DE2547446A1

DE2547446A1 - Purification of waste water by osmosis against chloride soln. - and reverse osmosis of chloride soln.

Info

Publication number: DE2547446A1
Application number: DE19752547446
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Rautenbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-23
Filing date: 1975-10-23
Publication date: 1977-04-28

Abstract

Purification is carried out by first removing H2O from the waste water by osmosis through a semipermeable membrane into an aq. soln. of NaCl, MgCl2 and/or CaCl2. The diluted chloride soln. is then subjected to reverse osmosis to separate H2O, and the re-concd. soln. is recycled to the 1st osmosis stage. The process avoids reverse osmosis of the waste water itself, which would require the use of expensive modular membrane support structures and their frequent replacement.

Description

Verfahren und Anlagen zum Reinigen Methods and systems for cleaning

von Abwässern Die meisten bekannten Abwasserbehandlungsverfahren verfolgen das Ziel, das Abwasser in zwei Teilströme aufzuspalten, in einen hochkonzentrierten Abwasserteilstrom (in der Regel ein Schlamm) und einen zweiten Teilstrom mit möglichst niedriger Konzentration an Verunreinigungen, das gereinigte Abwasser. Eine Möglichkeit, Abwässer zu reinigen - insbesondere wenn es sich um gelöste Verunreinigungen handelt -, besteht in der Verwendung semipermeabler Membranen, die zwar das Wasser passieren lassen, die übrigen Inhaltsstoffe des Abwassers aber weitgehend zurückhalten. of wastewater Most known wastewater treatment processes pursue the goal of splitting the wastewater into two partial streams, into a highly concentrated one Wastewater partial flow (usually a sludge) and a second partial flow with if possible low concentration of impurities, the treated wastewater. A possibility, To purify wastewater - especially when it comes to dissolved impurities -, consists in the use of semi-permeable membranes that pass through the water leave, but largely hold back the remaining constituents of the wastewater.

Im übrigen kennt man das Verfahren der umgekehrten Osmose (A. Wutschel; Die Anwendung der umgekehrten Osmose zur Wasseraufbereitung; Stahl und Eisen, 90 (1970) Heft 23, S. 1350/53), das für die Brackwasserentsalzung entwickelt wurde und in zunehmendem Maße auch für die Reinigung salzhaltiger Abwässer eingesetzt wird. Bei der umgekehrten Osmose wird das Süßwasser aus der verunreinigten Lösung über die semipermeablen Membranen abgepreßt, und zwar mittels einer transmembranen Druckdifferenz, die wesentlich höher ist als die osmotische Druckdifferenz, die diesem Wassertransport entgegenwirkt. Die transmembrane Druckdifferenz, die bei der umgekehrten Osmose in der Größenordnung von 40 bis 100 bar liegt, erfordert zur Unterstützung der Membranen aufwendige Modulkonstruktionen. Dieser hohe apparative Aufwand für die Module schlägt sich zwangsläufig in hohe Flächenkosten (Investitionssumme pro m2 Membranfläche) nieder. Hohe Flächenkosten fordern unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten 2 jedoch hohe Flüsse (Durchsatz pro m Membranfläche). Hohe Flüsse sind bei der umgekehrten Osmose aber insbesondere dann nicht oder nur mit sehr großem Aufwand zu erreichen, wenn in dem aufzuarbeitenden Abwasser suspendierte Stoffe enthalten sind, d. h.In addition, the reverse osmosis process is known (A. Wutschel; The use of reverse osmosis for water treatment; Steel and iron, 90 (1970) Heft 23, p. 1350/53), which was developed for brackish water desalination and increasingly used for the purification of saline wastewater will. In reverse osmosis, the contaminated solution is transformed into fresh water pressed through the semipermeable membranes, by means of a transmembrane Pressure difference which is much higher than the osmotic pressure difference which counteracts this water transport. The transmembrane pressure difference that occurs at the reverse osmosis is on the order of 40 to 100 bar, requires Elaborate modular constructions to support the membranes. This high apparatus The effort for the modules inevitably results in high space costs (investment sum per m2 membrane area). From an economic point of view, high space costs demand 2, however, high flows (throughput per m of membrane area). High rivers are the other way round However, osmosis cannot be achieved or can only be achieved with great effort, if the wastewater to be processed contains suspended substances, d. H.

der direkte Einsatz der umgekehrten Osmose für die Abwasseraufbereitung führt zu hohen spezifischen Reinigungskosten.the direct use of reverse osmosis for wastewater treatment leads to high specific cleaning costs.

