WO2023110953A1 - Verfahren und anlage zur gewinnung von trinkwasser - Google Patents

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WO2023110953A1
WO2023110953A1 PCT/EP2022/085731 EP2022085731W WO2023110953A1 WO 2023110953 A1 WO2023110953 A1 WO 2023110953A1 EP 2022085731 W EP2022085731 W EP 2022085731W WO 2023110953 A1 WO2023110953 A1 WO 2023110953A1
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Arun Kumar
Hitesh Ambekar
Michael KSOLL
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Wilo Se
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a plant for the treatment of raw water, in particular water softening and water desalination plants and membrane filter systems.
  • the invention relates to a method and a system for obtaining drinking water from raw water by ultrafiltration, hereinafter abbreviated UF, and reverse osmosis, hereinafter abbreviated RO, the drinking water having a desired target parameter relating to its composition and being provided in a fresh water tank.
  • UF ultrafiltration
  • RO reverse osmosis
  • UF ultrafiltration systems to produce drinking water from raw water, which is in the form of river water, surface water or groundwater, is well known.
  • UF is an excellent method to remove particulate matter and microorganisms from the raw water and to achieve drinking water quality.
  • the raw water can also have a high salt content, which the UF is not able to reduce.
  • Salts are crystalline chemical compounds made up of positively charged and negatively charged ions that essentially determine the taste of drinking water. Water with a comparatively high salt concentration is perceived by most people as undrinkable.
  • a pure UF unit when the salinity of the raw water is below a predetermined limit
  • a UF unit and RO unit connected in parallel, with the UF bypassing the RO to form a bypass.
  • the first variant has the disadvantage that the salt content in the drinking water cannot be reduced, so that it is only suitable if the salt content in the raw water is already low, more precisely below a limit value that is set by the customer, for example drinking water treatment plant is required.
  • the second variant brings with it the disadvantages inherent in an RO. Due to the spirally wound structure used and the thin-layer composite membrane, it is not very effective in the long-term retention of microbiological organisms. Since the RO cannot be backwashed like a UF, high demands are placed on the quality of the incoming water to the RO. This is achieved through a multi-stage pre-treatment of the raw water. If substances are deposited on the RO membrane over a longer period of operation (fouling), the RO membrane must be chemically cleaned. The foulants are removed with the help of acidic and alkaline cleaners.
  • RO units In filter mode, RO units must also be operated with a constant volume flow and have high water and energy consumption.
  • the high energy consumption is due to the small pore size, so to speak at the molecular level, of less than 0.1 nm.
  • the high water consumption occurs because a large part of the water only flows over the filter membrane and is then discarded as a so-called concentrate.
  • Another disadvantage of RO units is that the salinity of the permeate produced by the RO is not adjustable and the water quality is poor because the salinity is always minimal. The water therefore has a neutral taste. Drinking water with minimal salt or mineral content can have negative health consequences. Because the salts or minerals are needed by the human body for many functions, such as building bones, teeth, cells, etc.
  • the relevant minerals are sodium, potassium, calcium, magnesium, iodine, zinc, iron and copper. Eating only drinking water that is low in salt or minerals can lead to deficiency symptoms if the minerals are not absorbed through other foods. However, since the amount of raw water and its salt content fluctuate seasonally, it would be desirable to be able to adjust the volume flow and the target salt content in the drinking water to be produced.
  • the aforementioned disadvantages of the RO unit are also disadvantages of the above variant 3, ie the series connection of UF and RO.
  • the salt content in the drinking water to be produced cannot be adjusted, the majority of the valuable filtrate from the UF is separated by the RO unit as retentate, and controlling the series connection of UF and RO is challenging because the filtrate volume flow must be kept constant however, reduced over time due to clogging of the ultrafiltration filter.
  • the parallel connection of UF unit and RO unit is also not ideal because the permeate supplied by the RO system is not free of microorganisms and is mixed with the filtrate at the outlet of the filter system.
  • the salt content of water can be determined in different ways.
  • a measure of this is, for example, the so-called TDS value. It indicates the mass concentration of all substances dissolved in the water (TDS, Total Dissolved Solids), without the proportion of volatile substances.
  • TDS value is expressed in milligrams per liter [mg/l].
  • Drinking water with a TDS value of 900 mg/l is considered salty and not drinkable. If the salt content of the raw water is below a TDS of 500 mg/l, a pure UF unit is sufficient for drinking water treatment. Above a TDS limit value of 500 mg/l, an RO unit is usually used for drinking water treatment, which, however, reduces the salinity to a TDS of less than 20 mg/l.
  • the TDS value is also a measure of the water's conductivity.
  • the conductivity of the water or its electrical resistance can be determined as an alternative to the total drying residue or TDS value in order to be able to make a quantitative statement about the salt content.
  • the salt content of the drinking water to be produced should be adjustable in the method and the system and the drinking water should be produced with minimal water and energy consumption.
  • a first water volume is generated by obtaining a filtrate from the raw water by ultrafiltration and from this a permeate is obtained by reverse osmosis, the volume of which forms the first water volume,
  • a second volume of water is produced by obtaining a filtrate from the raw water by ultrafiltration, the volume of which constitutes the second volume of water, and
  • the first and second volumes of water are then mixed to obtain drinking water (3), the first and second volumes of water being dimensioned such that their mixing has the desired target value.
  • filtrate can be routed from a UF unit via a first filtrate line to an RO unit, the permeate of which is routed to a mixing point, in particular to the fresh water tank.
  • filtrate from the UF unit can be routed directly to the mixing point, in particular to the fresh water tank, via a second filtrate line, bypassing the RO unit.
  • a drinking water production plant for the production of drinking water from raw water by ultrafiltration and reverse osmosis is also proposed according to the invention, the drinking water having a desired target value of a water parameter relating to its composition.
  • the drinking water production system has at least:
  • an RO unit arranged in series with the UF unit via a first filtrate line that can be shut off, for generating permeate from the filtrate fed in via the filtrate line by reverse osmosis, the RO unit being connected to a mixing point, in particular via a permeate line, and
  • the system has a second filtrate line that can be shut off Mixing point connects directly or indirectly.
  • the drinking water production plant is set up to be operated in a first operating mode, in which the first filtrate line for generating the first volume of water in the form of a permeate volume is open to the mixing point, and to be operated in a second operating mode, in which the second filtrate line is opened to the Generation of the second volume of water is open in the form of a filtrate volume to the mixing point.
  • a core concept of the invention is therefore to achieve the desired target value of the water parameter by setting a predetermined mixing ratio of permeate from the RO unit on the one hand and filtrate from the UF unit on the other. This makes it possible to set the considered water parameter to any target value, while at the same time ensuring that the RO unit is in operation for a minimal time duration, thus saving valuable, already ultrafiltered water and energy.
  • the construction of the drinking water production plant according to the invention with the first and second filtrate line ensures that there is a high microbiological drinking water quality.
  • the raw water can be fed directly to the UF unit.
  • the raw water is first subjected to a pre-treatment, e.g. is pre-filtered with the help of a pre-filter, for example for sand or sediment, in order to obtain a pre-water, which is then fed to the UF unit.
  • a pre-filter for example for sand or sediment
  • the raw water is or will be fed directly to the UF unit.
  • the filtrate from the UF unit can also be fed directly to the RO unit.
  • the filtrate it is also possible for the filtrate to first be subjected to a pretreatment, for example with a scaling inhibitor, also known as an antiscalant, added in order to obtain intermediate water, which is then fed to the RO unit.
  • the filtrate is fed directly to the RO unit.
  • a particularly simple structural design of the drinking water production system is obtained in that the mixing of the first and second water volume takes place solely by introducing it into the fresh water tank. In this fresh water tank, the two volumes of water are then mixed automatically, on the one hand as a result of the currents and turbulence when the water is introduced, on the other hand through diffusion due to concentration differences in the two volumes of water.
  • a mixing device can be an agitator, for example. This can be located, for example, in the fresh water tank or in a mixing container that is upstream of the fresh water tank.
  • the two volumes of water can be generated in batches. This means that first the first water volume and then the second water volume or vice versa is generated.
  • the first volume of water is thus generated in the first operating mode of the system, which is present for a first operating period and in which only the first filtrate line is then open.
  • the second filtrate line can be shut off for the generation of the first volume of water.
  • the second volume of water is generated in the second operating mode of the system, which is present for a second operating period and in which only the second filtrate line is then open. In other words, the first filtrate line is shut off for the generation of the second volume of water.
  • the first filtrate line is consequently closed and the second filtrate line is opened, or for the transition from the second operating mode to the first operating mode in batch operation, the second filtrate line is closed and the first filtrate line is opened, depending on the situation , which operating mode is executed first.
  • the second volume of water is generated during the generation of the first volume of water.
  • This operating case represents a temporary simultaneity of the first and second operating mode, which is regarded as the third operating mode.
  • the first and second filtrate lines can also be opened at the same time at least temporarily in order to generate the second volume of water at least partially during the generation of the first volume of water. This reduces the total time it takes to generate the two volumes of water.
  • the third operating mode exists only for the duration of the second operating mode because the second volume of water, ie the only ultrafiltered drinking water, is generated faster than the first volume of water and after the generation of the second volume of water, the second filtrate line is closed.
  • the second operating mode can start at the same time as the first operating mode or end at the same time as this.
  • the first water volume is obtained in that the ultrafiltration and reverse osmosis, hence the first operating mode, is carried out for a predetermined first operating period.
  • the second water volume can also be obtained in that only the ultrafiltration, hence the second operating mode, is carried out for a predetermined second operating period.
  • the deactivation of the respective operating mode is therefore purely time-controlled, in particular timer-controlled, more precisely, after the operating time provided for the respective operating mode has expired. This has the advantage that a sensor system, in particular a determination of the volume of water that has already been generated, can be dispensed with.
  • the time-controlled switching off of the respective operating mode can be carried out by a control unit of the drinking water system, in which the corresponding operating time is stored for each of the operating modes.
  • the drinking water production system can have a control unit which is set up to set the first and second operating mode for a predetermined operating period in each case.
  • the control unit can be a PLC (programmable logic controller), for example.
  • a valve in the first filtrate line can be opened at the beginning of the first operating period and closed again to deactivate the first operating mode after the first operating period has elapsed.
  • a valve in the second filtrate line can be opened at the beginning of the second operating period and closed again to deactivate the second operating mode after the end of the second operating period.
  • the valves are preferably actuated by the named control unit.
  • the activation of the second operating mode can take place after the deactivation of the first operating mode, so that the two operating modes are executed without overlapping in time, or to put it another way, one after the other. In this way, batchwise generation of the first and second water volume is realized.
  • the valve in the first filtrate line can first be opened and closed again, and then the valve in the second filtrate line can be opened and closed again.
  • the first and second filtrate line can be opened at least temporarily at the same time in order to generate at least part of the second volume of water during the generation of the first volume of water.
  • the second operating mode can already be activated during the first operating mode, simultaneously with or even before it, and deactivated during the first operating mode, simultaneously with or after it, so that the first and second operating modes exist at least temporarily at the same time.
  • the time for generating the total volume formed from the first and second water volume can be reduced, with a maximum time saving being achieved if the second water volume is generated entirely during the generation of the first water volume.
  • the following five cases can be distinguished: -
  • the second filtrate line can be opened before the first filtrate line has been opened and closed after the first filtrate line has been opened.
  • the second filtrate line can be opened at the same time as the first filtrate line and closed before the first filtrate line is closed.
  • the second filtrate line can be opened after the first filtrate line has been opened and closed before the first filtrate line is closed.
