WO2014090973A1 - Verfahren und anlage zur aufbereitung und verarbeitung von wässern - Google Patents

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WO2014090973A1
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distillate
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Burkhard Seifert
Alexander Kroiß
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Technische Universität München
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a plant for the treatment and processing of waters by removing a component to be separated at least partially from a raw water and / or recovered in concentrated form.
  • the method and the device are used in particular in the desalination or salt reduction of seawater or brackish water or in the treatment and processing of waters from the oil and gas industry or from mining.
  • the process and apparatus can provide permeate, very pure distillate, and very high concentration sols of a component to be separated.
  • raw water For the desalination of waters, for example of sea or brackish water, and for the treatment of industrial wastewater, it is customary in the prior art to use membrane processes and / or thermal processes to remove salt or other constituents to be separated from the water to be treated, hereinafter referred to as "raw water”. designated to remove.
  • the prior art uses various membrane processes for the treatment and processing of waters. Examples are the methods of reverse osmosis (RO), nanofusion and ultrafiltration. Ultrafiltration processes are used in particular in the oil and gas industry for the treatment of industrial waters.
  • RO reverse osmosis
  • nanofusion nanofusion
  • ultrafiltration processes are used in particular in the oil and gas industry for the treatment of industrial waters.
  • Membrane processes are widely used for desalination applications, for example in seawater or brackish water desalination, due to their comparatively good energy efficiency, which is usually between 2.5 and 10 kWh for the recovery of one m 3 of water.
  • membrane plants are also used for the treatment and processing of industrial waters, for example - -
  • waters from mining waters in electroplating or waters in the food industry.
  • certain waters are concentrated using membrane techniques.
  • a raw water to be treated is brought into contact with a membrane.
  • the membrane is largely impermeable to the constituents of the raw water to be separated (so-called semipermeable membrane), so that the part of the raw water flowing through the membrane (so-called permeate) is free or almost free of the components to be separated, while the effluent concentrate (so-called brine), which does not flow through the membrane containing these constituents.
  • a water recovered from the raw water and having a higher concentration of a component to be separated than the raw water is referred to as a "brine", irrespective of whether the component to be separated is a salt Not.
  • the concentration ofprooftren- nenden raw water constituents In the treatment of raw water with the help of reverse osmosis so the permeate exits on the outlet side of the membrane, while increasing in the brine, the concentration ofprooftren- nenden raw water constituents.
  • the brine or a portion thereof may be recycled to the entrance side of the membrane as often as necessary until a certain concentration of the component to be separated is reached on the entrance side of the membrane.
  • the ratio of the amount of permeate obtained to the amount of raw water used for this purpose is also referred to as the recovery ratio.
  • MeemassemmLiteosmose (MWUO) plants higher investment and operating costs than for reverse osmosis systems, which treat a raw water with a relatively low salinity.
  • thermal treatment processes include membrane distillation, mechanical vapor compression, multi-effect distillation (MED), wet-air distillation and multi-stage flash evaporation (so-called multi-stage flash, MSF).
  • MED multi-effect distillation
  • MSF multi-stage flash
  • thermal treatment processes can also be used for waters or tailings from the oil and gas industry, waters from mining, waters in electroplating or waters in the food industry.
  • certain waters are also concentrated or thickened using thermal treatment processes to produce sugar concentrate, thick juice or fruit juice concentrate.
  • Thermal treatment processes such as the moist air distillation, are relatively energy consuming and are used especially when an advantageous heat source for treatment and / or processing of raw water is present.
  • the raw water is heated or heated, whereby only pure water evaporates and humidifies the air in the system.
  • the water vapor is condensed out as pure distillate. What remains is a brine, which can be removed as waste or residue product.
  • it is also possible to use "virtually salt-free operation" so-called zero liquid discharge) in which the residue product is present in a very high concentration so that only a very small amount of brine has to be removed.
  • Feuchtluftdestillationsanlagen can be operated almost independently of the concentration of the components to be separated in the raw water. Therefore, they are particularly suitable for the treatment and processing of high saline raw water, since the plant configuration and the energy consumption are hardly affected by the salinity.
  • the prior art also discloses the combination of thermal processing systems with membrane systems.
  • Such a hybrid desalination system will be - -, in the article: "Hybrid Desalination Systems. Alternative Designs of Thermal and Membrane Processes" M. Marcovecchio et al, 10 th International Symposium on Process Systems Engineering - indicated PSE in 2009.
  • the system includes a first multi-stage Flash (MSF) system and a second reverse osmosis system.
  • the flash evaporation plant is connected upstream of the reverse osmosis system, which increases the throughput of the reverse osmosis plant.
  • a series connection of two membrane plants and a subsequent thermal see plant for the treatment of hot textile wastewater is known from DE 31216942 AI.
  • the two membrane plants form a first and a second plant stage and serve for the at least partial recovery of the thermal energy contained in the textile wastewaters.
  • the warm permeate of the second membrane unit has a lower temperature than the hot permeate of the first membrane unit and can be returned to the reprocessed hot textile waste water flowing to the first membrane unit for a renewed separation process.
  • the thermal plant forms a third stage for the recovery of recyclables by means of concentration.
  • the inventive method comprises feeding a raw water into a membrane plant, wherein the raw water contains a component to be separated.
  • the raw water is separated into at least one permeate and a first brine.
  • the permeate contains a smaller proportion of the component to be separated than the raw water.
  • the first brine contains a higher proportion of the component to be separated than the raw water.
  • the first brine is fed to a thermal plant, in which the first brine in at least - - a first distillate and a second brine is separated. At least part of the first distillate is introduced into the raw water, which is located in the inflow to or in the membrane plant. As a result, the concentration of a component to be separated in the raw water in the inflow to or in the membrane system is reduced.
  • seawater or brackish water may similarly refer to other raw waters having a corresponding concentration rather than a particular salinity have any other components to be separated, and all said in terms of seawater or brackish water desalination applies mutatis mutandis to other raw waters and components to be separated, especially for waters or fracking water from the oil and gas industry, for waters from mining, for water in the Electroplating or for waters in the food industry.
  • the costs for the plant itself and for the operation of the plant increase with the salinity of the raw water. Due to the fact that in the process according to the invention at least part of the first distillate is introduced into the raw water in the inflow to or in the membrane plant, the salinity of the raw water can be reduced. Due to the reduced salinity of the raw water and the pressure is lower, which is required to flow the raw water through the membrane or membranes of the membrane system. This pressure is approximately proportional to the salt concentration or to the salinity of the raw water. The lower salinity of the raw water allows, for example, cheaper membranes and pumps that withstand less pressure or have to apply less pressure to use for the membrane system.
  • the investment and operating costs for the membrane system are reduced.
  • the first brine is not discharged unused, but used for the extraction of the first distillate.
  • the first distillate in turn contributes to the production of permeate.
  • the amount of permeate produced is increased, ie the treatment ratio improved.
  • the volumetric fraction of the waste product is reduced.
  • the temperature of the raw water flowing to the membrane system can be increased. This increase in temperature can increase the efficiency with which the membrane system is operated. Both the reduction in the concentration of the component to be separated in the raw water and the heating of the raw water can lead to a cost savings in the membrane system and thus to a relatively low production in the overall system.
  • the inventors have recognized, however, that the benefits to the membrane system more than outweigh the expense of using an additional thermal system. It has been found that the overall system formed by the system according to the invention permits a more favorable production of the permeate than is possible in a single operation or in a series-connected operation of one thermal installation and one membrane installation.
  • the plant further comprises a preheater in which heat of the second brine is transferred from the thermal plant to the raw water before it enters the membrane plant. This makes it possible to increase the inlet temperature of the raw water and to advantageously change the process temperature in the membrane system, so that the membrane system can be operated more efficiently.
  • the second brine can be separated into at least a second distillate and a third brine.
  • the second distillate may be at least partially introduced into raw water, which flows to the membrane unit or is located in the membrane unit.
  • the salinity of the raw water can be further reduced and the investment and - - Drive costs of the membrane system can be further reduced.
  • the volume fraction of the residual product, namely the third brine can be further reduced.
  • Another advantage resulting from the use of the preheater is that the residue product, namely the third brine, is less warm than the second brine, thus simplifying the handling of the evacuation.
  • the process according to the invention is particularly advantageous for the treatment and processing or the concentration of raw waters which have a high concentration of a constituent to be separated, which does not or only slightly changes to the gas phase in the case of evaporation or evaporation.
  • the concentration can be reduced by introducing at least part of the first and / or second distillate.
  • the concentration of the component to be separated in the raw water in the inventive method by introducing the first and / or the second distillate by at least 5%, more preferably at least 20% and in particular reduced by at least 30%.
  • the inventive method can be used for example for the treatment of brackish water or seawater, and in particular for waters that have a salinity of> 20,000 mg / kg.
  • the unit "mg / kg" in the present specification means a concentration, and a concentration or salinity of 1 mg / kg means that 1 kg of the water added with the component contains 1 mg of the ingredient.