Kostensteigernd wirken sich bei einem Einsatz des Verfahrens der umgekehrten Osmose für die Abwasserreinigung zusätzlich noch die vergleichsweise niedrigen Standzeiten der Membranen aus. Obwohl das Membranmaterial selbst vergleichsweise billig ist, ist doch das Auswechseln der Membranen - z. B. bei Rohrmodulen - oder die Membran mit Stützkonstruktion - z. B. bei Spiralmodulen - oder auch der ganze - nicht reparable - Modul - z. B. bei Hohlfasermodulen - ein hoher Kostenfaktor. Die hohen Kosten, die mit der Abwasserreinigung nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose verbunden sind, sind - wie ausgeführt- primär bedingt durch die Festigkeitsanforderungen an die Membran bzw. die Stützkonstruktion für die Membranen.When using the method, the reverse has an effect on costs Osmosis for wastewater treatment also has the comparatively short service life of the membranes. Although the membrane material itself is comparatively cheap, is the replacement of the membranes - z. B. with tube modules - or the membrane with support structure - e.g. B. with spiral modules - or the whole - not repairable - module - e.g. B. with hollow fiber modules - a high cost factor. The high cost those with wastewater treatment according to the principle of the reverse Osmosis are - as stated - primarily due to the strength requirements to the membrane or the support structure for the membranes.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, im Rahmen der Reinigung von Abwasserlösungen das Prinzip der umgekehrten Osmose so einzusetzen, daß die beschriebenen Probleme und Schwierigkeiten eliminiert sind. Dazu lehrt die Erfindung, daß das Wasser in einer ersten Osmosestufe aus der Abwasserlösung mit Hilfe einer semipermeablen Membran zunächst osmotisch in eine osmotische Lösung aus einem der in Wasser gelösten Stoffe der Gruppe NaCl, Mg12, C12 (oder Mischungen davon) transportiert, aus dieser osmotischen Lösung in einer zweiten Osmosestufe das Wasser über eine weitere semipermeable Membran mit Hilfe der umgekehrten Osmose abgetrennt und die von dem Wasser befreite osmotische Lösung aus der zweiten Osmosestufe in die erste Osmosestufe zurückgeführt wird. Zweckmäßigerweise weist die osmotische Lösung in der ersten Osmosestufe einen hydrostatischen Druck auf, der (geringfügig) höher ist als der der Abwasserlösung.In contrast, the invention is based on the object in the context of Purification of wastewater solutions using the principle of reverse osmosis in such a way that that the problems and difficulties described are eliminated. This is what the teaches Invention that the water in a first osmosis stage from the wastewater solution with Using a semipermeable membrane, it is first osmotically converted into an osmotic solution from one of the substances of the group NaCl, Mg12, C12 (or mixtures of it) transported, from this osmotic solution in a second osmosis stage the water through another semipermeable membrane with the help of reverse osmosis separated and the freed from the water osmotic solution from the second osmosis stage is returned to the first osmosis stage. Appropriately, the osmotic Solution in the first osmosis stage on a hydrostatic pressure, which (slightly) is higher than that of the sewage solution.