  • the second filtrate line can be opened after the first filtrate line has been opened and closed at the same time.
  • the second filtrate line can be opened before the first filtrate line is closed and closed after the first filtrate line has been closed.
  • the first and/or second operating time is/are determined or calculated by the control unit.
  • the control unit is accordingly set up to determine the first and/or second operating time. This is preferably done using the value of the water parameter of the raw water. In other words, in this case, that water parameter whose value is to be present as a target value in the drinking water to be produced is first determined in the raw water. Subsequently, depending on this, the first and/or second operating time is determined, which is carried out in particular by the above-mentioned control unit.
  • the drinking water production system can have a corresponding sensor, preferably a TDS sensor.
  • the control unit is then appropriately set up to define the first and/or second operating time as a function of the water parameter measured in the raw water.
  • This achieves a uniform system structure for the drinking water production system according to the invention, which is suitable for all installation sites. Thanks to the direct determination of the water parameter in the raw water, it is also no longer necessary to take samples from the pipe water and evaluate them to determine a suitable first and second operating time.
  • the determination of the first and second periods of operation can suitably be made using the following formulas:
  • Equation 2 TQPI —
  • Equation 3 V UF — V x V R0
  • Equation 4 TQP2 —
  • V R0 the first water volume (permeate volume)
  • V x a desired total volume
  • R RO a percentage retention value of the RO unit as a decimal value
  • Q UF is the volume flow of the filtrate.
  • the required first water volume V R0 is first determined, ie the volume of the water that flows through both the UF unit and the RO unit.
  • the desired total volume V x which is formed by the sum of the first and the second water volume, corresponds to the tank volume when the fresh water tank is filled for the first time, for example between 10001 and 20001.
  • the value W RT of the water parameter in the raw water is measured with a corresponding sensor .
  • the desired target value Z FT is specified and is therefore also known.
  • the R RO rejection value is a specific parameter of the RO unit membrane and can be obtained from the operating data of the RO unit manufacturer. It indicates the degree of retention of a specific dissolved substance or salts in general and varies by membrane and substance.
  • the retention value R RO is usually between 95% and 99%.
  • the first operating time T 0P1 is then determined.
  • the second volume of water V UF corresponds to the volume by which the first volume of water or the fresh water tank must be filled in order to obtain the total volume.
  • the second operating time T 0P2 is then determined.
  • the volume flow of the permeate Q R0 and the filtrate Q UF are also operating values of the RO unit or the UF unit, which can be found in the manufacturer's information and/or with which the drinking water production plant is operated.
  • the first and second operating time for producing the respective first and second volume of water is determined in such a way that the mixture of the first and second volume of water has the desired target value of the water parameter under consideration, for example a TDS target value Z FT between 250 mg/ l and 500 mg/l.
  • the value W RT of the water parameter in the raw water is variable, depending on where the raw water comes from (surface water, well water, river water, etc.) and, on the other hand, the desired total volume V x , because it depends on drinking water consumption.
  • the latter is important if the method according to the invention is repeated, namely at a point in time when the fresh water tank is not yet completely empty, ie a different value for V x than the tank content is to be set.
  • the first and second operating periods TOPI, TOP2 can also be changed during the method.
  • the first and second water volume for the initial filling of the empty fresh water tank with a first total volume, preferably in the amount of the nominal tank content of the fresh water tank, the first and second water volume, the sum of which forms this first total volume, each have an initial first value
  • the first and second water volumes each have a second value
  • the sum of the second value of the first water volume and the second value of the second water volume then forming a second total volume, preferably equal to the refill volume.
  • the method according to the invention is then repeated to refill the fresh water tank, in which case the second total volume is subsequently produced, ie the first and second water volumes each have the second value.
  • the first and second periods of operation for the initial filling of the empty fresh water tank with a first total volume, preferably in the amount of the nominal tank content of the fresh water tank, the first and second water volume, the sum of which forms this first total volume, each have an initial first value
  • the sum of the second value of the first water volume and the second value of the second water volume then forming a
  • the first operating time to generate the first water volume can have a first value and the second operating time to generate the second water volume can have a second value, whereas a second value can be used to refill the fresh water tank for the first and second operating times , which is smaller than the first value.
  • the second total volume is preferably adapted to the drinking water consumption. This can be achieved, for example, by determining the level in the fresh water tank or the volume of water removed from the fresh water tank and repeating the method if the level falls below a specified limit value or the volume of water removed exceeds a specified limit value. Due to the definition of the corresponding limit value, the level of the second total volume is known. The method is then repeated with the second values for the first and second water volume, or with the second values for the first and second operating time.
  • the drinking water production system can consequently have a sensor for detecting the level in the fresh water tank and/or a device for determining the volume of the drinking water taken from the fresh water tank.
  • the control unit can be set up to repeat the generation of the first and second volume of water when the water level falls below a specified limit value or the volume of water removed exceeds a specified limit value.
  • a binary level sensor can be used in the simplest case, which generates a first signal above the limit value and below the Limit value outputs a second signal.
  • a level sensor that measures the actual level, so that the level of the fresh water tank is known at all times.
  • the volume of water removed can be measured, for example, with a water meter or a water meter.
  • the level limit value is, for example, 50% of the maximum level or the limit value for the volume of water removed is, for example, 50% of the first total volume or maximum volume of the fresh water tank
  • the respective second value of the first and second water volume can be 50% of the respective first value. The same applies to the first and second periods of operation.
  • the volume of drinking water to be subsequently produced is always constant due to the triggering of the repetition of the method by falling below the limit value.
  • the current water level is determined or the amount of drinking water taken that has been recorded so far is determined. In the latter case, this quantity already corresponds to the second total volume to be subsequently produced. In the case of the water level, the second total volume to be reproduced must first be calculated from this.
  • the volume of the drinking water to be subsequently produced is variable, since it is only fixed when the specified period of time has elapsed.
  • the target parameters are preferably the mass concentration of the completely dissolved substances (TDS), the salinity, the filtrate dry residue, the total dry residue, the electrical conductivity, the electrical resistance, the water hardness, the concentration of a chemical substance in the Drinking water such as arsenic or fluoride, or another physical parameter of the water quality is used.
  • TDS completely dissolved substances
  • a TDS sensor can be used to determine the salt content in the raw water, the output signal of which is a measure of the salt content or the total drying residue.
  • Such a sensor is preferably arranged in the raw water tank.
  • FIG. 1 a block diagram with the basic structure of a drinking water production system according to the invention
  • FIG. 2 a block diagram of a more detailed drinking water production system
  • a drinking water extraction system 1 comprises as core elements an ultrafiltration unit 14 for generating filtrate from raw water 2 and a reverse osmosis unit 20 for generating permeate from the filtrate.
  • the UF unit 14 is referred to below as the UF unit 14, and the RO unit 20 as the RO unit 20.
  • An input 38 of the RO unit 20 is connected to an output 37 of the UF unit 14 via a first filtrate line 26 that can be shut off, so that the filtrate of the UF unit 14 can be fed to the RO unit 20 via the first filtrate line 26 .
  • the UF unit 14 and the RO unit 20 are thus connected in series.
  • the first filtrate line 26 can be opened and closed via a first valve 34 .
  • An outlet 39 of the RO unit 20 is connected to a mixing point 15 via a permeate line 28 in order to direct the permeate to this mixing point 15 .
  • the mixing point 15 is formed here by a fresh water tank 15, which provides the drinking water 3 for removal.
  • the concentrate 4 further produced by the RO unit 20 is discarded.
  • the outlet 37 of the UF unit 14 is also connected to the mixing point 15 via a second filtrate line 26 that can be shut off, bypassing the RO unit 20 .
  • the second filtrate line 27 is thus parallel to the first filtrate line 26.
  • the second filtrate line 27 can be opened and closed via a second valve 35.
  • the drinking water 3 should have a desired target value of a water parameter relating to its composition.
  • the so-called TDS value Total Dissolved Solids
  • the desired target value in the drinking water is achieved in that the drinking water production plant 1 is operated in a first operating mode, in which the first filtrate line 26 is open to the mixing point 15 for generating a first volume of water in the form of a permeate volume, and is operated in a second operating mode, in which the second filtrate line 27 is open to the mixing point 15 for generating a second volume of water in the form of a filtrate volume.
  • the two volumes of water then mix in the mixing point 15 or the fresh water tank 15 .
  • a first water volume is generated by obtaining a filtrate from the raw water 2 by ultrafiltration and from this a permeate is obtained by reverse osmosis, the volume of which forms the first water volume
  • a second water volume is generated by the raw water 2 being obtained by ultrafiltration a filtrate is obtained, the volume of which constitutes the second volume of water.
  • the first and second water volumes are mixed to obtain the drinking water 3, the first and second water volumes being dimensioned in such a way that their mixture has the desired target parameters.
  • the water volumes are measured here based on the respective operating time for which the drinking water production system 1 is operated in the first and second operating modes.
  • the first volume of water is obtained by performing the ultrafiltration and reverse osmosis for a predetermined first period of operation.
  • the second volume of water is obtained by only performing the ultrafiltration for a predetermined second period of operation.
  • the drinking water production system 1 comprises a control unit 5, which is connected to the two valves 34, 35 via control lines shown in dashed lines in order to open or close them selectively.
  • the first mode of operation is when the first valve 34 is open.
  • the second operating mode is present when the second valve 35 is open.
  • both valves 34, 35 can also be opened at the same time at times, which can be regarded as a third operating mode.
  • both valves 34, 35 can also be closed, which means that the drinking water production system 1 is at a standstill.
  • the first and second operating times depend on the value of the water parameter of the raw water 2, and therefore its TDS value. This value could be determined by a laboratory test, the operating times then calculated and stored in the control unit. However, the TDS value of the raw water 2 can advantageously be measured by a TDS sensor 12 and sent to the control unit 5 by this. This is illustrated by the dashed line between the sensor 16 and the control unit 5 in FIG. 1. The control unit 5 can then calculate the first and second operating times on the basis of the measured TDS value. The following formulas are used for this:
  • Equation 2 TQPI —
  • Equation 3 V UF — V x V R0
  • Equation 4 TQP2 —
  • V R0 the first water volume (permeate volume)
  • V x a desired total volume
  • the control unit 5 then opens the first valve 34 for these 5 hours and the second valve for 2.4 hours.
  • the first operating mode has an operating time of 10.6 hours and the second operating mode has an operating time of 0.7 hours.
  • the control unit 5 then opens the first valve 34 for these 10.6 hours and the second valve for 0.7 hours.
  • FIG. 2 shows a drinking water production system 1 according to the invention, which, in contrast to the system 1 in FIG. 1, is supplemented by further components.
  • the raw water 2 is thus made available in a raw water tank 10 which is connected to the input 36 of the UF unit 14 via a raw water line 25 .
  • a raw water pump 11 is arranged within the raw water line 25 in order to pump the raw water 2 out of the tank 10 and at a pressure PF of, for example, 0.7 bar to the UF unit 14 .
  • a TDS sensor 12 is also connected to the raw water line 25 in order to determine the TDS value of the raw water 2 .
  • a pretreatment unit in the form of a prefilter 13 is arranged in the raw water line 25 between the raw water pump and the raw water line 25 in order to filter out coarse-particle components in the raw water, such as sand.
  • the UF unit 14 can be formed by one or more parallel ultrafiltration modules, for example by four such modules.
  • Such an ultrafiltration module preferably has a large number of ultrafiltration membranes in the form of hollow fibers.
  • the membranes are designed in such a way that particles larger than 9.5 nm are retained.
