DE19800886A1 - Verfahren zum Entfernen von Eisen und Mangan aus natürlichem Mineralwasser und Behälter zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Eisen und Mangan aus natürlichem Mineralwasser, bei dem in einem wechselweisen Abscheide- und Spülbetrieb das einem Brunnen oder einer Quelle entnommene Mineralwasser im An­ schluß an eine Oxidationsbehandlung durch ein Festbett aus körnigem Feststoff geleitet wird, wobei Metalloxidausfäl­ lungen an den Partikeln des Festbettes abgeschieden werden, und das mit Metalloxidausfällungen beladene Festbett in vorgegebenen Intervallen mit natürlichem Mineralwasser in entgegengesetzter Strömungsrichtung zum Zwecke der Entfer­ nung der im Festbett abgeschiedenen Metalloxide gespült wird.

Das aus einem Brunnen entnommene Mineralwasser enthält Eisen und Mangan, die oxidativ entfernt werden. Anfallendes Eisenoxid und Manganoxid wird im Rahmen der bekannten Maß­ nahmen in einem Sand- oder Kiesbett abgeschieden, welches von oben nach unten durchströmt wird. Das Festbett setzt sich im Laufe der Zeit zu und muß zur Entfernung der abge­ schiedenen Metalloxide gespült werden. Nach dem Stand der Technik wird das Sand- oder Kiesbett bei der Spülung in einem von unten nach oben gerichteten Wasserstrom aufge­ lockert, wobei Metalloxidschichten von dem Feststoff abge­ rieben und mit dem zur Rückspülung eingesetzten Wasserstrom ausgetragen werden. Nach geltenden Vorschriften muß zur Spülung aus dem Brunnen entnommenes Mineralwasser einge­ setzt werden. Erfahrungsgemäß ist zur Auflockerung des Sand- oder Kiesbettes ein Mengenstrom erforderlich, der das Drei- bis Fünffache des im Normalbetrieb eingesetzten Wasserdurchsatzes beträgt. Der Wasserverbrauch zu Spül­ zwecken beträgt in der Praxis bis zu 10%, bezogen auf die zwischen zwei Spülungen im Normalbetrieb durch das Festbett durchgesetzte Wassermenge. Der hohe Verbrauch an Wasser zur Regenerierung des Sand- oder Kiesbettes ist unbefriedigend, weil es sich bei dem zur Spülung eingesetzten Mineralwasser um eine schützenswerte Ressource handelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs beschriebenen Verfahren den Wasserverbrauch für die Spülung zu reduzieren.

Die Aufgabe wird bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß der das Festbett bildende Feststoff eine kleinere Dichte aufweist als Wasser und in einen vertikalen Be­ hälter eingesetzt wird, der einen von flüssigkeits­ durchlässigen Böden begrenzten Behälterraum mit einem von unten nach oben sich verjüngenden Querschnitt auf­ weist und nur teilweise mit Feststoff gefüllt ist,
daß das Mineralwasser während des Abscheidebetriebes von unten nach oben durch den Behälterraum geführt wird, wobei der körnige Feststoff aufschwimmt und vor dem oberen Boden ein Festbett bildet, und
daß das Mineralwasser während des Spülbetriebes von oben dem Behälterraum zugeführt und den Behälterraum von oben nach unten durchströmt, wobei das Festbett am oberen Boden zusammenbricht und die Partikel mit der Strömung in den sich nach unten erweiternden Behälter­ raum mitgeführt werden.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Festbett aus Partikeln, deren Dichte geringer ist als die Dichte von Wasser, bereits mit einem kleinen Wasserstrom, der in gleichmäßiger Verteilung von oben auf das Festbett aufgege­ ben wird, wirksam aufgelockert werden kann. Die Partikel bewegen sich in der Strömung aufgrund der auf sie wirkenden Auftriebskräfte, wobei auf den Partikeln abgelagerte Metalloxidschichten abgerieben werden. Der Vorgang wird unterstützt durch den nach unten hin zunehmenden Quer­ schnitt des Behälterraumes. Diese Maßnahme verhindert die Bildung einer Pfropfenströmung und stellt sicher, daß das Festbett bei Aufgabe eines Wasserstromes von oben zusammen­ bricht und sich die gewünschten Bewegungen der Partikel einstellen. Die Dichte des Feststoffes und die Strömungs­ geschwindigkeit sind aufeinander abzustimmen. Die geeignete Abstimmung ist anhand weniger, orientierender Versuche mög­ lich. Sind die Dichte-Unterschiede zwischen Feststoff und Wasser verhältnismäßig klein, wird man den Mineralwasser­ mengenstrom für die Spülung so groß wählen, daß sich am unteren Boden des Behälterraums ein Festbett aufbaut. Bei größeren Dichte-Unterschieden zwischen Feststoff und Wasser wird sich im unteren Bereich des Behälterraumes ein Fließ­ bett mit stark bewegten Partikeln oder ein stark aufge­ lockertes Bett bilden.