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, das Membrantrennverfahren auch bei der Reinigung von Abwasserlösungen aus thermodynamischen Überlegungen heraus viele Vorteile vor anderen Trennverfahren (z. B. Verdampfen} bieten. Dabei arbeitet die Erfindung mit dem Kunstgriff, das aus dem Abwasser über eine semipermeable Membran abzutrennende Wasser zunächst durch Osmose von einer Lösung mit niedrigem osmotischen Druck (dem Abwasser} in eine Lösung mit hohem osmotischen Druck (die osmotische Lösung) zu transportieren. Das Prinzip der Osmose ist seit langem bekannt (H. Römp; Chemie Lexikon, Franckl'sche Verlagshandlung Stuttgart, 1962; 3640). Hier ist das treibende Gefälle keine Druck- sondern eine Konzentrationsdifferenz. Es wurde daher auch schon vorgeschlagen, dieses Prinzip technisch einzusetzen, um Lösungen auszukristallisieren oder Abwasser auf zuarbeiten (S. Loeb, N. Zelingher, N.R. Bloch; The Use of Sink Osmosis for Dewatering of concentrated Brines: 4th International Symposium on Fresh Water from the Sea, Vol 4, 235 - 241, 1973), und zwar, wenn Salzlösungen mit hoher Salzkonzentration entweder natürlich zur Verfügung stehen oder sehr billig hergestellt werden können - beispielsweise durch Sonnendestillation oder als Abfallsole bei der Meerwasserentsalzung. Diese Salzlösungen sollen dann als osmotische Lösungen das abgetrennte Wasser aufnehmen, das dann jedoch wieder als Lösung - und zwar als Lösung mit einem höheren osmotischen Druck als in dem Ausgangsabwasser - vorliegt. Deshalb bezieht sich auch der bekannte Vorschlag, das Prinzip der Osmose technisch einzusetzen, ausschließlich auf solche Fälle, in denen die so produzierte Salzlösung beispielsweise in das Meer abgelassen werden kann. Soll Abwasser hingegen im Binnenland gereinigt werden, d. h. in Konzentrat und Reinwasser aufgespalten werden, so darf keine Salzlösung produziert werden, die die sog. Vorfluter belastet, zumal diese Salzlösung eine höhere Konzentration an Salzen aufweist als das ursprünglich vorliegende Abwasser.The invention is based on the knowledge that the membrane separation process also in the purification of wastewater solutions based on thermodynamic considerations offer many advantages over other separation processes (e.g. evaporation) the invention with the trick that is drawn from the wastewater through a semipermeable membrane Water to be separated first by osmosis from a solution with a low osmotic Pressure (the sewage) into a solution with high osmotic pressure (the osmotic Solution). The principle of osmosis has long been known (H. Romp; Chemie Lexikon, Franckl'sche Verlagshandlung Stuttgart, 1962; 3640). here the driving gradient is not a pressure difference but a concentration difference. It it has therefore already been proposed to use this principle technically in order to find solutions to crystallize out or to process wastewater (S. Loeb, N. Zelingher, N.R. Bloch; The Use of Sink Osmosis for Dewatering of Concentrated Brines: 4th International Symposium on Fresh Water from the Sea, Vol 4, 235-241, 1973), when saline solutions with high salt concentration are either naturally available or very cheap can be produced - for example by solar distillation or as waste brine in seawater desalination. These salt solutions are then said to be used as osmotic solutions absorb the separated water, but then again as a solution - as Solution with a higher osmotic pressure than in the initial wastewater - is present. That is why the well-known proposal refers to the principle of osmosis technically to be used exclusively in those cases in which the saline solution thus produced for example, can be drained into the sea. Should wastewater, however, be inland cleaned, d. H. be split into concentrate and pure water, so may no saline solution is produced which pollutes the so-called receiving waters, especially since these Saline solution has a higher concentration of salts than the one originally present Sewage.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert, es zeigen: Fig. 1 ein allgemeines Verfahrensschema, Fig. 2 das Schaltbild einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention is explained below with reference to figures, which show: 1 shows a general process scheme, FIG. 2 shows the circuit diagram of a system for Implementation of the method according to the invention.