  • the membranes separate an untreated water side, to which the inlet 36 opens, from a filtrate side, from which at least one outlet 37 leads out.
  • a differential pressure also known as transmembrane pressure (TMP)
  • TMP transmembrane pressure
  • backwashing In order to detach the particles that accumulate on the membranes over time on the raw water side, and thus to clean the UF unit 14, it can be flown through backwards, which is generally known as backwashing. Water is pumped from the filtrate side to the raw water side.
  • a backwash pump 22 is provided in the drinking water production plant 1, which is connected to the outlet 37 of the UF unit 14 via a backwash line 30.
  • the backwash line 30 can be separated from the outlet 37 of the UF unit 14 via a backwash valve 40 .
  • the backwash water mixed with the accumulated particles is discharged on the raw water side through a retentate line 32 and separated in a drain 41 .
  • the retentate line 32 can be connected to the same inlet as the raw water line 26, in which case a shut-off valve is provided between the inlet 36 and the raw water line 25 and between the inlet 36 and the retentate line 32, depending on the operating mode (filter operation , backwash operation) optionally to connect the raw water line or the retentate line to the raw water side of the UF unit 14 .
  • the raw water side can have two inlets 36 , one inlet of which is connected to the raw water line 25 and one inlet to the retentate line 32 . In this case, too, there is a shut-off valve in each of the raw water line 25 and the retentate line 32 .
  • the outlet 37 of the UF unit 14 is also connected in the variant according to FIG.
  • the second filtrate line 27 is a second valve 35 to selectively open or close it.
  • the first filtrate line 26 connects the fork 23 or the outlet 37 of the UF unit 14 to the inlet 38 of the RO unit 20 in order to feed the filtrate from the UF unit 14 to it.
  • a first valve 34 to selectively open or close it.
  • a high-pressure pump 18 and, following this, an addition unit 19 are arranged in the second filtrate line 26 .
  • the addition unit 19 is used for metered addition of an antiscalant, i.e. a chemical for membrane cleaning.
  • the addition unit 19 is thus located between the high-pressure pump 18 and the RO unit 20.
  • the RO unit 20 can also be formed by one or more parallel reverse osmosis modules in order to increase the amount of permeate produced per unit time.
  • a reverse osmosis module has a reverse osmosis membrane that separates an inlet side from an outlet side.
  • a permeate is formed on the outlet side, ie largely desalinated pure water, which can drain off via a first outlet 39 of the RO unit 20 .
  • a permeate line 28 connects this first outlet 39 of the RO unit 20 to the fresh water tank 15 so that a volume of the ultrafiltered water that has been osmotically desalinated by the RO unit 20 can be made available for the fresh water tank 15 via it.
  • the reverse osmosis membrane is flown over as intended, so that the inflow side has an inflow and an outflow side. Due to the permeation of water through the membrane between the upstream and downstream sides, the salt concentration on the downstream side is higher than on the upstream side.
  • the water flowing out on the downstream side thus forms a concentrate 4.
  • the upstream side is connected to the inlet 38, the downstream side to a second outlet 42, to which a concentrate line 29 is connected, in order to transfer the concentrate 4 to a concentrate tank 21, for example with a capacity of 150 l initiate, with which the concentrate line 29 is connected.
  • An overflow line 31 diverts overflowing concentrate 4 to separate it in a drain 41 .
  • the concentrate 4 serves as backwash water, which is why the backwash line 30 is connected to the concentrate tank 21 .
  • a level sensor 17 is arranged in the fresh water tank 15 and is at least set up to determine that the level has fallen below a specific limit.
  • the level sensor 17 can preferably be set up to measure the actual level of the drinking water in the tank at any time. With the help of the level sensor 16 it can be determined whether, when and how much drinking water has to be produced after the desired TDS target value.
  • another TDS sensor is arranged in the fresh water tank 15, which measures the TDS value of the drinking water produced. This value can be used to check the correct operation of the drinking water generation system.
  • Figure 2 also shows the central control unit 5, to which the sensor data of the TDS sensor 12 for the raw water, the TDS sensor 16 for the fresh water and the level in the fresh water tank 15 are supplied via corresponding sensor lines (dash-dotted lines), and the on the other hand, are in operative connection with the pumps 11, 18, 22 and the valves 34, 35, 40 via corresponding control lines (dashed lines) in order to control them.
  • the TDS value in the raw water 2 is determined with the aid of the sensor 12 and made available to the control unit. This then determines with the above formulas the first operating time for the first operating mode to the first water volume in the form of a to produce a volume of permeate and the second period of operation for the second mode of operation to produce the second volume of water in the form of a volume of filtrate such that the combined total volume of the first and second volumes has the desired target TDS.
  • the TDS value in the raw water thus defines the operating time of the UF unit 14 in single operation and the combination of UF and RO units.
  • the first and second water volumes are generated one after the other. First the first water volume (RO batch) and then the second water volume (UF batch) is generated.
  • Another advantage of the drinking water production plant 1 is that all the hydraulic lines 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 are formed by hoses, preferably with connectors instead of rigid threaded pipes, which increases the compactness and simplifies the assembly of the plant .
  • the invention also includes any changes, alterations or modifications of exemplary embodiments which involve the exchange, addition, alteration or omission of elements, components, method steps, values or information, as long as the basic idea of the invention is retained, regardless of whether the change, alteration or modifications improve or detract from an embodiment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser (3) aus Rohwasser (2) durch Ultrafiltration und Umkehrosmose, wobei das Trinkwasser (3) einen gewünschten Zielwert eines seine Zusammensetzung betreffenden Wasserparameters aufweist und in einem Frischwassertank (15) bereitgestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Trinkwassergewinnungsanlage zur Durchführung des Verfahrens. Um den Zielwert einzustellen wird ein erstes Wasservolumen erzeugt, indem aus dem Rohwasser (2) durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen und aus diesem durch Umkehrosmose ein Permeat gewonnen wird, dessen Volumen das erste Wasservolumen bildet, und ein zweites Wasservolumen erzeugt, indem aus dem Rohwasser (2) durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen wird, dessen Volumen das zweite Wasservolumen bildet, wobei das erste und zweite Wasservolumen anschließend zum Erhalt des Trinkwassers (3) gemischt werden, und das erste und zweite Wasservolumen derart bemessen sind, dass ihre Mischung den gewünschten Zielwert aufweist.

Description

Verfahren und Anlage zur Gewinnung von Trinkwasser
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Aufbereitung von Rohwasser, insbesondere Wasserenthärtungs- und Wasserentsalzungsanlagen sowie Membranfiltersysteme. Im Besonderen betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Anlage zur Gewinnung von Trinkwasser aus Rohwasser durch Ultrafiltration, nachfolgend UF abgekürzt, und Umkehrosmose, nachfolgend RO abgekürzt, wobei das Trinkwasser einen gewünschten, seine Zusammensetzung betreffenden Zielparameter aufweist und in einem Frischwassertank bereitgestellt wird.
Die Verwendung von Ultrafiltrationsanlagen zur Herstellung von Trinkwasser aus Rohwasser, das in Form von Flusswasser, Oberflächen- oder Grundwasser vorliegt, ist allgemein bekannt. UF ist eine hervorragende Methode, um partikuläre Schwebstoffe und Mikroorganismen aus dem Rohwasser zu entfernen und Trinkwasserqualität zu erreichen. Je nach Herkunft und Jahreszeit kann das Rohwasser allerdings auch einen hohen Salzgehalt aufweisen, den die UF nicht in der Lage ist, zu reduzieren. Salze sind kristalline chemische Verbindungen aus positiv geladenen und negativ geladenen Ionen, die den Geschmack des Trinkwassers wesentlich bestimmen. Wasser mit einer vergleichsweise hohen Salzkonzentration wird von den meisten Menschen als ungenießbar empfunden. Obgleich ein negativer Einfluss eines hohen Salzgehalts im Trinkwasser auf die menschliche Gesundheit durch epidemiologische Studien bisher noch nicht nachgewiesen wurde, ist es aus geschmacklichen Gründen ein Bedürfnis, einen zu hohen Salzgehalt im Trinkwasser zu reduzieren, d.h. Salze zu entfernen. Dies kann durch Umkehrosmose erreicht werden. Ob ein geschmacklich unangenehm hoher Salzgehalt vorliegt, hängt vom Rohwasser ab, wobei der Salzgehalt des Rohwassers von seiner Herkunft abhängt. Ferner ist der Salzgehalt über das Jahr betrachtet nicht konstant, sondern Jahreszeitabhängig. Je nach Salzgehalt im Rohwasser bzw. gewünschtem Salzgehalt im Trinkwasser kann eine RO somit erforderlich oder aber entbehrlich sein. Bekannt in der Trinkwasserbehandlung bzw. Trinkwasseraufbereitung sind deshalb je nach Bedarf die folgenden Anordnungen aus einer UF-Einheit und/ oder einer RO-Einheit für die T rinkwasserherstellung:
1. eine reine UF-Einheit, wenn der Salzgehalt des Rohwassers unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt,
2. eine reine RO-Einheit, wenn der Salzgehalt des Rohwassers oberhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt,
3. eine UF-Einheit und RO-Einheit in Reihe hintereinandergeschaltet, wobei die UF als Vorbehandlung des Rohwassers für die RO dient, und
4. eine UF-Einheit und RO-Einheit parallel zueinander geschaltet, wobei die UF die RO unter Bildung eines Bypasses umgeht.
Die erste Variante hat wie bereits ausgeführt den Nachteil, dass der Salzgehalt im Trinkwasser nicht reduziert werden kann, so dass sie sich nur dann eignet, wenn der Salzgehalt bereits im Rohwasser niedrig ist, genauer gesagt, unterhalb einem Grenzwert liegt, der beispielsweise vom Kunden der Trinkwasseraufbereitungsanlage gewünscht ist.
Die zweite Variante bringt diejenigen Nachteile mit sich, die einer RO inhärent sind. So ist sie aufgrund des verwendeten spiralförmig gewundenen Aufbaus und der Dünnschichtkompositmembran wenig wirkungsvoll in der dauerhaften Zurückhaltung von mikrobiologischen Organismen. Da die RO nicht wie eine UF rückspülbar ist, werden hohe Anforderungen an die Zulaufwasserqualität der RO gestellt. Dies wird über eine mehrstufige Vorbehandlung des Rohwassers erreicht. Sollte es über eine längere Betriebszeit zur Ablagerung von Stoffen auf der RO-Membran kommen (Fouling), ist eine chemische Reinigung der RO-Membran notwendig. Dabei werden mit Hilfe von sauren and alkalischen Reinigern die Foulants entfernt. Bei der Rückspülung, wie sie bei der UF-Einheit üblich ist, wird die Durchströmung des Filters umgekehrt, indem gefiltertes Wasser von der Reinwasserseite zur Rohwasserseite gepumpt wird, um die seitens der Rohwasserseite an der Membran haftenden Partikel und Mikroorganismen abzulösen und wegzuspülen. Dies ist bei RO-Filtern nicht möglich.