Die als Feststoff eingesetzten Partikel sollten eine glatte Oberfläche aufweisen. Vorzugsweise werden Kunststoffkörper mit Schaumkern und glatter Außenhaut verwendet.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Behälter zur Durch­ führung des beschriebenen Verfahrens mit
Behälterboden,
Flüssigkeitszulauf am Behälterboden,
einem Behälterraum, der einen von unten nach oben sich verjüngenden Querschnitt aufweist und unten sowie oben von flüssigkeitsdurchlässigen Böden begrenzt ist,
einem als Flüssigkeitsspeicher ausgelegten Aufnahme­ raum oberhalb des Behälterraums und
Behälterablauf am Kopf des Aufnahmeraums,
wobei der Behälterraum teilweise mit körnigem Feststoff gefüllt ist, dessen Dichte kleiner ist als Wasser, wobei im Übergangsbereich zwischen dem Behälterraum und dem sich anschließenden Flüssigkeitsspeicher ein mit einer Ab­ sperreinrichtung verschließbarer Wasserabfluß angeordnet ist und wobei der Aufnahmeraum ein Speichervolumen auf­ weist, welches die für eine Spülung des Feststoffes erfor­ derliche Wassermenge aufnimmt.

Während des Abscheidebetriebes, also dem Normalbetrieb zur Wasserreinigung, ist der Behälter von unten nach oben durchströmt. Der in dem Behälterraum eingesetzte Feststoff schwimmt auf und bildet vor dem oberen, flüssigkeitsdurch­ lässigen Boden des Behälterraums ein Festbett. Da das Was­ ser am Kopf des sich oberseitig an den Behälterraum an­ schließenden Aufnahmeraums abgeführt wird, ist der Aufnah­ meraum mit Wasser gefüllt. Das im Aufnahmeraum vorhandene Wasservolumen wird während des Spülbetriebes für die Ent­ fernung der im Festbett abgeschiedenen Metalloxide genutzt. Zur Spülung wird die Flüssigkeitszuführung zum Behälter abgesperrt und das Flüssigkeitsvolumen aus dem Behälter mit einer definierten, auf den Spülprozeß abgestimmten Strömungsgeschwindigkeit aus dem Behälterraum abgelassen. In der von oben nach unten gerichteten Strömung während der Spülung bricht das Festbett vor dem oberen flüssig­ keitsdurchlässigen Boden zusammen und werden in der schon beschriebenen Weise die Feststoffteilchen mit der Strömung nach unten in den sich erweiternden Behälterraum mitge­ führt. Dabei werden anhaftende Metalloxidschichten abgerie­ ben und mit der Strömung ausgetragen. Durch die erfindungs­ gemäße Ausbildung des Behälters entfällt die Notwendigkeit von zusätzlichen Pumpaggregaten, Rohrleitungen, Armaturen und dergleichen für die Rückspülung. Der apparatetechnische Aufwand kann gegenüber dem Stand der Technik beachtlich reduziert werden.