  • the temperature of the raw water in the inflow to or in the membrane plant with the aid of said introduction of the first and / or the second distillate or by preheating using brine from the thermal plant to a temperature of> 20 ° C, preferably of> 30 ° C and particularly preferably of> 35 ° C and / or to a temperature of ⁇ 60 ° C, preferably of ⁇ 50 ° C and particularly preferably increased by ⁇ 45 °.
  • a temperature of> 20 ° C preferably of> 30 ° C and particularly preferably of> 35 ° C and / or to a temperature of ⁇ 60 ° C, preferably of ⁇ 50 ° C and particularly preferably increased by ⁇ 45 °.
  • HT membranes high-temperature membranes
  • the preferred upper temperature limitations mentioned above do not apply.
  • the efficiency can be further increased.
  • at least a portion of the second brine is returned to a first brine, which is located in the inflow to or in the thermal system.
  • At least a part of the second brine is again subjected to the separation process of the thermal plant in at least a first distillate and a second brine, so that a concentration takes place.
  • the amount of waste product can be reduced and at the same time the yield of the first distillate can be increased.
  • the recycling in the thermal plant can be carried out for example by means of a batch operation or in a continuous operation.
  • the second brine may be supplied to the thermal process, for example, one or more additional times. Then the resulting brine can be removed and the process repeated with fresh first brine.
  • very high concentrations in the residue product and, concomitantly, an advantageously small volume of the residue product can be achieved.
  • the entire second brine is recycled.
  • the second brine can be recycled in a continuous operation of the thermal system.
  • concentration achieved is less than in the case of batch operation, but no replacement of the brine has to be carried out.
  • the second brine is recycled such that the temperature of the brine upon entry into the thermal plant ⁇ 55 ° C, more preferably ⁇ 50 ° C, in particular ⁇ 45 ° C and / or preferably> 20 ° C, particularly preferably> 30 ° C, in particular> 40 ° C. - -
  • the adjustment of the inlet temperature can be set by the recirculation time or by the amount of recirculated second brine.
  • the above-mentioned temperature ranges ensure that the upper process temperature is not exceeded.
  • the usual in the prior art methods for storing water can be used.
  • a stockpiling of the first and / or the second brine can be made.
  • the stock brine can then be reused later.
  • these known from the prior art method should not be discussed in detail in the present description.
  • Renewable energies in particular solar energy and / or waste heat or geothermal heat, can be used for the operation of the membrane installation and / or the thermal installation, for example.
  • the method according to the invention for concentration of waters, in particular of waters or tailings from the oil and gas industry, of waters from mining, of waters in electroplating or of waters in the food industry.
  • waters in particular of waters or tailings from the oil and gas industry, of waters from mining, of waters in electroplating or of waters in the food industry.
  • certain waters may be concentrated or thickened using the process of the present invention to produce sugar concentrate, concentrated juice or fruit juice concentrate.
  • the present invention further comprises a plant for the treatment of waters comprising a membrane plant and a thermal plant.
  • the membrane system is used to separate a raw water into at least one permeate and a first brine and comprises a first supply and a first and a second output.
  • Raw water is supplied to the membrane system through the first supply, and permeate or first brine is discharged from the membrane system through the first or second outlet.
  • the thermal system serves to separate the first brine into at least one first distillate and a second brine and comprises a second supply and a third and a fourth output.
  • the second feed is connected to the second output.
  • the second feed supplies at least part of the first brine to the thermal system.
  • the third or fourth outlet separates the first distillate or the second brine from the thermal plant.
  • the installation according to the invention furthermore comprises a first connection in order to supply at least a portion of the first distillate to the raw water.
  • the plant further comprises a return to at least recycle a portion of the discharged from the thermal plant second brine.
  • the discharged second brine can be supplied, for example, to the first brine in the second supply or in the thermal plant.
  • the recirculation can be outside and / or within the thermal plant.
  • the return may also include a reservoir, for example, for a batch operation in which the second brine can be subjected to the process within the thermal plant several times and in succession.
  • a reverse osmosis plant, a nanofluidization plant or an ultrafiltration plant can be used as membrane plant.
  • a thermal plant for example, a distillation plant, in particular a wet air distillation plant, a membrane distillation plant, a multi-effect distillation plant, a mechanical vapor compression system or a multi-stage flash system can be used.
  • the plant may further include a preheater to preheat the raw water for the membrane plant using second brine from the thermal plant. In this case, the second brine is at least partially transferred to a third brine.
  • the preheater includes a third supply, a fourth supply, a fifth output and a sixth output. Through the fourth supply the preheater is supplied to the preheated raw water.
  • the third supply which is connected to the fourth output of the thermal system, at least a portion of the second brine is introduced into the preheater, so that heat from the second brine can be transferred to the raw water.
  • the sixth output of the preheater which is connected to the first supply of the membrane plant, the preheated raw water is discharged. The discharged preheated raw water is fed to the membrane unit through the first supply.
  • the third brine can be removed from the preheater.
  • the second brine in the preheater can be at least partially separated into the third brine and a second distillate.
  • the preheater further comprises a seventh output and the system further comprises a second connection.
  • the second connection is connected to the first supply of the membrane unit and to the seventh output of the preheater.
  • the second distillate can be removed through the seventh outlet of the preheater and via the second connection at least partially into the raw water, which flows to the membrane unit or is located in the membrane unit, are introduced.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of the system according to the invention, with which the inventive method can be performed.
  • FIG. 2 is a schematic drawing of a second embodiment of the plant according to the invention, which further comprises a preheater for preheating the raw water.
  • the membrane system 12 includes a first supply 16, a first output 18 and a second output 20.
  • the thermal system 14 comprises a second supply 22, a third output 24 and a fourth output 26.
  • the system 10 comprises a first connection 28 between the Third output 24 and the first supply 16.
  • the system 10 includes a return 30, which connects the fourth output 26 and the second supply 22 with each other.
  • the thermal system 14 is operated by means of a heater 32.
  • the system 10 comprises a first outlet 39 and a second outlet 41.
  • the guide 39 is connected to the second outlet 20 and the second outlet 41 is connected to the third outlet 24.
  • the raw water 34 of the membrane unit 12 is supplied through the first supply 16.
  • the raw water 34 within the membrane unit 12 is separated into at least one permeate 36 and a first brine 38.
  • the permeate 36 is discharged through the first outlet 18 and the first brine 38 is discharged from the membrane unit 12 through the second outlet 20.
  • the first brine 38 is wholly or partially supplied through the second supply 22 in the thermal system 14: A portion of the first brine 38 can be removed via the first discharge 39.
  • the thermal system 14 is then the remaining non-discharged or removed part of the first brine 38 is supplied.
  • the first brine 38 is then separated into at least a first distillate 40 and a second brine 42.
  • the first distillate 40 is discharged through the third output 24 from the thermal plant 14 and fed via the first connection 28 to the raw water 34 in the inflow to the membrane unit 12. It should be noted that the distillate 40 can be supplied to the raw water 34 - unlike in FIG. 1 - also within the membrane installation 12. Furthermore, it is possible to remove part of the first distillate 40 via the second outlet 41.
  • Fig. 2 shows a second embodiment 10 'of the system according to the invention, which represents an advantageous development of the system 10 of Figure 1.
  • the system 10 'additionally comprises a preheater 44 which comprises a third supply 46 and a fourth supply 48 as well as a fifth output 50, a sixth output 52 and a seventh output 54.
  • the system 10 'contains a second connection 56 and a third outlet 58.
  • the second connection 56 connects the seventh outlet 54 of the preheater 44 with the first supply 16 to the membrane installation 12.
  • the third outlet 58 is connected via the second connection 56 connected to the seventh output 54 of the preheater 44.
  • the raw water 34 is supplied to the preheater 44 through the fourth supply 48 and the second brine 42 is supplied through the third supply 46.
  • the preheater 44 With the aid of the preheater 44, heat of the second brine 42 which has been heated in the thermal installation 14 can be at least partially transferred to the raw water 34.
  • the heated raw water 34 is discharged through the sixth outlet 52 of the preheater 44 and the membrane - - Anläge 12 supplied as preheated raw water 34 through the first supply 16. Due to the heating of the raw water 34 through the preheater 44, the membrane unit 12 can be operated more efficiently.
  • the second brine 42 in the preheater 44 is at least partially transferred to a third brine 60.
  • the third brine 60 is discharged via the fifth outlet 50 of the preheater 44 as a waste or residue product or as recovered concentrated product.
  • the preheater 44 has the function of a heat exchanger with which the heat energy of the second brine 42 can be used to increase the efficiency of the membrane system 12.
  • the discharged third brine 60 has a lower temperature than the second brine 42. This is another advantage because the handling of the discharged product is facilitated.
  • the preheater 44 thus increases the efficiency of the membrane system 12 by heating the raw water; on the other hand, it facilitates the handling of the less hot discharged third brine 60 by cooling the second brine 42.