RO-Einheiten müssen im Filterbetrieb außerdem mit einem konstanten Volumenstrom betrieben werden und haben einen hohen Wasser- und Energieverbrauch. Der hohe Energieverbrauch ist durch die geringe Porengröße, sozusagen auf Molekülebene, von weniger als 0.1 nm bedingt. Der hohe Wasserverbrauch entsteht da ein Großteil des Wassers lediglich die Filtermembran überströmt und anschließend als sogenanntes Konzentrat verworfen wird. Ein weiterer Nachteil von RO-Einheiten besteht darin, dass der Salzgehalt des durch die RO erzeugten Permeats nicht einstellbar und die Wasserqualität gering ist, weil der Salzgehalt stets minimal ist. Das Wasser ist deshalb neutral im Geschmack. Das Trinken von Trinkwasser mit minimalem Salz- bzw. Mineralgehalt kann negative gesundheitliche Folgen haben. Denn die Salze oder auch Mineralstoffe werden vom menschlichen Körper für viele Funktionen benötigt, wie z.B. dem Aufbau von Knochen, Zähnen, Zellen usw. Die relevanten Mineralstoffe sind Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, lod, Zink, Eisen und Kupfer. Eine ausschließliche Ernährung mit Trinkwasser mit geringem Salz- oder Mineraliengehalt kann zu Mangelerscheinungen führen, sofern die Mineralstoffe nicht durch andere Lebensmittel aufgenommen werden. Da die Menge an Rohwasser und sein Salzgehalt saisonal schwanken, wäre jedoch einen Einstellbarkeit des Volumenstroms und des Zielsalzgehalts im herzustellenden Trinkwasser wünschenswert.
Die vorgenannten Nachteile von RO-Einheit sind auch Nachteile der o.g. Variante 3, d.h. der Reihenschaltung aus UF und RO. So kann der Salzgehalt im herzustellenden Trinkwasser nicht eingestellt werden, der Großteil des wertvollen Filtrats der UF wird von der RO-Einheit als Retentat abgeschieden, und die Steuerung der Reihenschaltung aus UF und RO ist anspruchsvoll, weil der Filtratvolumenstrom konstant gehalten werden muss, dieser sich jedoch mit der Zeit infolge des Zusetzens des Ultrafiltrationsfilters verringert. Auch ist die Parallelschaltung aus UF-Einheit und RO-Einheit nicht ideal, weil das von der RO-Anlage gelieferte Permeat nicht frei von Mikroorganismen ist und am Ausgang der Filteranlage mit dem Filtrat gemischt wird.
Der Salzgehalt von Wasser kann auf unterschiedliche bestimmt werden. Ein Maß hierfür ist beispielsweise der sogenannte TDS-Wert. Er gibt die Massenkonzentration aller im Wasser gelösten Stoffe an (TDS, Total Dissolved Solids), ohne den Anteil der flüchtigen Stoffe. Der TDS-Wert wird in Milligramm pro Liter [mg/l] ausgedrückt. Trinkwasser mit einem TDS-Wert von 900 mg/l gilt als salzig und nicht genießbar. Liegt der Salzgehalt des Rohwasser unterhalb einem TDS von 500 mg/l reicht eine reine UF-Einheit zur Trinkwasseraufbereitung aus. Oberhalb eines TDS Grenzwerts von 500 mg/l wird in der Regel eine RO-Einheit zur Trinkwasseraufbereitung eingesetzt, die den Salzgehalt allerdings auf einen TDS von weniger als 20 mg/l reduziert. Da die Salze im Wasser Ionen bilden, die die Leitfähigkeit des Wassers bestimmen, ist der TDS-Wert gleichzeitig ein Maß für die Leitfähigkeit des Wassers. Anders betrachtet, kann alternativ zum Gesamttrocknungsrückstand bzw. TDS-Wert die Leitfähigkeit des Wassers oder dessen elektrischer Widerstand bestimmt werden, um eine quantitative Aussage über den Salzgehalt treffen zu können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Trinkwassergewinnung und eine Trinkwassergewinnungsanlage bereitzustellen, das bzw. die die Vorteile einer Kombination einer Ultrafiltration und einer Umkehrosmose nutzt, um gesundes und geschmacklich gutes Trinkwasser herzustellen, und gleichzeitig die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll bei dem Verfahren und der Anlage der Salzgehalt des herzustellenden Trinkwassers einstellbar sein und die Trinkwasserherstellung mit minimalem Wasser- und Energieverbrauch erfolgen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser aus Rohwasser durch Ultrafiltration und Umkehrosmose vorgeschlagen, bei dem das Trinkwasser einen gewünschten, seine Zusammensetzung betreffenden Zielparameter aufweist. Das Verfahren zeichnet sich darin aus, dass
- ein erstes Wasservolumen erzeugt wird, indem aus dem Rohwasser durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen und aus diesem durch Umkehrosmose ein Permeat gewonnen wird, dessen Volumen das erste Wasservolumen bildet,
- ein zweites Wasservolumen erzeugt wird, indem aus dem Rohwasser durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen wird, dessen Volumen das zweite Wasservolumen bildet, und
- das erste und zweite Wasservolumen anschließend zum Erhalt des Trinkwassers (3) gemischt werden, wobei das erste und zweite Wasservolumen derart bemessen sind, dass ihre Mischung den gewünschten Zielwert aufweist.
Zur Erzeugung des ersten Wasservolumens kann Filtrat von einer UF-Einheit über eine erste Filtratleitung zu einer RO-Einheit geleitet werden, deren Permeat an eine Mischstelle, insbesondere in den Frischwassertank geleitet werden. Außerdem kann zur Erzeugung des zweiten Wasservolumens Filtrat von der UF-Einheit über eine zweite Filtratleitung unter Überbrückung der RO-Einheit direkt an die Mischstelle, insbesondere in den Frischwassertank geleitet werden.
Zur Anwendung dieses Verfahrens wird außerdem erfindungsgemäß eine Trinkwassergewinnungsanlage zur Gewinnung von Trinkwasser aus Rohwasser durch Ultrafiltration und Umkehrosmose vorgeschlagen, wobei das Trinkwasser einen gewünschten Zielwert eines seine Zusammensetzung betreffenden Wasserparameters aufweist. Die Trinkwassergewinnungsanlage weist zumindest auf:
- eine UF-Einheit zur Erzeugung von Filtrat aus dem Rohwasser durch Ultrafiltration,
- eine mit der UF-Einheit über eine absperrbare erste Filtratleitung in Reihe angeordnete RO-Einheit zur Erzeugung von Permeat aus dem über die Filtratleitung zugeleiteten Filtrat durch Umkehrosmose, wobei die RO-Einheit mit einer Mischstelle, insbesondere über eine Permeatleitung, verbunden ist, und
- einen Frischwassertank zur Bereitstellung des Trinkwassers für eine Entnahme. Zusätzlich zur ersten Filtratleitung weist die Anlage eine absperrbare zweite Filtratleitung auf, die die UF-Einheit unter Überbrückung der RO-Einheit mit der Mischstelle direkt oder indirekt verbindet. Des Weiteren ist die Trinkwassergewinnungsanlage eingerichtet, in einem ersten Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem die erste Filtratleitung zur Erzeugung des ersten Wasservolums in Form eines Permeatvolumens zur Mischstelle hin geöffnet ist, und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem die zweite Filtratleitung zur Erzeugung des zweiten Wasservolums in Form eines Filtratvolumens zur Mischstelle hin geöffnet ist.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht somit darin, den gewünschten Zielwert des Wasserparameters dadurch zu erreichen, dass ein vorbestimmtes Mischungsverhältnis von Permeat der RO-Einheit einerseits und Filtrat der UF- Einheit andererseits eingestellt wird. Dies ermöglicht es, den betrachteten Wasserparameter auf einen beliebigen Zielwert einzustellen, wobei gleichzeitig erreicht wird, dass die RO-Einheit nur für eine minimale zeitliche Dauer in Betrieb ist und somit wertvolles, bereits ultrafiltriertes Wasser und Energie eingespart wird. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Trinkwassergewinnungsanlage mit der ersten und zweiten Filtratleitung ist gewährleistet, dass eine hohe mikrobiologische Trinkwasserqualität vorliegt.
In einer Ausführungsvariante kann das Rohwasser unmittelbar der UF-Einheit zugeführt sein oder werden. Es ist jedoch auch möglich, dass das Rohwasser zunächst einer Vorbehandlung unterzogen wird, z.B. mit Hilfe eines Vorfilters beispielsweise für Sand oder Sediment vorgefiltert wird, um ein Vorwasser zu erhalten, welches dann der UF-Einheit zugeführt wird. In dieser Variante ist bzw. wird das Rohwasser mittelbar der UF-Einheit zugeführt.
In einer Ausführungsvariante kann außerdem das Filtrat der UF-Einheit unmittelbar der RO-Einheit zugeführt sein oder werden. Es ist jedoch auch möglich, dass das Filtrat zunächst einer Vorbehandlung unterzogen wird, z.B. mit einem Scaling- Inhibitor, auch Antiscalant genannt, versetzt wird, um ein Zwischenwasser zu erhalten, welches dann der RO-Einheit zugeführt wird. In dieser Variante ist bzw. wird das Filtrat mittelbar der RO-Einheit zugeführt. Eine besonders einfache konstruktive Ausgestaltung der Trinkwassergewinnungsanlage wird dadurch erhalten, dass das Mischen des ersten und zweiten Wasservolumens allein durch deren Einleitung in den Frischwassertank erfolgt. In diesem Frischwassertank erfolgt dann die Durchmischung der beiden Wasservolumina automatisch, einerseits infolge der Strömungen und Turbulenzen bei der Wassereinleitung, andererseits durch Diffusion aufgrund von Konzentrationsunterschieden in den beiden Wasservolumina. In einer anderen Ausführungsvariante kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Mischen des ersten und zweiten Wasservolumens mit Hilfe einer Mischvorrichtung erfolgt. Eine solche Mischvorrichtung kann beispielsweise ein Rührwerk sein. Dieses kann sich zum Beispiel in dem Frischwassertank befinden oder in einem Mischbehälter, der dem Frischwassertank vorgelagert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann die Erzeugung der beiden Wasservolumina batchweise erfolgen. Das bedeutet, dass zunächst das erste Wasservolumen und anschließend das zweite Wasservolumen oder umgekehrt erzeugt wird. Das erste Wasservolumen wird somit in dem ersten Betriebsmodus der Anlage erzeugt, der für eine erste Betriebsdauer anliegt und in dem dann nur die erste Filtratleitung geöffnet ist. Mit anderen Worten kann die zweite Filtratleitung für die Erzeugung des ersten Wasservolumens abgesperrt werden. Ferner wird das zweite Wasservolumen in dem zweiten Betriebsmodus der Anlage erzeugt, der für eine zweite Betriebsdauer anliegt und in dem dann nur die zweite Filtratleitung geöffnet ist. Mit anderen Worten wird die erste Filtratleitung für die Erzeugung des zweiten Wasservolumens abgesperrt. Für den Übergang des ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus im Batchbetrieb wird folgemäßig die erste Filtratleitung geschlossen und die zweite Filtratleitung geöffnet oder es wird für den Übergang des zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus im Batchbetrieb die zweite Filtratleitung geschlossen und die erste Filtratleitung geöffnet, je nachdem, welcher Betriebsmodus zuerst ausgeführt wird.