Nachdem die Flüssigkeit aus dem Behälter abgelassen und da­ mit die Spülung des Feststoffes abgeschlossen ist, wird der Behälterraum durch den Flüssigkeitszulauf am Behälterboden wieder gefüllt. Mit der Wasserströmung schwimmen die Fest­ stoffe wieder auf und bilden an dem oberen, den Behälter­ raum begrenzenden Boden erneut ein Festbett. Während der Spülung gelöste, noch im Festbett enthaltene Schwebstoff­ teilchen werden mit der nach oben gerichteten Wasser­ strömung ausgeschwemmt. Dabei fällt eine trübe Flüssigkeit an, die an dem zunächst geöffneten Wasserabfluß im Über­ gangsbereich zwischen dem Behälterraum und dem Flüssig­ keitsspeicher abfließt. Sobald die aus dem Wasserabfluß austretende Flüssigkeit klar ist, wird der Wasserabfluß ge­ sperrt. Jetzt beginnt die Füllung des oberhalb des Behäl­ terraumes sich anschließenden Aufnahmeraumes und der Über­ gang zu der normalen Betriebsweise.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der seitliche Wasserabfluß unmittelbar oberhalb des den Behäl­ terraum begrenzenden, oberen Bodens angeordnet. In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, daß an der Oberseite des den Behälterraum begrenzenden oberen Bodens Überlaufrinnen angeordnet sind, welche das nach einer Befüllung des Behäl­ terraumes durch den Flüssigkeitszulauf am Behälterboden aufsteigende Wasser aufnimmt und dem Ablauf zuführt. Zweck­ mäßig sind die Überlaufrinnen am Umfang der Behälterwand angeordnet.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, die Oxidation des Mine­ ralwasserzulaufes im Behälter zu integrieren. Bei dieser Ausführung der Erfindung ist im unteren Bereich des Behäl­ terraums eine Einrichtung für die Zuführung von Oxidations­ mittel angeordnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1a und 1b den Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Entfernen von Eisenoxid und Manganoxid aus natürlichem Mineralwasser,

Fig. 2 die bevorzugte Ausführung eines Behälters zur Durch­ führung des Verfahrens,

Fig. 3a bis 3c den Verfahrensablauf bei Anwendung des in Fig. 2 dargestellten Behälters.

Aus einem Brunnen oder einer Quelle entnommenes Mineral­ wasser wird im Anschluß an eine nicht dargestellte Oxida­ tionsbehandlung durch ein Festbett aus körnigem Feststoff geleitet, wobei Metalloxidausfällungen an den Partikeln des Festbettes abgeschieden werden. Der das Festbett bildende Feststoff weist eine kleinere Dichte auf als Wasser und ist in einem vertikalen Behälter 1 eingesetzt, der einen von flüssigkeitsdurchlässigen Böden 2, 3 begrenzten Behälter­ raum 4 mit einem von unten nach oben sich verjüngenden Querschnitt aufweist und nur teilweise mit dem Feststoff gefüllt ist. Das Mineralwasser wird während des Abscheide­ betriebes von unten nach oben durch den Behälterraum geführt, wobei der körnige Feststoff aufschwimmt und vor dem oberen Boden 3 ein Festbett 5 bildet (Fig. 1a).

Metalloxidausfällungen werden an den Partikeln des Fest­ bettes 5 abgeschieden, welches sich im Laufe der Zeit zu­ setzt und daher in vorgegebenen Intervallen gespült wird. Die Intervallzeiten können konstant oder variabel sein. Sie richten sich nach der Konzentration der im Mineralwasser enthaltenen Eisenoxide und Manganoxide sowie dem Durchsatz durch das Festbett. Die Spülung des Festbettes 5 zur Be­ seitigung von Metalloxidausfällungen aus dem Festbett er­ folgt ebenfalls mit Mineralwasser, das während des Spül­ betriebes von oben dem Behälterraum 4 zugeführt wird und den Behälterraum von oben nach unten durchströmt, wobei das Festbett 5 am oberen Boden 3 des Behälterraumes 4 zusammen­ bricht und die Partikel mit der Strömung in den sich nach unten erweiternden Behälterraum mitgeführt werden (Fig. 1b). Der Mineralwassermengenstrom ist während des Spül­ betriebes so bemessen, daß sich im unteren Bereich des Be­ hälterraumes 4 ein Fließbett 6 bildet, in dem die Partikel Relativbewegungen zueinander ausführen. Dabei werden anhaf­ tende Metalloxidablagerungen abgerieben und im Flüssig­ keitsstrom ausgetragen. Als Feststoff werden vorzugsweise Kunststoffkörper mit Schaumkern und glatter Außenhaut ver­ wendet.