  • the preheater 44 may be implemented as a thermal plant or as a stage of a thermal plant in which the second brine 42 is separated into the third brine 60 and a second distillate 62. This is an example of the term used above, according to which only one part of the second brine 42 is "transferred" to the third brine 60.
  • the second distillate 62 may be removed through the seventh exit 54 of the preheater 44. Subsequently, the second distillate 62 can be discharged through the third discharge 58 and / or supplied to the heated raw water 34 via the second connection 56. In this case, the second distillate 62 can be completely or partially removed from the preheater 44 or fed to the raw water 34.
  • the water production costs for a seawater reverse osmosis (MWUO) plant are much higher than the water production costs for a brackish water reverse osmosis (BWUO) plant.
  • the pressure that must be used to pump the seawater or brackish water through the membrane membrane membrane is approximately proportional to the salt concentration of the water.
  • High salt concentrations of more than 25,000 mg / kg usually require a pressure of more than 6 MPa, which must be applied by appropriate pumps.
  • With a lower salt concentration for example, brackish water with a salinity of less than 10,000 mg / kg, the pressure required is lower, so that pumps can be used, which must apply only a pressure of 1 MPa or less.
  • thermal plants the water production costs are usually higher in comparison to membrane plants.
  • the energy required to process raw water is provided by a thermal plant operating on the principle of multi-effect distillation, for example at 80 kWh / m 3 and in a thermal plant operating on the principle of wet-air distillation, for example at 200 kWh / m 3 .
  • a humid air distillation plant is indicated in which the water costs in a Capacity of 2000 m 3 / day 21.50 EUR / m 3 .
  • the plants 10 and 10 'combine the advantages of the membrane plant 12 and the thermal plant 14, namely the high throughput at low cost and the salinity-independent performance or the production of virtually salt-free distillate 40.
  • a more favorable membrane installation 12 can be used and a higher yield of permeate 36 can be achieved than would be possible without the thermal installation 14.
  • the concentration of components to be separated in the second brine 42 can be adjusted in the desired manner. Compared to the sole operation of the membrane installation 12, the second brine 42 thus also has a higher concentration than the first brine 38.
  • the scrap formed by the second brine 42 is further reduced in the system 10, since part of the second brine 42 is again used for distillate recovery, which in turn is used to reduce the salinity of the raw water 34.
  • the no longer or no longer recycled second brine 42 contains a concentrate of the components to be separated and is taken from the plant.
  • the plant 10 shown in Figure 1 is operated in continuous operation, in which the raw water 34 flows continuously and the permeate 36 and a portion of the second brine 42 flow continuously.
  • the other part of the second brine 42 is supplied via the return 30 of the first brine 38, whereby the flow of the second brine 42, which ultimately leaves the plant 10, is lower and has a higher concentration than would be the case without the return 30.
  • the thermal system 14 can also be operated in batch mode. For this purpose, for example, the entire second brine 42, which is produced within a certain time, mixed with a first brine 38 or even unmixed, one or more further times the distillation process in the thermal plant 14 are subjected. Then the brine is disposed of and the process continues with a new batch. This allows a very high concentration can be achieved, which can lead to a virtually solefree operation (Zero Liquid Discharge).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage (10) zur Aufbereitung und Verarbeitung von Wässern. Ein Rohwasser (34) wird einer Membrananlage (12) zugeführt. In der Membrananlage (12) wird das Rohwasser (34) in mindestens ein Permeat (36) und eine erste Sole (38) getrennt. Die erste Sole (38) wird einer thermischen Anlage (14) zugeführt, in der die erste Sole (38) in mindestens ein erstes Destillat (40) und eine zweite Sole (42) getrennt wird. Zumindest ein Teil des ersten Destillates (40) wird in Rohwasser (34) eingeleitet, das der Membrananlage (12) zufließt oder sich in der Membrananlage (12) befindet.

Description

Verfahren und Anlage zur Aufbereitung und Verarbeitung von Wässern
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Aufbereitung und Verarbeitung von Wässern, indem ein abzutrennender Bestandteil zumindest teilweise aus einem Rohwasser entfernt und/oder in aufkonzentrierter Form gewonnen wird. Das Verfahren und die Vorrichtung finden insbesondere bei der Entsalzung oder Salzreduzierung von Meer- oder Brackwasser oder bei der Aufbereitung und Verarbeitung von Wässern aus der Öl- und Gasindustrie oder aus dem Bergbau Anwendung. Das Verfahren und die Vorrichtung können Permeat, sehr reines Destillat und Sole mit sehr hoher Konzentration eines abzutrennenden Bestandteils liefern. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Entsalzung von Wässern, beispielsweise von Meer- oder Brackwasser, und zur Aufbereitung von Industrieabwässern ist es im Stand der Technik üblich, Membranverfahren und/oder thermische Verfahren einzusetzen, um Salz oder andere abzutrennende Bestandteile aus dem aufzubereitenden Wasser, im Folgenden als "Rohwasser" bezeichnet, zu entfernen.
Im Stand der Technik werden verschiedene Membranverfahren zur Aufbereitung und Verarbeitung von Wässern eingesetzt. Beispiele sind die Verfahren der Umkehrosmose (UO), der Nanofütration und der Ultrafiltration. Ultrafiltrationsverfahren finden insbesondere in der 01- und Gasindustrie zur Aufbereitung von Industriewässern Anwendung.
Membranverfahren werden zum Beispiel aufgrund ihrer vergleichsweise guten Energieeffizi- enz, die üblicherweise zwischen 2,5 und 10 kWh für die Gewinnung von einem m3 Wasser beträgt, in großem Umfang für Entsalzungsanwendungen eingesetzt, z.B. in der Meer- oder Brackwasserentsalzung. Außer zur Entsalzung werden Membrananlagen jedoch auch zur Aufbereitung und Verarbeitung von Wässern aus der Industrie verwendet, beispielsweise für - -
Wässer bzw. Frackwasser aus der Öl- und Gasindustrie, Wässer aus dem Bergbau, Wässer in der Galvanik oder Wässer in der Nahrungsmittelindustrie. Zum Beispiel werden in der Nahrungsmittelindustrie zur Herstellung von Zuckerkonzentrat, Dicksaft oder Fruchtsaftkonzentrat bestimmte Wässer mithilfe von Membranverfahren aufkonzentriert bzw. eingedickt.
Ein bekanntes Prinzip, nach dem Membrananlagen betrieben werden können, ist die Umkehrosmose. Bei Umkehrosmoseanlagen wird ein aufzubereitendes Rohwasser mit einer Membran in Kontakt gebracht. Die Membran ist für die abzutrennenden Bestandteile des Rohwassers weitgehend undurchlässig (sog. semipermeable Membran), so dass der durch die Memb- ran hindurch strömende Teil des Rohwassers (sog. Permeat) frei oder nahezu frei von den abzutrennenden Bestandteilen ist, während das abströmende Konzentrat (sog. Sole), das nicht durch die die Membran hindurchströmt, diese Bestandteile enthält. In der vorliegenden Offenbarung wird ein Wasser, das aus dem Rohwasser gewonnen wird und das eine höhere Konzentration eines abzutrennenden Bestandteils aufweist als das Rohwasser, als "Sole" be- zeichnet, unabhängig davon, ob es sich bei dem abzutrennenden Bestandteil um ein Salz handelt oder nicht.
Bei der Aufbereitung von Rohwasser mit Hilfe der Umkehrosmose tritt also das Permeat auf der Austrittsseite der Membran aus, während sich in der Sole die Konzentration der abzutren- nenden Rohwasserbestandteile erhöht. Die Sole oder ein Teil davon kann so oft zur Eintrittsseite der Membran zurückgeführt werden, bis eine bestimmte Konzentration des abzutrennenden Bestandteils auf der Eintrittsseite der Membran erreicht ist. Das Verhältnis der gewonnenen Menge an Permeat zu der dazu eingesetzten Menge an Rohwasser wird auch als Aufbereitungsverhältnis (engl, recovery ratio) bezeichnet.