Bei Fig. 1 wird dem Abwasser 1 in der ersten Trennstufe 2 mittels einer semipermeablen Membran 3 das Wasser 4 entzogen und so zu konzentriertem Schlamm 5. Es wird jedoch nicht irgendeine, z. B.In Fig. 1, the wastewater 1 is in the first separation stage 2 by means a semipermeable membrane 3, the water 4 withdrawn and so to concentrated sludge 5. However, not just any, e.g. B.

natürlich vorkommende Salzlösung als osmotische Lösung 6 eingesetzt, sondern die osmotische Lösung 6 wird erfindungsgemäß gezielt in Hinblick auf die zweite Osmosestufe 7 hergestellt, wobei die Inhaltsstoffe dieser osmotischen Lösung 6 im Kreis gefahren werden und im Prinzip die Anlage nicht verlassen. In der zweiten Osmosestufe 7 wird das Wasser 4, das in der ersten Trennstufe 2 von der osmotischen Lösung 6 aufgenommen wurde, aus der osmotischen Lösung 6 mittels einer semipermeablen Membran 9 abgetrennt und verläßt als Reinwasser 8 die Anlage. Durch diese Verfahrensweise ergeben sich mehrere Vorteile: Wegen der geringen Festigkeitsanforderungen (fehlende bzw.naturally occurring saline solution used as osmotic solution 6, but the osmotic solution 6 is targeted according to the invention with regard to the second osmosis level 7 produced, the ingredients of this osmotic solution 6 are driven in a circle and, in principle, do not leave the system. In the second Osmosis level 7 is the water 4, which is in the first separation level 2 from the osmotic Solution 6 was taken up from the osmotic solution 6 by means of a semipermeable Separated membrane 9 and leaves the system as pure water 8. By doing this there are several advantages: Because of the low strength requirements (lack of respectively.

ganz geringe transmembrane Drücke) liegen die spezifischen Flächenkosten in der ersten Osmosestufe 2 sehr niedrig, so daß sowohl eine kurze Lebensdauer der Membranen 3, 9 wie auch vergleichsweise niedrige Flüsse in Kauf genommen werden können. very low transmembrane pressures) are the specific area costs in the first osmosis level 2 very low, so that both a short service life of the Membranes 3, 9 as well as comparatively low flows are accepted can.

In der zweiten Osmosestufe 7 - nämlich der umgekehrten Osmosestufe - ist nur noch ein stark vereinfachtes Problem zu lösen. Die Inhaltsstoffe der osmotischen Lösung 6 sind frei wählbar und haben zunächst nur die Forderung zu erfüllen, daß sie von der Membran 3 der ersten Osmosestufe im technisch ausreichendem Maße zurückgehalten werden. Wird in der zweiten Osmosestufe als osmotische Lösung z. B. eine NaCl-Lösung eingesetzt, so kommt man im Vergleich zu einem Abwasserreinigungsverfahren, das sich nur der umgekehrten Osmose bedient in der zweiten Osmosestufe einerseits zu wesentlich höheren Flüssen, andererseits zu wesentlich längeren Standzeiten der Membranen 3, 9. In the second osmosis stage 7 - namely the reverse osmosis stage - there is only one very simplified problem left to solve. The ingredients of the osmotic Solution 6 are freely selectable and initially only have to meet the requirement that they are retained by the membrane 3 of the first osmosis stage to a technically sufficient extent will. Is used in the second osmosis stage as an osmotic solution z. B. a NaCl solution is used, in comparison to a wastewater treatment process, the only uses reverse osmosis in the second osmosis stage on the one hand to much higher flows, on the other hand to much longer downtimes of the Membranes 3, 9.

Diese Vorteile machen sich unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten so stark bemerkbar, daß die zweistufige Verfahrensweise der einstufigen, herkömmlichen trotz der höheren reversiblen Entsalzungsarbeit und trotz der Zweistufigkeit überlegen ist.These advantages make themselves felt from an economic point of view so noticeable that the two-step procedure of the one-step, conventional superior despite the higher reversible desalination work and despite the two-stage design is.