Vorzugsweise werden zur Durchführung des Verfahrens Behäl­ ter eingesetzt, die den in Fig. 2 dargestellten Aufbau be­ sitzen. Der Behälter 1 weist einen Behälterboden 7 mit Flüssigkeitszulauf B, einen Behälterraum 4, einen als Flüssigkeitsspeicher ausgelegten Aufnahmeraum 9 oberhalb des Behälterraums 4 sowie einen Behälterablauf 13 am Kopf des Aufnahmeraums 9 auf. Der Behälterraum 4 hat einen von unten nach oben sich verjüngenden Querschnitt und ist unten sowie oben von flüssigkeitsdurchlässigen Böden 2, 3 be­ grenzt. Er ist teilweise mit körnigem Feststoff gefüllt, dessen Dichte kleiner ist als Wasser. Der Aufnahmeraum 9 weist ein Speichervolumen auf, welches die für eine Spülung des Feststoffes erforderliche Wassermenge aufnimmt. Schließlich erkennt man im Übergangsbereich zwischen dem Behälterraum 4 und dem sich anschließenden Flüssigkeits­ speicher 9 einen mit einer Absperreinrichtung verschließ­ baren Wasserabfluß 10. Er steht mit einer an der Oberseite des den Behälterraum begrenzenden oberen Bodens 3 angeord­ neten Überlaufrinne 11 in Verbindung, welche das nach einer Befüllung des Behälterraumes 4 durch den Flüssigkeitszulauf 8 am Behälterboden 7 aufsteigende Wasser aufnimmt und dem Ablauf 10 zuführt. Im unteren Bereich des Behälterraumes 4 erkennt man eine Einrichtung 12 für die Zuführung von Oxidationsmittel. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, die Oxidation außerhalb des Behälters im Zulauf vor­ zunehmen.

Der Verfahrensablauf mit dem in Fig. 2 dargestellten Behäl­ ter wird aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 3a bis 3c deutlich. In der Fig. 3a ist der Normalbetrieb zur Reinigung des einem Brunnen entnommenen natürlichen Mine­ ralwassers von Metalloxiden, auch Abscheidebetrieb genannt, dargestellt. Das Mineralwasser wird von unten nach oben durch den Behälter 1 geführt, wobei der körnige Feststoff aufschwimmt und vor dem oberen Boden 3 des Behälterraums 4 ein Festbett 5 bildet. Die Fig. 3b zeigt die Umschaltung auf den Spülbetrieb. Beim Spülbetrieb wird der als Flüssig­ keitsspeicher ausgelegte Aufnahmeraum 9 entleert, wobei das Wasser mit einer definierten Strömungsgeschwindigkeit abgelassen wird. Aufgrund der von oben nach unten gerichte­ ten Strömung bricht das Festbett 5 am oberen Boden 3 zusam­ men und werden die Partikel mit der Strömung in den sich nach unten erweiternden Behälterraum 4 mitgeführt. Oberhalb des unteren flüssigkeitsdurchlässigen Bodens 2 bildet sich ein Fließbett 6, in dem die Feststoffpartikel Relativ­ bewegungen zueinander ausführen. Dabei werden anhaftende Metalloxide abgerieben und mit der Flüssigkeitsströmung ausgetragen. Nach Regenerierung des Feststoffes durch eine Spülung wird wieder umgeschaltet auf den normalen Abschei­ debetrieb. Die Fig. 3c zeigt die Anlaufphase. Die aufströ­ mende Flüssigkeit führt Metalloxide mit, die während der Spülung noch nicht ausgeschwemmt wurden; sie ist daher trüb. Diese Flüssigkeit wird während der Anlaufphase im Übergangsbereich zwischen dem Behälterraum 4 und dem sich anschließenden Flüssigkeitsspeicher 9 an dem dort vorge­ sehenen seitlichen Wasserabfluß 10 abgezogen. Sobald der Wasserabfluß klar ist, wird der seitliche Wasserabfluß ge­ schlossen und wird das Wasser durch den an dem Behälterraum sich anschließenden Aufnahmeraum 9 geführt und am Kopf des Aufnahmeraums 9 abgezogen. Es stellt sich dann der in Fig. 3a dargestellte Betriebszustand ein.

Das erfindungsgemäße Verfahrens ermöglicht eine signifi­ kante Reduzierung des Wasserverbrauchs für die Spülung. Nach dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, erfolgt die Abscheidung von Metalloxiden an einem Sand- oder Kiesbett. Zur Regenerierung des Sand- bzw. Kiesbettes wird Brunnenwasser von unten in das zu regenerierende Fest­ bett eingeleitet, wobei der Mengenstrom so eingestellt wird, daß eine Auflockerung des Festbettes erfolgt. Erfor­ derlich zur Auflockerung ist ein Mengenstrom, der das Drei- bis Fünffache des Normalbetriebes beträgt. Pumpen, Leitungsquerschnitte und Armaturen müssen für diesen, wäh­ rend der Spülung auftretenden Mengenstrom dimensioniert werden. Für 1000 m³ gereinigtes Wasser werden etwa 80 m³ Wasser zu Spülzwecken verbraucht.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sinkt der für Spülzwecke benötigte Wasserbedarf auf ca. 10 bis 20 m³ pro 1000 m³ gereinigtes Wasser je nach Mineralwasser­ zusammensetzung. Pumpen, Zuleitungen und Armaturen können für kleinere Volumenströme ausgelegt werden, so daß im Ergebnis sowohl die Betriebskosten als auch die Investitionskosten beachtlich reduziert werden können.