Aufgrund des Konzentrationsunterschiedes zwischen dem Rohwasser bzw. der Sole auf der Membraneintrittsseite und dem Permeat auf der Membranaustrittsseite besteht ein osmotischer Druck, der überwunden werden muss, damit überhaupt Permeat - in entgegengesetzte Osmoserichtung - durch die Membran treten kann. Je höher die Konzentration, z.B. die Salz- konzentration (Salinität), des Rohwassers ist, desto höher sind auch der Konzentrationsunterschied und damit der aufzuwendende Druck. Mit steigendem Druck steigen die technischen Anforderungen an Umkehrosmoseanlagen, da beispielsweise stärkere Pumpen erforderlich sind und die Belastung für die Membranen und andere Anlagenbestandteile höher ist. Daher fallen für Umkehrosmoseanlagen, bei denen das Rohwasser aus Meerwasser besteht, sog. - -
Meemassemmkehrosmose(MWUO)-Anlagen, höhere Investitions- und Betriebskosten an als für Umkehrosmoseanlagen, die ein Rohwasser mit einer vergleichsweise geringen Salinität aufbereiten. Im Stand der Technik werden auch verschiedene thermische Aufbereitungsverfahren zur Aufbereitung von Wässern eingesetzt. Beispiele für thermische Aufbereitungsverfahren sind die Membrandestillation, die mechanische Dampfkompression, die Multi-Effekt-Destillation (MED), die Feuchtluftdestillation und die mehrstufige Entspannungsverdampfung (sog. Mul- ti-Stage-Flash, MSF). Zur Aufbereitung von Wässern aus der Industrie findet insbesondere die mechanische Dampfkompression Verwendung, zur Meerwasserentsalzung wird die MultiEffekt-Destillation oder Multi-Stage-Flash eingesetzt. Zudem können thermische Aufbereitungsverfahren auch für Wässer bzw. Frackwasser aus der Öl- und Gasindustrie, Wässer aus dem Bergbau, Wässer in der Galvanik oder Wässer in der Nahrungsmittelindustrie verwendet werden. Zum Beispiel werden in der Nahrungsmittelindustrie zur Herstellung von Zucker- konzentrat, Dicksaft oder Fruchtsaftkonzentrat bestimmte Wässer auch mithilfe thermischer Aufbereitungsverfahren aufkonzentriert bzw. eingedickt.
Thermische Aufbereitungsverfahren, wie beispielweise die Feuchtluftdestillation, sind vergleichsweise energieaufwendig und werden vor allem dann eingesetzt, wenn eine vorteilhafte Wärmequelle zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung eines Rohwassers vorhanden ist. Dabei wird das Rohwasser erwärmt bzw. erhitzt, wobei nur reines Wasser verdampft und die im System befindliche Luft befeuchtet. Der Wasserdampf wird als reines Destillat auskondensiert. Zurück bleibt eine Sole, die als Abfall- oder Rückstandsprodukt abgeführt werden kann. Je nach Anlage und Prozessparametern ist auch ein„nahezu solefreier Betrieb" (sog. Zero Liquid Discharge) möglich, bei dem das Rückstandsprodukt in sehr hoher Konzentration vorliegt, so dass nur eine sehr geringe Menge an Sole abgeführt werden muss.
Feuchtluftdestillationsanlagen können nahezu unabhängig von der Konzentration der abzutrennenden Bestandteile im Rohwasser betrieben werden. Daher sind sie besonders gut für die Aufbereitung und Verarbeitung von hochsalinem Rohwasser geeignet, da die Anlagenkonfiguration und der Energieaufwand kaum durch die Salinität beeinflusst werden.
Aus dem Stand der Technik ist auch die Kombination von thermischen Aufbereitungssystemen mit Membransystemen bekannt. Ein solches Hybridentsalzungssystem wird beispiels- - - weise in dem Artikel: "Hybrid Desalination Systems: Alternative Designs of Thermal and Membrane Processes. " M. Marcovecchio et al, 10th International Symposium on Process Systems Engineering - PSE 2009 angegeben. Das System umfasst eine erste Anlage, die nach dem Prinzip der mehrstufigen Entspannungsverdampfung (Multi-Stage-Flash, MSF) arbeitet, sowie eine zweite Anlage, die nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeitet. Die Entspan- nungsverdampfungsanlage ist der Umkehrosmoseanlage vorgeschaltet, wodurch der Durchsatz der Umkehrosmoseanlage erhöht wird.
Eine Hintereinanderschaltung von zwei Membrananlagen und einer nachfolgenden thermi- sehen Anlage zur Aufbereitung von heißen Textilabwässern ist aus der DE 31216942 AI bekannt. Die zwei Membrananlagen bilden eine erste und eine zweite Anlagenstufe und dienen zur zumindest teilweisen Rückgewinnung der in den Textilabwässern enthaltenen Wärmeenergie. Das warme Permeat der zweiten Membrananlage weist eine geringere Temperatur als das heiße Permeat der ersten Membrananlage auf und kann für einen erneuten Trennprozess dem aufzubereitenden heißen Textilabwasser, das der ersten Membrananlage zufließt, zurückgeführt werden. Die thermische Anlage bildet eine dritte Stufe zur Rückgewinnung von Wertstoffen mithilfe einer Aufkonzentration.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anlage zur Verfügung zu stellen, mit denen Wässer effizienter und kostengünstiger aufbereitet werden können als es im Stand der Technik üblich ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Anlage nach Anspruch 10. Vorteilhafte Merkmale und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Zuführen eines Rohwassers in eine Membrana- nlage, wobei das Rohwasser einen abzutrennenden Bestandteil enthält. In der Membrananlage wird das Rohwasser in mindestens ein Permeat und eine erste Sole getrennt. Dabei enthält das Permeat einen geringeren Anteil des abzutrennenden Bestandteils als das Rohwasser. Die erste Sole enthält einen höheren Anteil des abzutrennenden Bestandteils als das Rohwasser. Die erste Sole wird einer thermischen Anlage zugeführt, in der die erste Sole in mindestens - - ein erstes Destillat und eine zweite Sole getrennt wird. Zumindest ein Teil des ersten Destillates wird in das Rohwasser eingeleitet, das sich im Zufluss zur oder in der Membrananlage befindet. Dadurch wird die Konzentration eines abzutrennenden Bestandteils im Rohwasser im Zufluss zur oder in der Membrananlage reduziert.
Auch wenn in der folgenden Beschreibung zur Veranschaulichung der Erfindung konkreter Bezug auf die Reduzierung der Salinität von Meer- oder Brackwasser genommen wird, ist zu beachten, dass sich die vorliegende Erfindung entsprechend auch auf andere Rohwässer beziehen kann, die anstatt einer bestimmten Salinität eine entsprechende Konzentration eines anderen abzutrennenden Bestandteils aufweisen, und alles in Bezug auf Meer- oder Brackwasserentsalzung gesagte sinngemäß auch für andere Rohwässer und abzutrennende Bestandteile gelten soll, insbesondere für Wässer bzw. Frackwasser aus der Öl- und Gasindustrie, für Wässer aus dem Bergbau, für Wässer in der Galvanik oder für Wässer in der Nahrungsmittelindustrie.
Bei der Aufbereitung solcher Wässer mit Hilfe von Membrananlagen steigen die Kosten für die Anlage selbst sowie für den Betrieb der Anlage mit der Salinität des Rohwassers. Dadurch, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest ein Teil des ersten Destillates in das Rohwasser im Zufluss zur oder in der Membrananlage eingeleitet wird, kann die Salini- tät des Rohwassers reduziert werden. Aufgrund der verringerten Salinität des Rohwassers ist auch der Druck geringer, der erforderlich ist, um das Rohwasser durch die Membran bzw. die Membranen der Membrananlage strömen zu lassen. Dieser Druck ist annähernd proportional zur Salzkonzentration bzw. zur Salinität des Rohwassers. Die geringere Salinität des Rohwassers gestattet es beispielsweise günstigere Membranen und Pumpen, die weniger Druck standhalten bzw. weniger Druck aufbringen müssen, für die Membrananlage zu verwenden. Daher werden aufgrund der geringeren Salinität die Investiti- ons- und die Betriebskosten für die Membrananlage verringert. Gleichzeitig wird die erste Sole nicht ungenutzt abgeführt, sondern zur Gewinnung von erstem Destillat genutzt. Das erste Destillat wiederum trägt zur Gewinnung von Permeat bei. Somit wird aufgrund der Kopplung mit der thermischen Anlage pro eingesetzter Menge an Rohwasser die Menge an erzeugtem Permeat erhöht, d.h. das Aufbereitungsverhältnis verbessert. Zudem wird aufgrund der Gewinnung von erstem Destillat aus der ersten Sole der volumenmäßige Anteil des Abfallproduktes reduziert. - -
Durch die Rückführung des ersten Destillats der thermischen Anlage kann - anders als es bei der Rückführung des warmen Permeats in das heiße Textilabwasser bei der eingangs genannten Anlage der DE 31216942 AI möglich ist - die Temperatur des Rohwassers, das der Membrananlage zufließt, erhöht werden. Diese Temperaturerhöhung kann die Effizienz, mit der die Membrananlage betrieben wird, steigern. Sowohl die Konzentrationsreduzierung des abzutrennenden Bestandteils im Rohwasser als auch die Erwärmung des Rohwassers können zu einer Kostenersparnis bei der Membrananlage und damit zu einer vergleichsweise günstigen Produktion im Gesamtsystem führen.
Mit anderen Worten lässt sich sagen, dass mit der erfindungsgemäßen Anlage, bestehend aus einer Membrananlage und einer thermischen Anlage, pro zugeführter Rohwassermenge mehr Permeat und weniger, aber dafür höher konzentrierte Sole bei geringeren Investitions- und Betriebskosten der Membrananlage erzeugt werden kann, als mit einer Membrananlage allein. Auf den ersten Blick widerspricht es der Intuition, dass unter Einsatz einer zusätzlichen ther- mischen Anlage und der Rückführung eines eigentlich unbelasteten ersten Destillates die Kosten für das aufbereitete Wasser reduziert werden können.
Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass die Vorteile für die Membrananlage den Aufwand, eine zusätzliche thermische Anlage zu verwenden, mehr als lediglich aufwiegen. Es hat sich gezeigt, dass das Gesamtsystem, das durch die erfindungsgemäße Anlage gebildet wird, eine günstigere Produktion des Permeats erlaubt, als es bei einem Einzelbetrieb oder bei einem hintereinander geschalteten Betrieb von jeweils einer thermischen Anlage und einer Membrananlage möglich ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Anlage weiterhin einen Vorwärmer, in dem Wärme der zweiten Sole aus der thermischen Anlage auf das Rohwasser vor dessen Eintritt in die Membrananlage übertragen wird. Dadurch ist es möglich, die Eintrittstemperatur des Rohwassers zu erhöhen und die Prozesstemperatur in der Membrananlage vorteilhaft zu verändern, so dass die Membrananlage effizienter betrieben werden kann.
In dem Vorwärmer kann die zweite Sole in mindestens ein zweites Destillat und eine dritte Sole getrennt werden. Das zweite Destillat kann zumindest teilweise in Rohwasser eingeleitet werden, das der Membrananlage zufließt oder sich in der Membrananlage befindet. Dadurch kann die Salinität des Rohwassers weiter verringert und können die Investitions- und die Be- - - triebskosten der Membrananlage weiter reduziert werden. Zudem kann aufgrund der Gewinnung von zweitem Destillat aus der zweiten Sole der volumenmäßige Anteil des Rückstandsproduktes, nämlich der dritten Sole, weiter reduziert werden. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Verwendung des Vorwärmers ergibt ist, dass das Rückstandsprodukt, nämlich die dritte Sole weniger warm als die zweite Sole ist, wodurch die Handhabung des Abtransportes vereinfacht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft für die Aufbereitung und Verarbei- tung oder die Aufkonzentration von Rohwässern, die eine hohe Konzentration eines abzutrennenden Bestandteilsaufweisen, der bei einer Verdampfung oder Verdunstung nicht oder nur geringfügig in die Gasphase übergeht. Die Konzentration kann mit Hilfe des Einleitens zumindest eines Teils des ersten und/oder zweiten Destillates reduziert werden. Vorzugsweise wird die Konzentration des abzutrennenden Bestandteils im Rohwasser in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Einleiten von dem ersten und/oder dem zweiten Destillat um mindestens 5 %, besonders vorzugsweise um mindestens 20 % und insbesondere um mindestens 30 % reduziert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise für die Aufbereitung von Brackwasser oder Meerwasser eingesetzt werden, und insbesondere für Wässer, die eine Salinität von > 20.000 mg/kg aufweisen. Die Einheit„mg/kg" bezeichnet in der vorliegenden Beschreibung eine Konzentration. Eine Konzentration oder Salinität von 1 mg/kg bedeutet, dass 1 kg des mit dem Bestandteil versetzten Wassers 1 mg des Bestandteils enthält.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Rohwassers im Zufluss zur oder in der Membrananlage mit Hilfe des genannten Einleitens von dem ersten und/oder dem zweiten Destillat oder durch Vorwärmung mithilfe von Sole aus der thermischen Anlage auf eine Temperatur von > 20°C, vorzugsweise von > 30°C und besonders vorzugsweise von > 35°C und/oder auf eine Temperatur von < 60°C, vorzugsweise von < 50°C und besonders vorzugsweise von < 45° erhöht. Innerhalb dieser Temperaturbereiche ist der Aufbereitungsprozess in einer Membrananlage mit Hilfe der Membran am effizientesten. Die genannten oberen Temperaturbereiche beziehen sich auf die im Stand der Technik für derartige Anwendungen üblicherweise verwendeten Membranen, sog. Standard- - - membranen. Es können jedoch auch sog. Hoch-Temperatur-Membranen (HT-Membranen) im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die sich für Temperaturen eignen, die über den obengenannten Temperaturobergrenzen liegen. Für diese HT-Membranen gelten die bevorzugten obengenannten oberen Temperaturbeschränkungen nicht. Neben der Reduzie- rung der Salinität ist die Möglichkeit der Temperaturerhöhung des Rohwassers bzw. die Möglichkeit mithilfe des ersten und/oder zweiten Destillates die Prozesstemperatur der Membrananlage optimal einzustellen, ein weiterer Vorteil, der sich aus der erfindungsgemäßen Kopplung ergibt und mit dessen Hilfe die Effizienz weiter gesteigert werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Teil der zweiten Sole in eine erste Sole rückgeführt, die sich im Zufluss zur oder in der thermischen Anlage befindet. Durch die genannte Rückführung wird zumindest ein Teil der zweiten Sole nochmals dem Trennungsprozess der thermischen Anlage in mindestens ein erstes Destillat und eine zweite Sole unterzogen, so dass eine Aufkonzentration erfolgt. Mit Hilfe der Rückführung und der sich daraus ergebenen Aufkonzentration kann die Menge des Abfallproduktes reduziert und zugleich der Ertrag an erstem Destillat erhöht werden.
Die Rückführung bei der thermischen Anlage kann beispielsweise mit Hilfe eines Batch- Betriebes oder auch in einem kontinuierlichen Betrieb vorgenommen werden. Bei dem Batch- Betrieb kann die zweite Sole dem thermischen Prozess beispielsweise ein oder mehrere weitere Male zugeführt werden. Anschließend kann die entstandene Sole abgeführt und der Prozess mit frischer erster Sole wiederholt werden. Mit einem solchen Batch-Prozess können sehr hohe Konzentrationen im Rückstandsprodukt und damit einhergehend ein vorteilhaft geringes Volumen des Rückstandsproduktes erreicht werden. Im Batch-Prozess wird vorzugsweise die gesamte zweite Sole rückgeführt.
Es kann aber auch nur ein Teil der zweiten Sole in einem kontinuierlichen Betrieb der thermischen Anlage rückgeführt werden. Üblicherweise ist die erreichte Aufkonzentration dabei geringer als im Falle eines Batch-Betriebs, jedoch muss kein Austausch der Sole vorgenom- men werden.
Vorzugsweise wird die zweite Sole derart rückgeführt, dass die Temperatur der Sole bei Eintritt in die thermische Anlage < 55°C, besonders vorzugsweise < 50°C, insbesondere < 45°C ist und/oder vorzugsweise > 20°C, besonders vorzugsweise > 30°C, insbesondere > 40°C ist. - -
Abhängig davon, ob die thermische Anlage im Batch-Betrieb oder im kontinuierlichen Betrieb betrieben wird und davon, welche Temperatur die erste Sole hat, kann die Einstellung der Eintrittstemperatur über die Rückführungszeit oder über die Menge der rückgeführten zweiten Sole eingestellt werden. Durch die obengenannten Temperaturbereiche wird sicher- gestellt, dass die obere Prozesstemperatur nicht überschritten wird.
Für den Betrieb der Anlage können die im Stand der Technik üblichen Verfahren zur Speicherung von Wässern verwendet werden. Beispielsweise kann eine Vorratshaltung der ersten und/oder der zweiten Sole vorgenommen werden. Die auf Vorrat gehaltene Sole kann dann später weiter bzw. erneut verwendet werden. Auf diese aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren soll jedoch in der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden.
Für den Betrieb der Membrananlage und/oder der thermischen Anlage können beispielsweise erneuerbare Energien, insbesondere Solarenergie und/oder Abwärme oder geothermische Wärme, eingesetzt werden.