In einer alternativen Ausführungsvariante kann allerdings vorgesehen sein, dass das zweite Wasservolumen während der Erzeugung des ersten Wasservolumens erzeugt wird. Dieser Betriebsfall stellt eine zeitweise Gleichzeitigkeit des ersten und zweiten Betriebsmodus dar, die als dritter Betriebsmodus betrachtet wird. Wie nachfolgend noch verdeutlich wird, können die erste und zweite Filtratleitung zumindest zeitweise auch gleichzeitig geöffnet sein, um das zweite Wasservolumen wenigstens teilweise während der Erzeugung des ersten Wasservolumens zu erzeugen. Hierdurch wird die Gesamtdauer für die Erzeugung der beiden Wasservolumina reduziert. Der dritte Betriebsmodus besteht nur für die Dauer des zweiten Betriebsmodus, weil das zweite Wasservolumen, d.h. das nur ultrafiltrierte Trinkwasser, schneller erzeugt ist, als das erste Wasservolumen und nach der Erzeugung des zweiten Wasservolumens die zweite Filtratleitung geschlossen wird. Ist zu diesem Zeitpunkt das zweite Wasservolumen noch nicht vollständig erzeugt, bleibt nur noch die erste Filtratleitung geöffnet, so dass der erste Betriebsmodus vorliegt. Es wird somit zwischen dem ersten und dem dritten Betriebsmodus gewechselt. Der zweite Betriebsmodus kann gleichzeitig mit dem ersten Betriebsmodus beginnen oder gleichzeitig mit diesem enden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird das erste Wasservolumen dadurch erhalten, dass die Ultrafiltration und Umkehrosmose, mithin der erste Betriebsmodus, für eine vorbestimmte erste Betriebsdauer durchgeführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann auch das zweite Wasservolumen dadurch erhalten werden, dass nur die Ultrafiltration, mithin der zweite Betriebsmodus, für eine vorbestimmte zweite Betriebsdauer durchgeführt wird. Die Deaktivierung des jeweiligen Betriebsmodus erfolgt somit rein zeitgesteuert, insbesondere timergesteuert, genauer gesagt, nach Ablauf der für den jeweiligen Betriebsmodus vorgesehenen Betriebsdauer. Dies hat den Vorteil, dass auf eine Sensorik, insbesondere eine Ermittlung des bereits erzeugten Wasservolumens verzichtet werden kann.
Das zeitgesteuerte Abschalten des jeweiligen Betriebsmodus kann von einer Steuereinheit der Trinkwasseranlage durchgeführt werden, in der zu jedem der Betriebsmodi die entsprechende Betriebsdauer gespeichert ist. Entsprechend kann die Trinkwassergewinnungsanlage eine Steuereinheit aufweisen, die eingerichtet ist, den ersten und zweiten Betriebsmodus für jeweils eine vorbestimmte Betriebsdauer einzustellen. Die Steuereinheit kann beispielsweise ein PLC (Programmable Logic Controller) sein. Zur Aktivierung des ersten Betriebsmodus bzw. zum Öffnen der ersten Filtratleitung kann ein Ventil in der ersten Filtratleitung zu Beginn der ersten Betriebsdauer geöffnet und zur Deaktivierung des ersten Betriebsmodus nach Ablauf der ersten Betriebsdauer wieder geschlossen werden. In entsprechender Weise kann zur Aktivierung des zweiten Betriebsmodus bzw. zum Öffnen der zweiten Filtratleitung ein Ventil in der zweiten Filtratleitung zu Beginn der zweiten Betriebsdauer geöffnet und zur Deaktivierung des zweiten Betriebsmodus nach Ablauf der zweiten Betriebsdauer wieder geschlossen werden. Vorzugsweise erfolgt die Ansteuerung der Ventile durch die genannte Steuereinheit.
Die Aktivierung des zweiten Betriebsmodus kann zeitlich nach der Deaktivierung des ersten Betriebsmodus erfolgen, so dass die beiden Betriebsmodi zeitlich überlappungsfrei, oder anders ausgedrückt, nacheinander ausgeführt werden. Hierdurch wird eine batchweise Erzeugung des ersten und zweiten Wasservolumens realisiert. Dazu kann zunächst das Ventil in der ersten Filtratleitung geöffnet und wieder geschlossen werden und anschließend das Ventil in der zweiten Filtratleitung geöffnet und wieder geschlossen werden.
Wie bereits erwähnt, ist es aber ebenso möglich, eine Betriebsweise zu realisieren, bei der sich der erste und zweite Betriebsmodus zeitlich überlappen oder der zweite Betriebsmodus sogar gänzlich während des ersten Betriebsmodus ausgeführt wird, weil die zweite Betriebsdauer kürzer als die erste Betriebsdauer ist. So können die erste und zweite Filtratleitung zumindest zeitweise gleichzeitig geöffnet sein, um wenigstens einen Teil des zweiten Wasservolumens während der Erzeugung des ersten Wasservolumens zu erzeugen. Im Hinblick auf die Betriebsmodi kann der zweite Betriebsmodus bereits während des ersten Betriebsmodus, gleichzeitig mit oder sogar vor diesem aktiviert werden, und während des ersten Betriebsmodus, gleichzeitig mit oder nach diesem deaktiviert werden, so dass der erste und zweite Betriebsmodus zumindest zeitweise gleichzeitig existieren. Hierdurch kann die Zeit zur Erzeugung des aus dem ersten und zweiten Wasservolumen gebildeten Gesamtvolumens verringert werden, wobei eine maximale Zeiteinsparung erreicht wird, wenn das zweite Wasservolumen gänzlich während der Erzeugung des ersten Wasservolumens erzeugt wird. Für diese zeitliche Koexistenz können also die folgenden fünf Fälle unterschieden werden: - Die zweite Filtratleitung kann geöffnet werden, bevor die erste Filtratleitung geöffnet wurde und geschlossen werden, nachdem die erste Filtratleitung geöffnet wurde.
- Die zweite Filtratleitung kann zeitgleich mit der ersten Filtratleitung geöffnet werden, und geschlossen werden, bevor die erste Filtratleitung geschlossen wird.
- Die zweite Filtratleitung kann geöffnet werden, nachdem die erste Filtratleitung geöffnet wurde und geschlossen werden, bevor die erste Filtratleitung geschlossen wird.
- Die zweite Filtratleitung kann geöffnet werden, nachdem die erste Filtratleitung geöffnet wurde und zeitgleich mit dieser geschlossen werden.
- Die zweite Filtratleitung kann geöffnet werden, bevor die erste Filtratleitung geschlossen wird, und geschlossen werden, nachdem die erste Filtratleitung geschlossen wurde.
In einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die erste und/ oder zweite Betriebsdauer von der Steuereinheit bestimmt bzw. berechnet wird/ werden. Die Steuereinheit ist folglich entsprechend eingerichtet, die erste und/ oder zweite Betriebsdauer zu bestimmen. Vorzugsweise erfolgt dies anhand des Werts des Wasserparameters des Rohwassers. Mit anderen Worten wird in diesem Fall zunächst derjenige Wasserparameter, dessen Wert im zu erzeugenden Trinkwasser als Zielwert vorliegen soll, im Rohwasser bestimmt. Anschließend in dessen Abhängigkeit die erste und/ oder zweite Betriebsdauer festgelegt, was insbesondere durch die o.g. Steuereinheit erfolgt.
Zur Bestimmung des Wasserparameters im Rohwasser kann die Trinkwassergewinnungsanlage einen entsprechenden Sensor, vorzugsweise einen TDS-Sensor aufweisen. Die Steuereinheit ist dann entsprechend eingerichtet, in Abhängigkeit des im Rohwasser gemessenen Wasserparameters die erste und/ oder zweite Betriebsdauer festzulegen. Hierdurch wird eine einheitliche Systemstruktur der erfindungsgemäßen Trinkwassergewinnungsanlage erreicht, die sich für alle Aufstellorte eignet. Dank der direkten Bestimmung des Wasserparameters im Rohwasser ist es ferner nicht mehr erforderlich, Proben im Rohrwasser zu entnehmen und diese zur Bestimmung einer geeigneten ersten und zweiten Betriebszeit auszuwerten. Die Bestimmung der ersten und zweiten Betriebsdauer kann geeigneterweise anhand der folgenden Formeln erfolgen:
Gl 1 :
Figure imgf000013_0001
VRO
Gl 2: TQPI —
QRO und
Gl 3: VUF — Vx VR0
VUF
Gl 4: TQP2 —
QUF wobei
VR0 das erste Wasservolumen (Permeatvolumen),
VUF das zweite Wasservolumen (Filtratvolumen),
Vx ein gewünschtes Gesamtvolumen,
WRT der Wert des Wasserparameters im Rohwasser,
ZFT der gewünschte Zielwert des Wasserparameters im Trinkwasser,
RRO ein prozentualer Rückhaltungswert der RO-Einheit als Dezimalwert,
QRO der Volumenstrom des Permeats und
QUF der Volumenstrom des Filtrats ist.
Mit Formel Gl. 1 wird zunächst das benötigte erste Wasservolumen VR0 bestimmt, d.h. das Volumen desjenigen Wassers, dass sowohl die UF-Einheit als auch die RO- Einheit durchströmt. Das gewünschtes Gesamtvolumen Vx, das durch die Summe aus dem ersten und dem zweiten Wasservolumen gebildet ist, entspricht bei der erstmaligen Befüllung des Frischwassertanks dessen Tankvolumen, beispielsweise zwischen 10001 und 20001. Der Wert WRT des Wasserparameters im Rohwasser wird mit einem entsprechenden Sensor gemessen. Der gewünschte Zielwert ZFT wird vorgegeben und ist somit ebenfalls bekannt. Der Rückhaltungswert RRO ist ein spezifischer Parameter der Membran der RO-Einheit und kann den Betriebsdaten des Herstellers der RO-Einheit entnommen werden. Er gibt den Grad der Zurückhaltung einer bestimmten gelösten Substanz oder von Salzen allgemein an und ist je nach Membran und Substanz unterschiedlich. Üblicherweise liegt der Rückhaltungswert RRO zwischen 95% und 99%. Mit Formel Gl. 2 wird dann die erste Betriebszeit T0P1bestimmt.
Ausweislich Formel Gl. 3 entspricht das zweite Wasservolumen VUF dem Volumen, um das das erste Wasservolumen bzw. der Frischwassertank aufgefüllt werden muss, um in der Summe das Gesamtvolumen zu erhalten. Mit Formel Gl. 2 wird dann die zweite Betriebszeit T0P2 bestimmt. Der Volumenstrom des Permeats QR0 sowie des Filtrats QUF sind ebenfalls Betriebswerte der RO-Einheit bzw. der UF-Einheit, die den Herstellerangaben entnommen werden können und/ oder mit denen die Trinkwassergewinnungsanlage betrieben wird.
Mit Hilfe der genannten Formeln werden die erste und zweite Betriebsdauer zur Herstellung des jeweiligen ersten und zweiten Wasservolumens so bestimmt, dass die Mischung aus dem ersten und zweiten Wasservolumen den gewünschten Zielwert des betrachteten Wasserparameters besitzt, beispielsweise einen TDS- Zielwert ZFT zwischen 250 mg/l und 500 mg/l.
Es zeigt sich, dass im Betrieb der Trinkwassergewinnungsanlage sämtliche Größen der o.g. Formeln im Wesentlichen konstant sind. Veränderlich ist vielmehr einerseits der Wert WRT des Wasserparameters im Rohwasser, je nachdem, von wo das Rohwasser stammt (Oberflächenwasser, Brunnenwasser, Flusswasser, etc.) und andererseits das gewünschte Gesamtvolumen Vx, weil es vom Trinkwasserverbrauch abhängt. Letzteres ist von Bedeutung, wenn das erfindungsgemäße Verfahren wiederholt wird, und zwar zu einem Zeitpunkt, zu dem der Frischwassertank noch nicht völlig entleert ist, d.h. ein anderer Wert für Vx anzusetzen ist, als der Tankinhalt. Vor diesem Hintergrund können die erste und zweite Betriebsdauer TOPI , TOP2 während des Verfahrens auch verändert werden.