Claims (8)

1. Verfahren zum Entfernen von Eisen und Mangan aus natür­ lichem Mineralwasser, bei dem in einem wechselweisen Ab­ scheide- und Spülbetrieb das einem Brunnen oder einer Quelle entnommene Mineralwasser im Anschluß an eine Oxida­ tionsbehandlung durch ein Festbett aus körnigem Feststoff geleitet wird, wobei Metalloxidausfällungen an den Parti­ keln des Festbettes abgeschieden werden und das mit Metalloxidausfällungen beladene Festbett in vorgegebenen Intervallen mit natürlichem Mineralwasser in entgegen­ gesetzter Strömungsrichtung zum Zwecke der Entfernung der im Festbett abgeschiedenen Metalloxide gespült wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der das Festbett bildende Feststoff eine kleinere Dichte aufweist als Wasser und in einen vertikalen Be­ hälter eingesetzt wird, der einen von flüssigkeits­ durchlässigen Böden begrenzten Behälterraum mit einem von unten nach oben sich verjüngenden Querschnitt auf­ weist und nur teilweise mit Feststoff gefüllt ist,
daß das Mineralwasser während des Abscheidebetriebes von unten nach oben durch den Behälterraum geführt wird, wobei der körnige Feststoff aufschwimmt und vor dem oberen Boden ein Festbett bildet, und
daß das Mineralwasser während des Spülbetriebes von oben dem Behälterraum zugeführt und den Behälterraum von oben nach unten durchströmt, wobei das Festbett am oberen Boden zusammenbricht und die Partikel mit der Strömung in den sich nach unten erweiternden Behälter­ raum mitgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mineralwasserstrom während des Spülbetriebes so groß gewählt wird, daß sich am unteren Boden des Behälterraums ein Festbett aufbaut.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mineralwassermengenstrom so bemessen wird, daß sich im unteren Bereich des Behälterraums ein Fließbett bildet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Feststoff Kunststoffkörper mit Schaumkern und glatter Außenhaut verwendet werden.

5. Behälter zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit
Behälterboden (7),
Flüssigkeitszulauf (8) am Behälterboden (7),
einem Behälterraum (4), der einen von unten nach oben sich verjüngenden Querschnitt aufweist und unten sowie oben von flüssigkeitsdurchlässigen Böden (2, 3) be­ grenzt ist,
einem als Flüssigkeitsspeicher ausgelegten Aufnahme­ raum (9) oberhalb des Behälterraums (4) und
Behälterablauf (13) am Kopf des Aufnahmeraums (9), wobei der Behälterraum (4) teilweise mit körnigem Feststoff gefüllt ist, dessen Dichte kleiner ist als Wasser, wobei im Übergangsbereich zwischen dem Behälterraum (4) und dem sich anschließenden Flüssigkeitsspeicher (9) ein mit einer Ab­ sperreinrichtung verschließbarer Wasserabfluß (10) ange­ ordnet ist und wobei der Aufnahmeraum (9) ein Speichervolu­ men aufweist, welches die für eine Spülung des Feststoffes erforderliche Wassermenge aufnimmt.

6. Behälter nach Anspruch 5, wobei der seitliche Wasser­ abfluß (10) unmittelbar oberhalb des den Behälterraum (4) begrenzenden, oberen Bodens (3) angeordnet ist.

7. Behälter nach Anspruch 5, wobei an der Oberseite des den Behälterraum (4) begrenzenden oberen Bodens (3) Über­ laufrinnen (11) angeordnet sind, welche das nach einer Be­ füllung des Behälterraums (4) durch den Flüssigkeitszulauf (8) am Behälterboden (7) aufsteigende Wasser aufnehmen und dem Ablauf (10) zuführen.

8. Behälter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei im unteren Bereich des Behälterraums (4) eine Einrichtung (12) für die Zuführung von Oxidationsmittel angeordnet ist.