Weiterhin ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufkonzentration von Wässern, insbesondere von Wässern bzw. Frackwasser aus der Öl- und Gasindustrie, von Wässern aus dem Bergbau, von Wässern in der Galvanik oder von Wässern in der Nahrungs- mittelindustrie zu verwenden. Zum Beispiel können in der Nahrungsmittelindustrie zur Herstellung von Zuckerkonzentrat, Dicksaft oder Fruchtsaftkonzentrat bestimmte Wässer mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens aufkonzentriert bzw. eingedickt werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Anlage zur Aufbereitung von Wässern, die eine Membrananlage und eine thermische Anlage umfasst. Die Membrananlage dient zur Trennung eines Rohwassers in mindestens ein Permeat und eine erste Sole und umfasst eine erste Zuführung sowie einen ersten und einen zweiten Ausgang. Durch die erste Zuführung wird der Membrananlage Rohwasser zugeführt, und durch den ersten bzw. zweiten Ausgang wird Permeat bzw. erste Sole aus der Membrananlage abgeführt. Die thermische Anlage dient zur Trennung der ersten Sole in mindestens ein erstes Destillat und eine zweite Sole und umfasst eine zweite Zuführung sowie einen dritten und einen vierten Ausgang. Die zweite Zuführung ist mit dem zweiten Ausgang verbunden. Durch die zweite Zuführung wird der thermischen Anlage zumindest ein Teil der ersten Sole zugeführt. Durch den dritten bzw. vierten Ausgang werden das erste Destillat bzw. die zweite Sole aus der thermischen Anlage abge- - - führt. Zwischen dem dritten Ausgang und der ersten Zuführung und/oder der Membrananlage umfasst die erfindungsgemäße Anlage weiterhin eine erste Verbindung, um dem Rohwasser zumindest einen Teil des ersten Destillats zuzuführen. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Anlage weiterhin eine Rückführung, um zumindest einen Teil der aus der thermischen Anlage abgeführten zweiten Sole rückzuführen. Wenn die thermische Anlage kontinuierlich betrieben wird, kann die abgeführte zweite Sole beispielsweise der ersten Sole in der zweiten Zuführung oder in der thermischen Anlage zugeführt werden. Die Rückführung kann sich außerhalb und/oder innerhalb der thermischen An- läge befinden. Zusätzlich kann die Rückführung auch ein Reservoir umfassen, beispielsweise für einen Batch-Betrieb, bei dem die zweite Sole dem Prozess innerhalb der thermischen Anlage mehrmals und nacheinander unterzogen werden kann.
Als Membrananlage kann insbesondere eine Umkehrosmoseanlage, eine Nanofütrationsanla- ge oder eine Ultrafiltrationsanlage verwendet werden. Als thermische Anlage kann beispielsweise eine Destillationsanlage, insbesondere eine Feuchtluftdestillationsanlage, eine Membrandestillationsanlage, eine Multi-Effekt-Destillationsanlage, eine mechanische Dampfkompressionsanlage oder eine Multi-Stage-Flash- Anlage, eingesetzt werden. Die Anlage kann weiterhin einen Vorwärmer umfassen, um das Rohwasser für die Membrananlage mithilfe von zweiter Sole aus der thermischen Anlage vorzuwärmen. Dabei wird die zweite Sole zumindest teilweise in eine dritte Sole überführt. Der Vorwärmer umfasst eine dritte Zuführung, eine vierte Zuführung, einen fünften Ausgang und einen sechsten Ausgang. Durch die vierte Zuführung wird dem Vorwärmer das vorzuwärmende Rohwasser zugeführt. Durch die dritte Zuführung, die mit dem vierten Ausgang der thermischen Anlage verbunden ist, wird zumindest ein Teil der zweiten Sole in den Vorwärmer eingeleitet, so dass Wärme von der zweiten Sole auf das Rohwasser übertragen werden kann. Durch den sechsten Ausgang des Vorwärmers, der mit der ersten Zuführung der Membrananlage verbunden ist, wird das vorgewärmte Rohwassers abgeführt. Das abgeführte vorgewärmte Rohwasser wird der Membrananlage durch die erste Zuführung zugeführt. Durch den fünften Ausgang kann die dritte Sole aus dem Vorwärmer abgeführt werden. - -
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Anlage kann die zweite Sole in dem Vorwärmer zumindest teilweise in die dritte Sole und ein zweites Destillat getrennt werden. In dieser Ausführungsform umfasst der Vorwärmer weiterhin einen siebten Ausgang und die Anlage weiterhin eine zweite Verbindung. Die zweite Verbindung ist mit der ersten Zufüh- rung der Membrananlage und mit dem siebten Ausgang des Vorwärmers verbunden. Das zweite Destillat kann durch den siebten Ausgang des Vorwärmers abgeführt werden und über die zweite Verbindung zumindest teilweise in das Rohwasser, das der Membrananlage zufließt oder sich in der Membrananlage befindet, eingeleitet werden. KURZBE S CHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Schemazeichnung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Fig. 2 eine Schemazeichnung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anla- ge, die weiterhin einen Vorwärmer zum Vorwärmen des Rohwassers umfasst.
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage 10 zur Aufbereitung von Wässern, die eine Membrananlage 12, beispielsweise eine Umkehrosmoseanlage, und eine thermische Anlage 14, beispielsweise eine Feuchtluftdestillationsanlage, umfasst. Die Membrananlage 12 beinhaltet eine erste Zuführung 16, einen ersten Ausgang 18 und einen zweiten Ausgang 20. Die thermische Anlage 14 umfasst eine zweite Zuführung 22, einen dritten Ausgang 24 und einen vierten Ausgang 26. Weiterhin umfasst die Anlage 10 eine erste Verbindung 28 zwischen dem dritten Ausgang 24 und der ersten Zuführung 16. Außerdem beinhaltet die Anlage 10 eine Rückführung 30, die den vierten Ausgang 26 und die zweite Zuführung 22 miteinander verbindet. Die thermische Anlage 14 wird mit Hilfe einer Heizung 32 betrieben. Weiterhin umfasst die Anlage 10 eine erste Abführung 39 und eine zweite Abführung 41. Die erste Ab- - - führung 39 ist mit dem zweiten Ausgang 20 verbunden und die zweite Abführung 41 ist mit dem dritten Ausgang 24 verbunden.
Zur Aufbereitung eines Rohwassers 34, beispielsweise zur Entsalzung oder zur Reduzierung des Salzgehaltes von Meerwasser oder Brackwasser, wird das Rohwasser 34 der Membrananlage 12 durch die erste Zuführung 16 zugeführt. Mit Hilfe einer Membran oder eines Membransystems (nicht gezeigt) wird das Rohwasser 34 innerhalb der Membrananlage 12 in mindestens ein Permeat 36 und eine erste Sole 38 getrennt. Das Permeat 36 wird durch den ersten Ausgang 18 und die erste Sole 38 wird durch den zweiten Ausgang 20 aus der Membrananla- ge 12 abgeführt. Die erste Sole 38 wird ganz oder teilweise durch die zweite Zuführung 22 in die thermische Anlage 14 zugeführt: Ein Teil der ersten Sole 38 kann über die erste Abführung 39 entnommen werden. Der thermischen Anlage 14 wird dann der restliche nicht abgeführte oder entnommene Teil der ersten Sole 38 zugeführt. In der thermischen Anlage 14 wird die erste Sole 38 dann in mindestens ein erstes Destillat 40 und eine zweite Sole 42 getrennt. Das erste Destillat 40 wird durch den dritten Ausgang 24 aus der thermischen Anlage 14 abgeführt und über die erste Verbindung 28 dem Rohwasser 34 im Zufluss zur Membrananlage 12 zugeführt. Es ist zu beachten, dass das Destillat 40 dem Rohwasser 34 - anders als in Fig. 1 dargestellt - auch innerhalb der Membrananlage 12 zugeführt werden kann. Weiterhin ist es möglich ein Teil des ersten Destillats 40 über die zweite Abführung 41 zu entnehmen.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform 10' der erfindungsgemäßen Anlage, die eine vorteilhafte Weiterbildung der Anlage 10 aus Figur 1 darstellt. Die Anlage 10' umfasst zusätzlich einen Vorwärmer 44, der eine dritte Zuführung 46 und eine vierte Zuführung 48 sowie einen fünften Ausgang 50, einen sechsten Ausgang 52 und einen siebten Ausgang 54 umfasst. Wei- terhin enthält die Anlage 10' eine zweite Verbindung 56 und eine dritte Abführung 58. Die zweite Verbindung 56 verbindet den siebten Ausgang 54 des Vorwärmers 44 mit der ersten Zuführung 16 zur Membrananlage 12. Die dritte Abführung 58 ist über die zweite Verbindung 56 mit dem siebten Ausgang 54 des Vorwärmers 44 verbunden. Im Betrieb der Anlage 10' wird dem Vorwärmer 44 durch die vierte Zuführung 48 das Rohwasser 34 und durch die dritte Zuführung 46 die zweite Sole 42 zugeführt. Mithilfe des Vorwärmers 44 kann Wärme der zweiten Sole 42, die in der thermischen Anlage 14 erwärmt wurde, zumindest teilweise auf das Rohwasser 34 übertragen werden. Das erwärmte Rohwasser 34 wird durch den sechsten Ausgang 52 des Vorwärmers 44 abgeführt und der Membran- - - anläge 12 als vorgewärmtes Rohwasser 34 durch die erste Zuführung 16 zugeführt. Aufgrund der Erwärmung des Rohwassers 34 durch den Vorwärmer 44 kann die Membrananlage 12 effizienter betrieben werden. Durch die Wärmeübertragung von der zweiten Sole 42 auf das Rohwasser 34 wird die zweite Sole 42 in dem Vorwärmer 44 zumindest teilweise in eine dritte Sole 60 überführt. Die dritte Sole 60 wird über den fünften Ausgang 50 des Vorwärmers 44 als Abfall- oder Rückstandsprodukt oder als gewonnenes aufkonzentriertes Produkt abgeführt. Der Vorwärmer 44 hat die Funktion eines Wärmetauschers, mit dem die Wärmeenergie der zweiten Sole 42 zur Effi- zienzsteigerung der Membrananlage 12 genutzt werden kann. Andererseits hat die abgeführte dritte Sole 60 eine geringere Temperatur als die zweite Sole 42. Dies stellt einen weiteren Vorteil dar, weil die Handhabung des abgeführten Produktes erleichtert wird. Einerseits steigert der Vorwärmer 44 damit durch die Erwärmung des Rohwassers die Effizienz der Membrananlage 12, andererseits erleichtert er durch die Abkühlung der zweiten Sole 42 die Hand- habung der weniger warmen abgeführten dritten Sole 60.