Fig. 2 zeigt das Schema eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Reinigung von häuslichem Abwasser. Die erste Osmosestufe besteht im wesentlichen aus einem Abwasserlösungsaufnahmebehälter 10, in dem die Membran 3 so angeordnet ist, daß das häusliche Abwasser 1 und die osmotische Lösung 6 - vorzugsweise eine CaC12-Lösung - voneinander getrennt werden. Der Abwasserlösungsaufnahmebehälter 10 ist durch die semipermeable Membran 3 in zwei Behälterkammern 11, 12 getrennt, deren eine an einen Abwasserlösungszulauf 13 sowie an einen Schlammabzug 14,'deren andere an einen Zulauf 15 sowie einen Ablauf 16 für die osmotische Lösung 6 angeschlossen ist. Der durch Osmose aufkonzentrierte Schlamm 5 wird abgepumpt und einer Nachbehandlungsstufe 17 - beispielsweise ein Verdampfungsprozeß - zugeführt. Die in der ersten Osmosestufe 2 durch Osmose verdünnte CaCl2-Lösung 6 wird durch eine Pumpanlage 18 auf einen hohen Druck gebracht und in der zweiten Osmosestufe 7 - der umgekehrte-Osmosestufe in einem Umkehrosmosebehälter 19 -aufkonzentriert. Hierbei fällt das Reinwasser 8 an. Die aufkonzentrierte Lösung 6 wird in einer Turbine 20 entspannt, wodurch eine teilweise Energierückgewinnung möglich ist. Anschließend wird die entspannte CaCl2-Lösung 6 wieder der ersten Osmosestufe 2 zugeführt. Verluste an CaC12 müssen laufend aus einem Vorratsbehälter 21 gedeckt werden. - Der Umkehrosmosebehälter 19 ist durch die semipermeable Membran 9 in zwei Behälterkammern 22, 23 getrennt, deren eine 22 an Zulauf 24 und Ablauf 25 für die Lösung 6, deren andere 23 an einen Reinwasserabzug 26 angeschlossen ist.Fig. 2 shows the scheme of a preferred embodiment for Purification of domestic sewage. The first stage of osmosis essentially consists from a sewage solution receiving container 10 in which the membrane 3 is so arranged is that the domestic sewage 1 and the osmotic solution 6 - preferably one CaC12 solution - to be separated from each other. The sewage solution holding tank 10 is separated into two container chambers 11, 12 by the semi-permeable membrane 3, one of which to a wastewater solution inlet 13 and to a sludge outlet 14, 'whose others are connected to an inlet 15 and an outlet 16 for the osmotic solution 6 is. The sludge 5, which has been concentrated by osmosis, is pumped out and subjected to an aftertreatment stage 17 - for example an evaporation process - supplied. The one in the first stage of osmosis 2 CaCl2 solution 6 diluted by osmosis is transferred to a brought high pressure and in the second osmosis stage 7 - the reverse osmosis stage concentrated in a reverse osmosis container 19. Here the pure water falls 8 at. The concentrated solution 6 is expanded in a turbine 20, whereby partial energy recovery is possible. Then the relaxed CaCl2 solution 6 is fed back to the first osmosis stage 2. Loss of CaC12 must continuously from a storage container 21 are covered. - The reverse osmosis tank 19 is separated into two container chambers 22, 23 by the semipermeable membrane 9, whose one 22 to the inlet 24 and outlet 25 for the solution 6, the other 23 to one Pure water outlet 26 is connected.

Der Einsatz von CaCl2 zur Herstellung der osmotischen Lösung bringt folgende Vorteile mit sich: CaC12 ist vergleichsweise preisgünstig. CaC12 wird sowohl von der Membran 3 der ersten Osmosestufe 2 wie auch von der Membran 9 der zweiten Osmosestufe 7 in hohem Maße zurückgehalten. CaCl2 führt in der zweiten Osmosestufe 7 nicht zu Verkrustungen der Membran 9 und greift diese auch nicht an, wodurch einerseits hohe Flüsse durch diese Membran 9, andererseits aber auch eine hohe Lebensdauer der Membran 9 garantiert werden.The use of CaCl2 to produce the osmotic solution brings the following advantages: CaC12 is comparatively inexpensive. CaC12 will both from the membrane 3 of the first osmosis stage 2 as well as from the membrane 9 of the second Osmosis level 7 retained to a high degree. CaCl2 leads in the second osmosis stage 7 does not lead to incrustations of the membrane 9 and does not attack it either, which on the one hand high flows through this membrane 9, but on the other hand also a long service life the membrane 9 can be guaranteed.