Mit anderen Worten können zum initialen Befüllen des leeren Frischwassertanks mit einem ersten Gesamtvolumen, vorzugsweise in Höhe des nominalen Tankinhalts des Frischwassertanks, das erste und zweite Wasservolumen, deren Summe dieses erste Gesamtvolumen bildet, jeweils einen initialen ersten Wert haben, und zum späteren Nachfüllen des Frischwassertanks um ein Nachfüllvolumen können das erste und zweite Wasservolumen jeweils einen zweiten Wert haben, wobei die Summe des zweiten Werts des ersten Wasservolumens und des zweiten Wertes des zweiten Wasservolumens dann ein zweites Gesamtvolumen, vorzugsweise in Höhe des Nachfüllvolumens bilden. Das erfindungsgemäßen Verfahren wird dann zum Nachfüllen des Frischwassertanks wiederholt, wobei in diesem Fall das zweite Gesamtvolumen nachproduziert wird, d.h. das erste und zweite Wasservolumen jeweils den zweiten Wert hat. Selbiges gilt für die erste und zweite Betriebsdauer. So kann beim initialen Füllen des Frischwassertanks die erste Betriebsdauer zur Erzeugung des ersten Wasservolumens einen ersten Wert und die zweite Betriebsdauer zur Erzeugung des zweiten Wasservolumens einen zweiten Wert haben, wohingegen zum Nachfüllen des Frischwassertanks für die erste und zweite Betriebsdauer jeweils ein zweiter Wert verwendet werden kann, der jeweils kleiner als der erste Wert ist.
Vorzugsweise ist das zweite Gesamtvolumen an den Trinkwasserverbrauch angepasst. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Pegelstand im Frischwassertank oder das aus dem Frischwassertank entnommene Wasservolumen bestimmt und das Verfahren wiederholt wird, wenn der Pegelstand unter einen festgelegten Grenzwert fällt oder das entnommene Wasservolumen einen festgelegten Grenzwert überschreitet. Aufgrund der Festlegung des entsprechenden Grenzwerts, ist die Höhe des zweiten Gesamtvolumens bekannt. Die Wiederholung des Verfahrens erfolgt dann mit den zweiten Werten für das erste und zweite Wasservolumen, respektive mit den zweiten Werten für die erste und zweite Betriebsdauer.
Die Trinkwassergewinnungsanlage kann folglich einen Sensor zur Erfassung des Pegelstands im Frischwassertank und/ oder eine Einrichtung zur Bestimmung des Volumens des aus dem Frischwassertank entnommenen Trinkwassers aufweisen. Ferner kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Erzeugung des ersten und zweiten Wasservolumens zu wiederholen, wenn der Pegelstand unter einen festgelegten Grenzwert fällt oder das entnommene Wasservolumen einen festgelegten Grenzwert überschreitet. Um festzustellen, ob der Pegelstand unter den festgelegten Grenzwert fällt, kann im einfachsten Fall ein binärer Pegelstandssensor verwendet werden, der oberhalb des Grenzwert ein erstes Signal und unterhalb des Grenzwerts ein zweites Signal ausgibt. Es ist aber ebenso möglich, einen Pegelstandssensor zu verwenden, der den tatsächlichen Pegelstand misst, so dass zum jedem Zeitpunkt der Füllstand des Frischwassertanks bekannt ist. Das entnommene Wasservolumen kann beispielsweise mit einem Wasserzähler oder einer Wasseruhr gemessen werden.
Durch die Unterschreitung des Pegelstandsgrenzwerts oder die Bestimmung des Pegelstands im Frischwassertank ist ebenso wie bei der direkten Messung der Menge entnommenen Trinkwassers bekannt, wie viel Trinkwasser nachproduziert werden muss, um den Frischwassertank wieder zu füllen. Liegt der Pegelstandsgrenzwert beispielsweise bei 50% des Maximalpegels oder der Grenzwert für das entnommene Wasservolumen beispielsweise bei 50% des ersten Gesamtvolumens bzw. Maximalvolumens des Frischwassertanks, kann der jeweilige zweite Wert des ersten und zweiten Wasservolumens 50% des jeweiligen ersten Werts betragen. Selbiges gilt für die erste und zweite Betriebsdauer. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Volumen des nachzuproduzierenden Trinkwassers aufgrund der Auslösung der Wiederholung des Verfahrens durch die Grenzwertunterschreitung stets konstant.
Alternativ zu den genannten Grenzwerten kann eine an den Verbrauch angepasste Nachproduktion von Trinkwasser zeitbezogen erfolgen. In diesem Fall werden also keine Grenzwerte verwendet. Vielmehr wird nach einem bestimmten Zeitraum, beispielsweise in Intervallen zwischen 5 und 30 Minuten, der aktuelle Pegelstand bestimmt oder die bisher erfasste Menge entnommenen Trinkwassers festgestellt. Im letzteren Fall entspricht diese Menge bereits dem nachzuproduzierenden zweiten Gesamtvolumen. Im Falle des Pegelstands muss daraus zunächst das nachzuproduzierende zweite Gesamtvolumen berechnet werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Volumen des nachzuproduzierenden Trinkwassers variabel, da es erst beim Ablauf des genannten Zeitraums feststeht.
Vorzugsweise wird als Zielparameter die Massenkonzentration der vollständig gelösten Stoffe (TDS), die Salinität, der Filtrattrockenrückstand, der Gesamttrocknungsrückstand, die elektrische Leitfähigkeit, der elektrische Widerstand, die Wasserhärte, die Konzentration einer chemischen Substanz im Trinkwasser wie beispielsweise Arsen oder Fluorid, oder ein anderer physikalischer Parameter der Wasserbeschaffenheit verwendet. Um den Salzgehalt im Rohwasser festzustellen, kann ein TDS-Sensor verwendet werden, dessen Ausgangssignal ein Maß für den Salzgehalt bzw. den Gesamttrocknungsrückstand ist. Vorzugsweise ist ein solcher Sensor im Rohwassertank angeordnet.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens respektive der Trinkwassergewinnungsanlage werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 : ein Blockschaltbild mit dem Grundaufbau einer erfindungsgemäßen T rinkwassergewinnungsanlage
Figur 2: ein Blockschaltbild einer detailreicheren Trinkwassergewinnungsanlage
Wie Figur 1 veranschaulicht, umfasst eine erfindungsgemäße Trinkwassergewinnungsanlage 1 als Kernelemente eine Ultrafiltrationseinheit 14 zur Erzeugung von Filtrat aus Rohwasser 2 und eine Umkehrosmoseeinheit 20 zur Erzeugung von Permeat aus dem Filtrat. Die UF-Einheit 14 wird nachfolgend als UF- Einheit 14, die RO-Einheit 20 als RO-Einheit 20 bezeichnet. Ein Eingang 38 der RO- Einheit 20 ist mit einem Ausgang 37 der UF-Einheit 14 über eine absperrbare erste Filtratleitung 26 verbunden, so dass das Filtrat der UF-Einheit 14 über die erste Filtratleitung 26 der RO-Einheit 20 zugeleitet werden kann. Die UF-Einheit 14 und die RO-Einheit 20 sind somit in Reihe geschaltet. Über ein erstes Ventil 34 kann die erste Filtratleitung 26 geöffnet und geschlossen werden.
Ein Ausgang 39 der RO-Einheit 20 ist über eine Permeatleitung 28 mit einer Mischstelle 15 verbunden, um das Permeat zu dieser Mischstelle 15 zu leiten. Die Mischstelle 15 ist hier durch einen Frischwassertank 15 gebildet, der das Trinkwasser 3 für eine Entnahme bereitstellt. Das von der RO-Einheit 20 ferner erzeugte Konzentrat 4 wird verworfen. Der Ausgang 37 der UF-Einheit 14 ist ferner über eine absperrbare zweite Filtratleitung 26 unter Überbrückung der RO-Einheit 20 mit der Mischstelle 15 verbunden. Die zweite Filtratleitung 27 liegt somit parallel zur erste Filtratleitung 26. Über ein zweites Ventil 35 kann die zweite Filtratleitung 27 geöffnet und geschlossen werden. Das Trinkwasser 3 soll einen gewünschten Zielwert eines seine Zusammensetzung betreffenden Wasserparameters aufweisen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Wasserparameter der sogenannte TDS-Wert (Total Dissolved Solids) verwendet, der in der Einheit Milligramm pro Liter die Masse der im Wasser gelösten Stoffe, mithin der Salze angibt. Der gewünschte Zielwert im Trinkwasser wird dadurch erreicht, dass die Trinkwassergewinnungsanlage 1 in einem ersten Betriebsmodus betrieben wird, in dem die erste Filtratleitung 26 zur Erzeugung eines ersten Wasservolumens in Form eines Permeatvolumens zur Mischstelle 15 hin geöffnet ist, und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, in dem die zweite Filtratleitung 27 zur Erzeugung eines zweiten Wasservolumens in Form eines Filtratvolumens zur Mischstelle 15 hin geöffnet ist. In der Mischstelle 15 respektive dem Frischwassertank 15 mischen sich dann die beiden Wasservolumina.
Es wird also einerseits ein erstes Wasservolumen erzeugt, indem aus dem Rohwasser 2 durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen und aus diesem durch Umkehrosmose ein Permeat gewonnen wird, dessen Volumen das erste Wasservolumen bildet, und andererseits ein zweites Wasservolumen erzeugt, indem aus dem Rohwasser 2 durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen wird, dessen Volumen das zweite Wasservolumen bildet. Nach der jeweiligen Gewinnung werden das erste und zweite Wasservolumen zum Erhalt des Trinkwassers 3 gemischt, wobei das erste und zweite Wasservolumen derart bemessen sind, dass ihre Mischung den gewünschten Zielparameter aufweist. Die Bemessung der Wasservolumina erfolgt hier anhand der jeweiligen Betriebsdauer, für die die Trinkwassergewinnungsanlage 1 im ersten und zweiten Betriebsmodus betrieben wird. So wird das erste Wasservolumen dadurch erhalten, dass die Ultrafiltration und Umkehrosmose für eine vorbestimmte erste Betriebsdauer durchgeführt wird. Ferner wird das zweite Wasservolumen dadurch erhalten, dass nur die Ultrafiltration für eine vorbestimmte zweite Betriebsdauer durchgeführt wird.
Wie Figur 2 ferner zeigt, umfasst die Trinkwassergewinnungsanlage 1 eine Steuereinheit 5, die über gestrichelt dargestellte Steuerleitungen datentechnisch mit den beiden Ventilen 34, 35 verbunden ist, um diese wahlweise zu öffnen oder zu schließen. Der erste Betriebsmodus liegt vor, wenn das erste Ventil 34 geöffnet ist. Entsprechend liegt der zweite Betriebsmodus vor, wenn das zweite Ventil 35 geöffnet ist. Allerdings können beide Ventile 34, 35 zeitweise auch gleichzeitig geöffnet sein, was als dritter Betriebsmodus betrachtet werden kann. Natürlich können beide Ventile 34, 35 auch geschlossen sein, was einen Stillstand der Trinkwassergewinnungsanlage 1 bedeutet.