Der Vorwärmer 44 kann als eine thermische Anlage oder als eine Stufe einer thermischen Anlage ausgeführt sein, in der die zweite Sole 42 in die dritte Sole 60 und ein zweites Destillat 62 getrennt wird. Dies ist ein Beispiel des oben verwendeten Ausdrucks, gemäß dem ledig- lieh "ein Teil" der zweiten Sole 42 in die dritte Sole 60 "überführt" wird. Das zweite Destillat 62 kann durch den siebten Ausgang 54 des Vorwärmers 44 abgeführt werden. Anschließend kann das zweite Destillat 62 durch die dritte Abführung 58 abgeführt werden und/oder dem erwärmten Rohwasser 34 über die zweite Verbindung 56 zugeführt werden. Dabei kann das zweite Destillat 62 aus dem Vorwärmer 44 ganz oder teilweise abgeführt werden oder dem Rohwasser 34 zugeführt werden. Durch die Trennung der zweiten Sole 42 in ein zweites Destillat 62 und eine dritte Sole 60 mithilfe des Vorwärmers 44 kann somit einerseits eine weitere Aufkonzentration des Rückstandsproduktes und andererseits eine Reduzierung der Konzentration des abzutrennenden Bestandteils im Rohwasser 34 erreicht werden. Aus den oben genannten Gründen sind beide Effekte vorteilhaft.
Aufgrund der in Fig. 1 dargestellten Kopplung zwischen einer Membrananlage 12 und einer thermische Anlage 14, mit deren Hilfe die Salinität des Rohwassers 34 durch Zuführung von erstem Destillat 40 reduziert werden kann, kann die Menge an gewonnenem Permeat 36 pro zugeführter Menge an Rohwasser 34 erhöht werden. Gleichzeitig können die Gesamtsystem- - - kosten, welche die Investitions- und die Betriebskosten umfassen, bezogen auf einen Kubikmeter erzeugten Permeats 36 reduziert werden (sog. Wassergestehungskosten). Dies liegt daran, dass mit zunehmendem Salzgehalt des Rohwassers 34 sowohl die Betriebskosten als auch die Systemkosten der Membrananlage 12 erheblich ansteigen. Dies verdeutlicht die folgende Tabelle, in der gemäß UNEP (United Nations Environment Programme) für verschiedene Salinitäten und Anlagenkapazitäten die Wassergestehungskosten dargestellt sind:
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Wie der Tabelle zu entnehmen ist, sind die Wassergestehungskosten für eine Meerwasserum- kehrosmose(MWUO)- Anlage wesentlich höher als die Wassergestehungskosten für eine Brackwasserumkehrosmose(BWUO)-Anlage. Der Druck, der aufgewendet werden muss, um das Meerwasser oder das Brackwasser durch die Membran der Membrananlage zu pumpen, ist annähernd proportional zur Salzkonzentration des Wassers. Hohe Salzkonzentrationen von über 25.000 mg/kg erfordern üblicherweise einen Druck von über 6 MPa, der durch entspre- chende Pumpen aufgebracht werden muss. Bei einer geringeren Salzkonzentration, beispielsweise von Brackwasser mit einer Salinität von unter 10.000 mg/kg, ist der erforderliche Druck geringer, so dass Pumpen eingesetzt werden können, die nur einen Druck von 1 MPa oder weniger aufbringen müssen. Auch müssen andere Komponenten, insbesondere die Membranen, an die entsprechenden Drücke angepasst werden bzw. müssen diesen Drücken standhalten. Wie in der oben gezeigten Tabelle zu sehen ist, können die Wassergestehungskosten durch eine Reduktion der Salinität in viel höherem Maße reduziert werden als es durch eine alleinige Hochskalierung der Anlage möglich ist. Gemäß der oben gezeigten Tabelle könnten bei einer Hochskalierung von 3.800 auf 19.000 m3/Tag bei einer MWUO-Anlage die Wasserkosten von 1,81 auf 1,54 US$/m3 und bei einer BWUO-Anlage von 0,4 auf 0,31 US$/m3 gesenkt werden. Dagegen könnten bei einer Aufbereitung von BW statt MW bei einer Anlagenkapazität von 3.800 m3/Tag die Wasserkosten von 1,81 auf 0,4 US$/m3 und bei einer Anlagenkapazität von 19.000 m3/Tag die Wasserkosten von 1,54 auf 0,31 US$/m3 gesenkt werden. - -
Bei thermischen Anlagen sind die Wassergestehungskosten im Vergleich zu Membrananlagen meist höher. Die benötigte Energie zur Aufbereitung von Rohwasser liegt bei einer thermischen Anlage, die nach dem Prinzip der Multi-Effekt-Destillation arbeitet, etwa bei 80 kWh/m3 und bei einer thermischen Anlage, die nach dem Prinzip der Feuchtluftdestillation arbeitet, etwa bei 200 kWh/m3. In dem Artikel "/. Houcine et al, Pilot plant testing of a new solar desalination process by a multiple- effect-humidification, Desalination 196, p. 105-120, 2006" wird beispielsweise eine Feuchtluftdestillationsanlage angegeben, bei der die Wasserkosten bei einer Kapazität von 2000 m3/Tag 21,50 EUR/m3 betragen. Dies zeigt, dass die Wassergestehungskosten bei einer thermischen Anlage wesentlich höher sind als bei einer Membrananlage mit vergleichbarem Tagesdurchsatz (vgl. 21,50 EUR/m3 bei 2000 m3/Tag gegenüber 1,81 / 0,4 US$/m3 bei 3.800 m3/Tag). Thermische Anlagen haben gegenüber Membrananlagen den Vorteil, dass ihre Leistungsfähigkeit nahezu unabhängig vom Salzgehalt des zugeführten Rohwassers ist. Damit können auch Rohwässer mit hohem Salzgehalt sehr gut aufkonzentriert werden, wodurch hohe Konzentrationen in der abgeführten Sole ermöglicht werden.
Die Anlagen 10 und 10' kombinieren die Vorteile der Membrananlage 12 und der thermische Anlage 14, nämlich den hohen Durchsatz zu geringen Kosten und die salinitätsunabhängige Leistungsfähigkeit bzw. die Erzeugung von nahezu salzfreiem Destillat 40. Bei gleichem Zu- fiuss von Rohwasser 34 mit gleicher Salinität kann unter Zuhilfenahme der thermische Anlage 14 eine günstigere Membrananlage 12 verwendet werden und ein höherer Ertrag an Per- meat 36 erzielt werden als es ohne die thermische Anlage 14 möglich wäre. Gleichzeitig kann die Konzentration an abzutrennenden Bestandteilen in der zweiten Sole 42 in der gewünsch- ten Weise eingestellt werden. Im Vergleich zum alleinigen Betrieb der Membrananlage 12 weist die zweite Sole 42 damit auch eine höhere Konzentration als die erste Sole 38 auf.
Mit Hilfe der Rückführung 30 wird in der Anlage 10 der durch die zweite Sole 42 gebildete Ausschuss weiter reduziert, da ein Teil der zweiten Sole 42 nochmals zur Destillatgewinnung eingesetzt wird, welches wiederum zur Reduzierung der Salinität des Rohwassers 34 eingesetzt wird. Die nicht oder nicht mehr rückgeführte zweite Sole 42 enthält ein Konzentrat der abzutrennenden Bestandteile und wird der Anlage entnommen. Die in Figur 1 dargestellte Anlage 10 wird im kontinuierlichen Betrieb betrieben, bei dem das Rohwasser 34 kontinuierlich zufließt und das Permeat 36 sowie ein Teil der zweiten Sole 42 kontinuierlich abfließen. - -
Der andere Teil der zweiten Sole 42 wird über die Rückführung 30 der ersten Sole 38 zugeführt, wodurch der Strom der zweiten Sole 42, der letztendlich die Anlage 10 verlässt, geringer ist und eine höhere Konzentration aufweist als es ohne die Rückführung 30 der Fall wäre. Anders als es in Figur 1 dargestellt ist, kann die thermische Anlage 14 auch im Batch-Betrieb betrieben werden. Dazu kann beispielsweise die gesamte zweite Sole 42, die innerhalb einer bestimmten Zeit produziert wird, mit einer ersten Sole 38 vermischt oder auch unvermischt, ein oder mehrere weitere Male dem Destillationsprozess in der thermische Anlage 14 unterzogen werden. Anschließend wird die Sole entsorgt und der Prozess mit einem neuen Batch fortgeführt. Dadurch kann eine sehr hohe Aufkonzentration erreicht werden, die zu einem nahezu solefreien Betrieb (Zero Liquid Discharge) führen kann.
