 28 noch besondere Papierstoffe zugesetzt werden. Diese Ausführung
des Absetzraumes und der Rückführung des Papierstoffes bewirkt vor allem eine ständig
gleichmäßige Stoffdichte des direkt nach der Papiermaschine abströmenden Papierstoffes
und verhindert damit die Produktion und Qualität schädigenden Papiergewichtsstörungen
auf der Papiermaschine beim bisher üblichen Betrieb mit großen einkegeligen Dekanteuren
oder großen Tanks.
Das durch den Ablauf 37 aus dem Dekanteur abfließende
geklärte Wasser fließt über eine Leitung 38 zu einer ebenfalls schwimmergesteuerten
Pumpe 39 und wird von dieser über eine Leitung 40 teils dem (in der Zeichnung
nicht dargestellten) Holländerwasserbehälter 41 und zum größten Teil über
eine Leitung 42 der Papiermaschine entweder unmittelbar oder über eine maschineneigene
Wasseraufbereitungsanlage wieder zugeführt. Letzteres kommt vor allem bei Papiermaschinen
in Frage, bei denen mit dampfgewärmtem Papierstoffwasser gearbeitet wird.
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Die Zuteilung der Chemikalien und sonstigen Zusätze wird in Abhängigkeit
von der anfallenden Abwassermenge in bekannter Weise durch selbsttätig wirkende
Steuereinrichtungen, vorzugsweise eine schwimmergesteuerte Zentral-Schützsteuerung
43, z. B. beim Anfahren der Papiermaschine geregelt.
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Zur Kontrolle der ordnungsgemäßen Arbeitsweise der Anlage wird dem
Ablauf 37 oder der Leitung 42 laufend eine Probe des zurückgewonnenen Wassers entnommen
und über eine Leitung 45 einer Kontrollvorrichtung 46 zugeführt, in der der
pH-Wert und der Reinheitsgrad des Wassers in bekannter Weise ständig überwacht wird.
Abweichungen von den Soll-Werten werden von der Kontrollvorrichtung sofort durch
Signalgabe angezeigt.
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Durch ein registrierendes Wassermengenmeßgerät 47 wird die
Abwassermenge abzüglich der Dickstoffwassermenge, die dem Stoffmischkasten 32 unmittelbar
zufließt, gemessen. Diese Messung dient mit als Grundlage für die mengenmäßige Bemessung
der Zusatzstoffe.
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Das im vorstehenden beschriebene Verfahren und die Vorrichtung zu
dessen Durchführung haben gegenüber der bisher bekannten Dekantierarbeitsweise und
den zu verwendeten Vorrichtungen die nachstehenden wesentlichen Vorteile: 1. Die
Durchsatzzeit für das zu klärende Abwasser beträgt nur 25 bis 80 Minuten statt bisher
60 bis 240 Minuten und mehr.
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2. Der Rauminhalt der Kläranlage beträgt demzufolge nur etwa ein Drittel
der bisherigen Bauarten, also nur 35 bis 400 cbm statt bisher 100 bis 1000 cbm und
mehr.
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3. Durch das neue Verfahren wird ein leicht entwässerungsfähiger,
röscher Papierstoff zurückgewonnen, der sich bedeutend besser als der aus den üblichen
Trichter- oder Tankanlagen verarbeitet, wodurch die Laufzeiten von Sieb und Filzen
wesentlich verlängert und die Maschinengeschwindigkeiten und demzufolge die Papierproduktion
erhöht werden kann.
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4. Durch das neue Verfahren werden alle im Abwasser befindlichen Papierstoffe
und Zusätze, einschließlich der flüssigen, wie beispielsweise die von der schwefelsauren
Tonerdezugabe für Leimung und Färbung herrührenden freien Schwefelsäure, wieder
zurückgewonnen, die bisher in das Fabrikationswasser abgeschieden und ungenützt
in einen Flußlauf abgeflossen sind.
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5. Mit dem neben Verfahren und Vorrichtungen, wie etwa dem in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel, wird der Papierstoff rasch und in ständig
gleichmäßiger Stoffdichte direkt wieder auf die Papiermaschine zurückgeführt, so
daß Stoffverluste und Papiergewichtsstörungen ausgeschaltet sind. 6. Das Fabrikationswasser
kann 100o/oig wie Frischwasser von entsprechender Reinheit und chemischer Beschaffenheit
bei pH 6,9 bis 7,1 und einem entsprechend der Bearbeitung verminderten Härtegrad
in den Fabrikationsprozeß zurückgeführt werden.
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7. Das erfindungsgemäße Dekantierverfahren erfordert gegenüber den
Flotationsverfahren bei im übrigen gleichen papiertechnischen Vorteilen bezüglich
Stoff- und Wasserqualitäten keinen zusätzlichen Energieaufwand.
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B. Die Behandlung des Abwassers ist mit preismäßig und papiertechnisch
günstigen Chemikalien ohne Rücksicht auf deren eventuell hohes spezifisches Gewicht
und die Reaktionszeit durchführbar.
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9. Die Rückgewinnungsanlage arbeitet nahezu vollkommen selbsttätig
und ohne Betriebsstörungen und hat einen einfachen und leicht zugänglichen Aufbau.
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Das beanspruchte Verfahren und die Anwendung der zu seiner Durchführung
dienenden Vorrichtung ist nicht auf die Papierherstellung beschränkt, sondern kann
sinngemäß auch bei anderen Fabrikationszweigen angewendet werden.
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Selbstverständlich ist die Ausführung des Verfahrens entsprechend
den vielen verschiedenen Papierqualitäten wandelbar, ebenso wie auch die Gestaltung
der Vorrichtung in anderer, jeweils zweckentsprechender Weise real bedingt ist.