Die erste und zweite Betriebsdauer sind abhängig vom Wert des Wasserparameters des Rohwassers 2, mithin dessen TDS-Werts. Dieser Wert könnte durch eine labortechnische Untersuchung ermittelt, die Betriebsdauern dann berechnet und in der Steuereinheit hinterlegt werden. Der TDS-Wert des Rohwassers 2 kann jedoch vorteilhafterweise durch einen TDS-Sensor 12 gemessen und von diesem an die Steuereinheit 5 gegeben werden. Dies veranschaulicht die gestrichelte Linie zwischen Sensor 16 und Steuereinheit 5 in Figur 1. Die Steuereinheit 5 kann dann aufgrund des gemessenen TDS-Werts die erste und zweite Betriebszeit berechnen. Hierzu werden folgende Formeln verwendet:
Gl 1 :
Figure imgf000019_0001
VRO
Gl 2: TQPI —
QRO und
Gl 3: VUF — Vx VR0
VUF
Gl 4: TQP2 —
QUF wobei
VR0 das erste Wasservolumen (Permeatvolumen),
VUF das zweite Wasservolumen (Filtratvolumen),
Vx ein gewünschtes Gesamtvolumen,
WRT der Wert des Wasserparameters im Rohwasser,
ZFT der gewünschte Zielwert des Wasserparameters im Trinkwasser,
RRO ein Rückhaltungswert der RO-Einheit in Prozent,
QRO der Volumenstrom des Permeats und
QUF der Volumenstrom des Filtrats ist. Beträgt der TDS-Wert im Rohwasser beispielsweise WRT = 800 mg/l und wird ein TDS-Zielwert im Trinkwasser von ZFT = 500 mg/l gewünscht, so kann, um einen Frischwassertank 15 mit einem Gesamtvolumen von Vx = 10001 zu füllen, und unter der konservativen Annahme eines Rückhaltungswerts der RO-Einheit von mindestens RRO = 96% und einer Verwendung eines Filtratvolumenstroms von QUF = 260 l/h und eines Permeatvolumenstroms von QR0 = 78 l/h, der erste Betriebsmodus eine Betriebsdauer von T0P1 = 5 Stunden und der zweite Betriebsmodus eine Betriebsdauer von T0P2 = 2,4 Stunden haben. Die Steuereinheit 5 öffnet dann für diese 5 Stunden das erste Ventil 34 und für 2,4 Stunden das zweite Ventil. Beträgt der TDS-Wert im Rohwasser beispielsweise 1200 mg/l und wird ein TDS-Zielwert im Trinkwasser von 250 mg/l gewünscht, so kann, unter der Annahme derselben Werte für Vx, RRO, QUF und QR0 wie zuvor, der erste Betriebsmodus eine Betriebsdauer von 10,6 Stunden und der zweite Betriebsmodus eine Betriebsdauer von 0,7 Stunden haben. Die Steuereinheit 5 öffnet dann für diese 10,6 Stunden das erste Ventil 34 und für 0,7 Stunden das zweite Ventil.
Es ist von Vorteil, die beiden Betriebsmodi nacheinander auszuführen, d.h. das erste und zweite Wasservolumen chargenweise zu erzeugen. Dies ermöglicht eine kleine UF-Einheit einzusetzen, da nicht gleichzeitig Filtrat für den Mischtank und den Zulauf der RO erzeugt werden muss.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Trinkwassergewinnungsanlage 1 , die im Gegensatz zur Anlage 1 in Figur 1 durch weitere Komponenten ergänzt ist. So wird das Rohwasser 2 in einem Rohwassertank 10 bereitgestellt, der über eine Rohwasserleitung 25 mit dem Eingang 36 der UF-Einheit 14 verbunden ist. Innerhalb der Rohwasserleitung 25 ist eine Rohwasserpumpe 11 angeordnet, um das Rohwasser 2 aus dem Tank 10 und mit einem Druck PF von beispielsweise 0,7 bar zur UF-Einheit 14 zu fördern. An die Rohwasserleitung 25 ist außerdem ein TDS- Sensor 12 angeschlossen, um den TDS-Wert des Rohwassers 2 zu bestimmen. Des Weiteren ist in der Rohwasserleitung 25 zwischen der Rohwasserpumpe und der Rohwasserleitung 25 eine Vorbehandlungseinheit in Gestalt eines Vorfilters 13 angeordnet, um grobpartikuläre Bestandteile im Rohwasser wie z.B. Sand herauszufiltern. Die UF-Einheit 14 kann durch ein oder mehrere parallele Ultrafiltrationsmodule gebildet sein, beispielsweise durch vier solcher Module. Ein derartiges Ultrafiltrationsmodul weist bevorzugt eine Vielzahl an Ultrafiltrationsmembranen in Gestalt von Hohlfasern auf. Die Membranen sind derart ausgebildet, dass Partikel größer als 9.5 nm zurückgehalten werden. Die Membranen trennen eine Rohwasserseite, zu der der Eingang 36 mündet, von einer Filtratseite, aus der wenigstens ein Ausgang 37 herausführt. Im Betrieb kann zwischen der Rohwasserseite und der Filtratseite ein Differenzdruck, auch Transmembrandruck (TMP) genannt, von maximal 1 ,2 bar bestehen.
Um die sich auf der Rohwasserseite an den Membranen mit der Zeit ansammelnden Partikel abzulösen, mithin die UF-Einheit 14 zu reinigen, kann diese rückwärts durchströmt werden, was allgemein als Rückspülung bekannt ist. Dabei wird Wasser von der Filtratseite zur Rohwasserseite gepumpt. Hierzu ist eine Rückspülpumpe 22 in der Trinkwassergewinnungsanlage 1 vorgesehen, die über eine Rückspülleitung 30 mit dem Ausgang 37 der UF-Einheit 14 in Verbindung steht. Über ein Rückspülventil 40 kann die Rückspülleitung 30 vom Ausgang 37 der UF-Einheit 14 getrennt werden. Das mit den angesammelten Partikeln versetzte Rückspülwasser wird auf der Rohwasserseite durch eine Retentatleitung 32 abgeführt und in einem Abfluss 41 abgeschieden.
Die Retentatleitung 32 kann in einer Ausführungsvariante an demselben Eingang wie die Rohwasserleitung 26 angeschlossen sein, wobei in diesem Fall zwischen dem Eingang 36 und der Rohwasserleitung 25 und zwischen dem Eingang 36 und der Retentatleitung 32 jeweils ein Absperrventil vorgesehen ist, um je nach Betriebsart (Filterbetrieb, Rückspülbetrieb) wahlweise die Rohwasserleitung oder die Retentatleitung mit der Rohwasserseite der UF-Einheit 14 zu verbinden. Alternativ kann die Rohwasserseite zwei Eingänge 36 aufweisen, von denen je ein Eingang mit der Rohwasserleitung 25 und ein Eingang mit der Retentatleitung 32 verbunden ist. Auch in diesem Fall ist in der Rohwasserleitung 25 und der Retentatleitung 32 jeweils ein Absperrventil vorhanden. Der Ausgang 37 der UF-Einheit 14 ist auch in der Ausführungsvariante gemäß Figur 2 über zwei parallele Leitungen 26, 27 mit einem Frischwassertank 15 verbunden, über die jeweils ein bestimmtes Wasservolumen in den Tank 15 eingeleitet werden kann. Ein zentraler Leitungsabschnitt, in den auch die Retentatleitung 30 mündet, verbindet den Ausgang 37 mit einer Gabelung 23, an der sich der zentrale Leitungsabschnitt in eine erste Filtratleitung 26 und eine zweite Filtratleitung 27 aufteilt. Die zweite Filtratleitung 27 mündet direkt in den Frischwassertank 15, so dass über sie ein Volumen des unentsalzten, ultrafiltrierten Wassers der UF-Einheit 14 für den Frischwassertank 15 bereitgestellt werden kann. Dies kann mit einem Filtratfluss von beispielsweise QUF = 260 l/h erfolgen. In der zweiten Filtratleitung 27 ist ein zweites Ventil 35, um sie wahlweise zu öffnen oder zu schließen.
Die erste Filtratleitung 26 verbindet die Gabelung 23 bzw. den Ausgang 37 der UF- Einheit 14 mit dem Eingang 38 der RO-Einheit 20, um ihr das Filtrat der UF-Einheit 14 zuzuleiten. In der ersten Filtratleitung 27 ist ein erstes Ventil 34, um sie wahlweise zu öffnen oder zu schließen. Ferner sind in der zweiten Filtratleitung 26 eine Hochdruckpumpe 18 und, dieser nachfolgend, eine Zugabeeinheit 19 angeordnet. Die Zugabeeinheit 19 dient im Reinigungsfall der dosierten Zugabe eines Antiscalants, d.h. einer Chemikalie zur Membranreinigung. Die Zugabeeinheit 19 liegt somit zwischen der Hochdruckpumpe 18 und der RO-Einheit 20.
Wie im Falle der UF-Einheit 14 kann auch die RO-Einheit 20 durch ein oder mehrere parallele Umkehrosmosemodule gebildet sein, um die Menge an erzeugtem Permeat pro Zeiteinheit zu erhöhen. Ein Umkehrosmosemodul weist eine Umkehrosmosemembran auf, die eine Zulaufseite von einer Ablaufseite trennt.
Infolge der Permeation des Wassers durch die Membran entsteht auf der Ablaufseite ein Permeat, d.h. weitgehend entsalztes Reinwasser, das über einen ersten Ausgang 39 der RO-Einheit 20 ablaufen kann. Eine Permeatleitung 28 verbindet diesen ersten Ausgang 39 der RO-Einheit 20 mit dem Frischwassertank 15, so dass über sie ein Volumen des ultrafiltrierten und von der RO-Einheit 20 osmotisch entsalzten Wassers für den Frischwassertank 15 bereitgestellt werden kann. Das Permeat kann mit einem Volumenstrom von beispielsweise QRO = 78 l/h fließen. Der Transmembrandruck über die Osmosemembran kann bei PRO = 4,8 bar liegen. Die Umkehrosmosemembran wird bestimmungsgemäß überströmt, so dass die Zulaufseite eine Zustrom- und eine Abstromseite aufweist. Aufgrund der Permeation des Wassers durch die Membran zwischen der Zustrom- und der Abstromseite ist die Salzkonzentration auf der Abstromseite höher, als auf der Zustromseite. Das auf der Abstromseite abfließende Wasser bildet somit ein Konzentrat 4. Die Zustromseite steht mit dem Eingang 38, die Abstromseite mit einem zweiten Ausgang 42 in Verbindung, an den sich eine Konzentratleitung 29 anschließt, um das Konzentrat 4 in einen Konzentrattank 21 beispielsweise mit 1501 Fassungsvermögen einzuleiten, mit dem die Konzentratleitung 29 verbunden ist. Eine Überlaufleitung 31 leitet überlaufendes Konzentrat 4 ab, um es in einem Abfluss 41 abzuscheiden. Das Konzentrat 4 dient als Rückspülwasser, weshalb die Rückspülleitung 30 mit dem Konzentrattank 21 verbunden ist.
In dem Frischwassertank 15 ist ein Pegelsensor 17 angeordnet, der wenigstens dazu eingerichtet ist, die Unterschreitung eines bestimmten Grenzpegels festzustellen. Vorzugsweise kann der Pegelsensor 17 eingerichtet sein, den tatsächlichen Pegelstand des Trinkwassers im Tank jederzeit zu messen. Mit Hilfe des Pegelsensors 16 kann festgestellt werden, ob, wann und wieviel Trinkwasser dem gewünschten TDS-Zielwert nachproduziert werden muss. Des Weiteren ist in dem Frischwassertank 15 ein weiterer TDS-Sensor angeordnet, der den TDS-Wert des erzeugten Trinkwassers misst. Dieser Wert kann zur Überprüfung der korrekten Arbeitsweise der Trinkwassererzeugungsanlage herangezogen werden.