Auch wenn in den Zeichnungen und der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben wurden, sollten diese als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und sämtliche Veränderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen. Die gezeigten Merkmale können in beliebigen Kombinationen von Bedeutung sein.
_ χ η _
BEZUGSZEICHENLISTE
10, 10' Anlage
12 Membrananlage
14 thermische Anlage
16 erste Zuführung
18 erster Ausgang
20 zweiter Ausgang
22 zweite Zuführung
24 dritter Ausgang
26 vierter Ausgang
28 erste Verbindung
30 Rückführung
32 Heizung
34 Rohwasser
36 Permeat
38 erste Sole
39 erste Abführung
40 erstes Destillat
41 zweite Abführung
42 zweite Sole
44 Vorwärmer
46 dritte Zuführung
48 vierte Zuführung
50 fünfter Ausgang
52 sechster Ausgang
54 siebter Ausgang
56 zweite Verbindung
58 dritte Abführung
60 dritte Sole
62 zweites Destillat

Claims

ANSPRÜCHE
Verfahren zur Aufbereitung und Verarbeitung von Wässern, um einen abzutrennenden Bestandteil zumindest teilweise aus einem Rohwasser (34) zu entfernen oder den abzutrennenden Bestandteil aufzukonzentrieren, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• Zuführen des Rohwassers (34) in eine Membrananlage (12),
• Trennen des Rohwassers (34) in der Membrananlage (12) in mindestens ein Permeat (36) und eine erste Sole (38), wobei das Permeat (36) einen geringeren Anteil des abzutrennenden Bestandteils enthält als das Rohwasser (34) und wobei die erste Sole (38) einen höheren Anteil des abzutrennenden Bestandteils enthält als das Rohwasser (34),
• Zuführen der ersten Sole (38) in eine thermische Anlage (14),
• Trennen der ersten Sole (38) in der thermischen Anlage (14) in mindestens ein erstes Destillat (40) und eine zweite Sole (42),
• Einleiten zumindest eines Teils des ersten Destillates (40) in Rohwasser (34) im Zufluss zur oder in der Membrananlage (12).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Rohwasser (34) vor dem genannten Zuführen in die Membrananlage (12) in einem Vorwärmer (44) mithilfe der zweiten Sole (42) aus der thermischen Anlage (14) vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite Sole (42) in dem Vorwärmer (44) in mindestens ein zweites Destillat (62) und eine dritte Sole (60) getrennt wird, und bei dem zumindest ein Teil des zweiten Destillates (62) in Rohwasser (34) eingeleitet wird, das der Membrananlage (12) zufließt oder sich in der Membrananlage (12) befindet. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Konzentration des abzutrennenden Bestandteils des Rohwassers (34) mithilfe des Einleitens des ersten und/oder des zweiten Destillates (40) bzw. (62) reduziert wird, vorzugsweise um mindestens 5 %, besonders vorzugsweise um mindestens 20 % und insbesondere um mindestens 30 % reduziert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Rohwasser (34) Brackwasser und/oder Meerwasser umfasst und der abzutrennende Bestandteil durch Salz gebildet wird, wobei die Salinität des Rohwassers insbesondere 20000 mg/kg übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Rohwassers (34) im Zufluss zur oder in der Membrananlage (12) mithilfe des genannten Einleitens des ersten und/oder des zweiten Destillates (40) bzw. (62) auf eine Temperatur von > 20°C, vorzugsweise von > 30°C, besonders vorzugsweise von > 35°C und/oder < 60°C, vorzugsweise von < 50°C, besonders vorzugsweise von < 45°C erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der zweiten Sole (42) an eine Zuführung (22) zur thermischen Anlage (14) oder innerhalb der thermischen Anlage (14) rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Membrananlage (12) und/oder die thermische Anlage (14) mithilfe von erneuerbaren Energien, insbesondere mit Solarenergie und/oder Abwärme oder geothermischer Wärme betrieben wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zur Aufkonzentration von Wässern, insbesondere von Wässern aus der Öl- und Gasindustrie, von Wässern aus dem Bergbau, von Wässern in der Galvanik oder von Wässern in der Nahrungsmittelindustrie, verwendet wird.
10. Anlage (10, 10') zur Aufbereitung von Wässern, um einen abzutrennenden Bestandteil zumindest teilweise aus einem Rohwasser (34) zu entfernen oder den abzutrennenden Bestandteil aufzukonzentrieren, wobei die Anlage folgendes umfasst: eine Membrananlage (12) zur Trennung eines Rohwassers (34) in mindestens ein Permeat (36) und eine erste Sole (38), wobei das Permeat (36) einen geringeren Anteil des abzutrennenden Bestandteils enthält als das Rohwasser (34) und wobei die erste Sole (38) einen höheren Anteil des abzutrennenden Bestandteils enthält als das Rohwasser (34), wobei die Membrananlage (12) folgendes umfasst:
- eine erste Zuführung (16) zum Zuführen des Rohwassers (34) in die Membrananlage (12),
- einen ersten Ausgang (18) zum Abführen des Permeats (36) aus der Membrananlage (12),
- einen zweiten Ausgang (20) zum Abführen der ersten Sole (38) aus der
Membrananlage (12), eine thermische Anlage (14) zur Trennung der ersten Sole (38) in mindestens ein erstes Destillat (40) und eine zweite Sole (42), wobei die thermische Anlage (14) folgendes umfasst: eine zweite Zuführung (22) zum Zuführen zumindest eines Teils der ersten Sole (38) in die thermische Anlage (14), die mit dem zweiten Ausgang (22) verbunden ist,
einen dritten Ausgang (24) zum Abführen des ersten Destillats (40) aus der thermischen Anlage (14),
einen vierten Ausgang (26) zum Abführen der zweiten Sole (42) aus der thermischen Anlage (14), wobei die Anlage (10, 10') eine erste Verbindung (28) zwischen dem dritten Ausgang (24) und der ersten Zuführung (16) und/oder der Membrananlage (12) umfasst, um dem Rohwasser (34) zumindest einen Teil des ersten Destillats (40) zuzuführen.
11. Anlage (10, 10') nach Anspruch 10, die weiterhin eine Rückführung (30) umfasst, um zumindest einen Teil der zweiten Sole (42) an die zweite Zuführung (22) rückzuführen oder innerhalb der thermischen Anlage (14) rückzuführen. 12. Anlage (10, 10') nach Anspruch 10 oder 11, bei der die Membrananlage (12) eine Umkehrosmoseanlage, eine Nanofütrationsanlage oder eine Ultrafiltrationsanlage umfasst und/oder bei der die thermische Anlage (14) eine Destillationsanlage, insbesondere eine Feuchtluftdestillationsanlage, eine Membrandestillationsanlage, eine Multi-Effekt-Destillationsanlage, eine mechanische Dampfkompressionsanlage oder eine Multi-Stage-Flash- Anlage, umfasst.
Anlage (10') nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die weiterhin einen Vorwärmer (44) umfasst, um das Rohwasser (34) für die Membrananlage (12) mithilfe von zweiter Sole (42) aus der thermischen Anlage (14) vorzuwärmen, wobei die zweite Sole (42) zumindest teilweise in eine dritte Sole (60) überführt wird und wobei der Vorwärmer (44) folgendes umfasst: eine vierte Zuführung (48), zum Zuführen des Rohwassers (34) in den Vorwärmer (44), eine dritte Zuführung (46), zum Zuführen zumindest eines Teils der zweiten Sole (42) in den Vorwärmer (44), wobei die dritte Zuführung (46) mit dem vierten Ausgang (26) der thermischen Anlage (14) verbunden ist, · einen sechsten Ausgang (52), zum Abführen des vorgewärmten Rohwassers (34), wobei der sechste Ausgang (52) mit der ersten Zuführung (16) der Membrananlage (12) verbunden ist.
• einen fünften Ausgang (50), zum Abführen der dritten Sole (60).
14. Anlage (10') nach Anspruch 13, bei welcher die zweite Sole (42) in dem Vorwärmer (44) zumindest teilweise in die dritte Sole (60) und ein zweites Destillat (62) getrennt wird, bei welcher der Vorwärmer (44) weiterhin einen siebten Ausgang (54) zum Abführen des zweiten Destillates (62) umfasst,
wobei die Anlage (10') weiterhin eine zweite Verbindung (56) umfasst, um zumindest einen Teil des zweiten Destillates (62) in Rohwasser (34) einzuleiten, das der Membrananlage (12) zufließt oder sich in der Membrananlage (12) befindet, und wobei die zweite Verbindung (56) mit der ersten Zuführung (16) der Membrananlage (12) und mit dem siebten Ausgang (54) des Vorwärmers (44) verbunden ist.
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