Claims

Ansprüche: 1. Verfahren zum Reinigen von Abwasserlösungen, wobei das Wasser aus der Abwasserlösung durch Anwendung des Prinzips der umgekehrten Osmose entfernt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Wasser in einer ersten Osmosestufe aus der Abwasserlösung mit Hilfe einer semipermeablen Membran zunächst osmotisch in eine osmotische Lösung aus einem der in Wasser gelösten Stoffe der Gruppe NaCl, MgC12, CaC12 (oder Mischungen davon) transportiert, aus dieser osmotischen Lösung in einer zweiten Osmosestufe das Wasser über eine weitere semipermeable Membran mit Hilfe der umgekehrten Osmose abgetrennt und die von dem Wasser befreite osmotische Lösung aus der zweiten Osmosestufe in die erste Osmosestufe zurückgeführt wird. Claims: 1. A method for purifying waste water solutions, wherein the water from the sewage solution by applying the principle of reverse osmosis is removed, stating that the water in a first osmosis level from the wastewater solution with the help of a semipermeable membrane first osmotically into an osmotic solution of one of the substances dissolved in water of the group NaCl, MgC12, CaC12 (or mixtures thereof) transported from this osmotic solution in a second osmosis stage the water over a further semipermeable Membrane separated with the help of reverse osmosis and freed from the water osmotic solution from the second osmosis stage returned to the first osmosis stage will.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die osmotische Lösung in der ersten Osmosestufe einen hydrostatischen Druck aufweist, der (geringfügig) höher ist als der der Abwasserlösung.2. The method according to claim 1, characterized in that the osmotic Solution in the first osmosis stage has a hydrostatic pressure that (slightly) is higher than that of the sewage solution.

3. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Abwasserlösungsaufnahmebehälter <10) mit zwei durch eine semipermeable Membran (3) getrennten Behälterkammern (11, 12), deren eine (I1) an einen Abwasserlösungszulauf (13) sowie an einen Schlammabzug (14), deren andere (12) an einen Zulauf (15) sowie an einen Ablauf (16) für die osmotische Lösung (6) angeschlossen ist, einen Umkehrosmosebehälter (14) mit ebenfalls zwei durch eine semipermeable Membran (9) getrennten Behälterkammern (22, 23), deren eine an einen Zulauf (24) und einen Ablauf (25) für die osmotische Lösung (6), deren andere (23) an einen Reinwasserabzug (26) angeschlossen ist, und durch eine Pumpanlage (18), zwischen Abwasserlösungsaufnahmebehälter (10) und Umkehrosmosebehälter (1-9), die den Arbeitsdruck für die umgekehrte Osmose erzeugt, - wobei für die osmotische Lösung (6) ein Kreislauf vorgesehen ist.3. Plant for performing the method according to claims 1 and 2, characterized by a wastewater solution receptacle <10) with two through a semipermeable membrane (3) separate container chambers (11, 12), one of which (I1) to a wastewater solution inlet (13) and to a sludge outlet (14), the others (12) to an inlet (15) and to an outlet (16) for the osmotic solution (6) is connected, a reverse osmosis container (14) with also two through one semipermeable membrane (9) separate container chambers (22, 23), one of which is connected to a Inlet (24) and one Drain (25) for the osmotic solution (6), the other (23) is connected to a pure water outlet (26), and by a Pump system (18), between the waste water solution receiving tank (10) and the reverse osmosis tank (1-9), which generates the working pressure for the reverse osmosis, - whereby for the osmotic Solution (6) a circuit is provided.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpanlage (18) an eine Turbine (20) angekoppelt ist, die ihre Energie aus der hydrostatischen Druckdifferenz zwischen Umkehrosmosebehälter (19) und Abwasserlösungsaufnahmebehälter (10) entnimmt.4. Plant according to claim 3, characterized in that the pumping system (18) is coupled to a turbine (20), which derives its energy from the hydrostatic Pressure difference between the reverse osmosis tank (19) and the waste water solution receiving tank (10) takes.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kreislauf für die osmotische Lösung (6) ein Vorratsbehälter (21) angeschlossen ist.5. Plant according to one of claims 3 or 4, characterized in that that a storage container (21) is connected to the circuit for the osmotic solution (6) is.