Figur 2 zeigt auch die zentrale Steuereinheit 5, der einerseits über entsprechende Sensorleitungen (strich-gepunktete Linien) die Sensordaten des TDS-Sensors 12 für das Rohwasser, des TDS-Sensors 16 für das Frischwasser und den Pegelstand im Frischwassertank 15 zugeführt werden, und die andererseits über entsprechende Steuerleitungen (gestrichelte Linien) mit den Pumpen 11 , 18, 22 und den Ventilen 34, 35, 40 in Wirkverbindung stehen, um diese anzusteuern.
Bei Betriebsbeginn der Trinkwassergewinnungsanlage 1 wird mit Hilfe des Sensors 12 der TDS-Wert im Rohwasser 2 ermittelt und der Steuereinheit zur Verfügung gestellt. Diese ermittelt daraufhin mit den o.g. Formeln die erste Betriebsdauer für den ersten Betriebsmodus, um das erste Wasservolumen in Gestalt eines Permeatvolumens zu erzeugen, und die zweite Betriebsdauer für den zweiten Betriebsmodus, um das zweite Wasservolumen in Gestalt eines Filtratvolumens zu erzeugen, und zwar derart, dass das gemischte Gesamtvolumen aus dem ersten und zweiten Volumen den gewünschten TDS-Zielwert hat. Der TDS-Wert im Rohwasser definiert also die Betriebszeit der UF-Einheit 14 im Einzelbetrieb und der Kombination aus UF- und RO-Einheit. Vorteilhaft ist hierbei, dass die hydraulische Struktur der Trinkwassergewinnungsanlage 1 für unterschiedliche TDS-Werte im Rohwasser nicht geändert werden braucht. Vielmehr erfolgt eine Anpassung rein steuerungstechnisch, indem allein durch Neuberechnung der ersten und zweiten Betriebsdauer eine Anpassung an einen geänderten TDS-Wert erfolgt.
Die Erzeugung des ersten und zweiten Wasservolumens erfolgt auch hier nacheinander. Dabei wird zunächst das erste Wasservolumen (RO-Batch) und anschließend das zweite Wasservolumen (UF-Batch) erzeugt.
Ein weiterer Vorteil der Trinkwassergewinnungsanlage 1 besteht darin, dass alle hydraulischen Leitungen 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 durch Schläuche vorzugsweise mit Steckverbindern anstelle von starren Rohren mit Gewinden gebildet sind, was die Kompaktheit erhöht und die Montage der Anlage vereinfacht.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung lediglich beispielhaft zum Zwecke der Veranschaulichung gegeben ist und den Schutzbereich der Erfindung keineswegs einschränkt. Merkmale der Erfindung, die als „kann“, „beispielhaft“, „bevorzugt“, „optional“, „ideal“, „vorteilhaft“, „gegebenenfalls“, „geeignet“ oder dergleichen angegeben sind, sind als rein fakultativ zu betrachten und schränken ebenfalls den Schutzbereich nicht ein, welcher ausschließlich durch die Ansprüche festgelegt ist. Soweit in der vorstehenden Beschreibung Elemente, Komponenten, Verfahrensschritte, Werte oder Informationen genannt sind, die bekannte, naheliegende oder vorhersehbare Äquivalente besitzen, werden diese Äquivalente von der Erfindung mit umfasst. Ebenso schließt die Erfindung jegliche Änderungen, Abwandlungen oder Modifikationen von Ausführungsbeispielen ein, die den Austausch, die Hinzunahme, die Änderung oder das Weglassen von Elementen, Komponenten, Verfahrensschritte, Werten oder Informationen zum Gegenstand haben, solange der erfindungsgemäße Grundgedanke erhalten bleibt, ungeachtet dessen, ob die Änderung, Abwandlung oder Modifikationen zu einer Verbesserung oder Verschlechterung einer Ausführungsform führt.
Obgleich die vorstehende Erfindungsbeschreibung eine Vielzahl körperlicher, unkörperlicher oder verfahrensgegenständlicher Merkmale in Bezug zu einem oder mehreren konkreten Ausführungsbeispiel(en) nennt, so können diese Merkmale auch isoliert von dem konkreten Ausführungsbeispiel verwendet werden, jedenfalls soweit sie nicht das zwingende Vorhandensein weiterer Merkmale erfordern. Umgekehrt können diese in Bezug zu einem oder mehreren konkreten Ausführungsbeispiel(en) genannten Merkmale beliebig miteinander sowie mit weiteren offenbarten oder nicht offenbarten Merkmalen von gezeigten oder nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden, jedenfalls soweit sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen oder zu technischen Unvereinbarkeiten führen.
Bezugszeichenliste
1 Trinkwassergewinnungsanlage
2 Rohwasser
3 Trinkwasser
4 Konzentrat
5 Steuerungseinheit
10 Rohwassertank
11 Rohwasserpumpe
12 TDS-Sensor
13 Vorbehandlungseinheit/ Vorfilter
14 Ultrafiltrationseinheit/ UF-Einheit
15 Frischwassertank/ Mischstelle
16 TDS-Sensor
17 Pegelsensor
18 Hochdruckpumpe
19 Zugabeeinheit
20 Umkehrosmoseeinheit/ RO-Einheit
21 Konzentrattank Rückspülpumpe
Gabelung
Ausgabeeinheit/ Wasserentnahmestelle
Rohwasserleitung
Erste Filtratleitung
Zweite Filtratleitung
Permeatleitung
Konzentratleitung
Rückspülleitung
Überlaufleitung
Retentatleitung
Ausgabeleitung erstes Ventil zweites Ventil
Eingang der Ultrafiltrationseinheit
Ausgang der Ultrafiltrationseinheit
Eingang der Umkehrosmoseeinheit
Erster Ausgang der Umkehrosmoseeinheit
Rückspülventil
Abfluss
Zweiter Ausgang der Umkehrosmoseeinheit

Claims

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Ansprüche Verfahren zur Gewinnung von Trinkwasser (3) aus Rohwasser (2) durch Ultrafiltration und Umkehrosmose, wobei das Trinkwasser (3) einen gewünschten Zielwert eines seine Zusammensetzung betreffenden Wasserparameters aufweist und in einem Frischwassertank (15) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein erstes Wasservolumen erzeugt wird, indem aus dem Rohwasser (2) durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen und aus diesem durch Umkehrosmose ein Permeat gewonnen wird, dessen Volumen das erste Wasservolumen bildet,
- ein zweites Wasservolumen erzeugt wird, indem aus dem Rohwasser (2) durch Ultrafiltration ein Filtrat gewonnen wird, dessen Volumen das zweite Wasservolumen bildet, und
- das erste und zweite Wasservolumen anschließend zum Erhalt des Trinkwassers (3) gemischt werden, wobei das erste und zweite Wasservolumen derart bemessen sind, dass ihre Mischung den gewünschten Zielwert aufweist. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mischen durch Einleitung des ersten und zweiten Wasservolumens in einen Frischwassertank (15) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst das erste Wasservolumen und anschließend das zweite Wasservolumen erzeugt wird. Verfahren nach einem der vorherigen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wasservolumen dadurch erhalten wird, dass die Ultrafiltration und Umkehrosmose für eine vorbestimmte erste Betriebsdauer durchgeführt wird und/ oder dass das zweite Wasservolumen dadurch erhalten wird, dass nur die Ultrafiltration für eine vorbestimmte zweite Betriebsdauer durchgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserparameter des Rohwassers (2) bestimmt und die erste und/ oder zweite Betriebsdauer in Abhängigkeit des Wertes des Wasserparameters des Rohwassers (2) festgelegt wird, insbesondere von einer Steuereinheit (5). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zielparameter die Massenkonzentration der vollständig gelösten Feststoffe (TDS), die Salinität, der Filtrattrockenrückstand, der Gesamttrocknungsrückstand, die elektrische Leitfähigkeit, der elektrische Widerstand, die Wasserhärte oder die Konzentration einer chemischen Substanz im Trinkwasser ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des ersten Wasservolumens Filtrat von einer Ultrafiltrationseinheit (14) über eine erste Filtratleitung (26) zu einer Umkehrosmoseeinheit (20) geleitet wird, deren Permeat an eine Mischstelle (15), insbesondere in den Frischwassertank (15) geleitet wird, und dass zur Erzeugung des zweiten Wasservolumens Filtrat von der Ultrafiltrationseinheit (14) über eine zweite Filtratleitung (27) unter Überbrückung der Umkehrosmoseeinheit (20) direkt an die Mischstelle (15), insbesondere in den Frischwassertank (15) geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Filtratleitung (27) für die Erzeugung des ersten Wasservolumens abgesperrt wird, und die erste Filtratleitung (26) für die Erzeugung des zweiten Wasservolumens abgesperrt wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Filtratleitung (26, 27) zumindest zeitweise gleichzeitig geöffnet sind, um wenigstens einen Teil des zweiten Wasservolumens während der Erzeugung des ersten Wasservolumens zu erzeugen. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegelstand im Frischwassertank (15) oder das aus dem Frischwassertank (15) entnommene Wasservolumen bestimmt und das Verfahren wiederholt wird, wenn der Pegelstand unter einen festgelegten Grenzwert fällt oder das entnommene Wasservolumen einen festgelegten Grenzwert überschreitet. T rinkwassergewinnungsanlage (1 ) zur Gewinnung von T rinkwasser (3) aus Rohwasser (2) durch Ultrafiltration und Umkehrosmose, wobei das Trinkwasser (3) einen gewünschten Zielwert eines seine Zusammensetzung betreffenden Wasserparameters aufweist, zumindest aufweisend eine Ultrafiltrationseinheit (14) zur Erzeugung von Filtrat aus dem Rohwasser (2), eine mit der Ultrafiltrationseinheit (14) über eine absperrbare erste Filtratleitung (26) in Reihe angeordnete Umkehrosmoseeinheit (20) zur Erzeugung von Permeat aus dem Filtrat, die mit einer Mischstelle (15) verbunden ist, und aufweisend einen Frischwassertank (15) zur Bereitstellung des Trinkwassers (3) für eine Entnahme, dadurch gekennzeichnet, dass eine absperrbare zweite Filtratleitung (27) die Ultrafiltrationseinheit (14) unter Überbrückung der Umkehrosmoseeinheit (20) mit der Mischstelle (15) verbindet, und dass die Trinkwassergewinnungsanlage (1 ) eingerichtet, in einem ersten Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem die erste Filtratleitung (26) zur Erzeugung eines ersten Wasservolumens in Form eines Permeatvolumens zur Mischstelle (15) hin geöffnet ist, und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden, in dem die zweite Filtratleitung (27) zur Erzeugung eines zweiten Wasservolumens in Form eines Filtratvolumens zur Mischstelle (15) hin geöffnet ist. Trinkwassergewinnungsanlage (1 ) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mischstelle (15) der Frischwassertank (15) ist. Trinkwassergewinnungsanlage (1 ) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (5) aufweist, die eingerichtet ist, 28 den ersten und zweiten Betriebsmodus für jeweils eine vorbestimmte Betriebsdauer einzustellen, insbesondere nacheinander. Trinkwassergewinnungsanlage (1 ) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor (12) zur Bestimmung des Werts des Wasserparameters des Rohwassers (2) aufweist und die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, in dessen Abhängigkeit die jeweilige Betriebsdauer festzulegen. Trinkwassergewinnungsanlage (1 ) zumindest nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor (17) zur Erfassung des Pegelstands im Frischwassertank (15) oder eine Einrichtung zur Bestimmung des aus dem Frischwassertank (15) entnommenen Wasservolumens aufweist, und dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, die Erzeugung des ersten und zweiten Wasservolumens zu wiederholen, wenn der Pegelstand unter einen festgelegten Grenzwert fällt oder das entnommene Wasservolumen einen festgelegten Grenzwert überschreitet.
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