DE3520006C2

DE3520006C2 - Wasseraufbereitungsverfahren

Info

Publication number: DE3520006C2
Application number: DE3520006A
Authority: DE
Inventors: Gregory A. Danville Calif. Pittner
Original assignee: Arrowhead Industrial Water, Inc., Los Angeles, Calif.
Priority date: 1984-06-04
Filing date: 1985-06-04
Publication date: 1987-01-15
Also published as: FR2565221B1; JPH06233B2; BE902571A; IT1206531B; GB8513038D0; AU4309385A; FR2565221A1; CA1251145A; US4574049A; IT8548158A0; US4574049B1; ES543825A0; JPS614591A; DE3520006A1; GB2159810B; GB2159810A; AU568746B2; ES8802480A1

Abstract

Es wird ein chemisch unterstütztes osmotisches Gegenstrom-Diffusions-Wasseraufbereitungs-System und ein zugehöriges Verfahren vorgeschlagen, in dem der Einlaß einer zweiten osmotischen Gegenstrom-Diffusions-Einheit dem Nutzwasser-Auslaß einer ersten osmotischen Gegenstrom-Diffusions-Einheit nachgeschaltet ist. Das zu reinigende Wasser wird durch einen Wasserenthärter mit einem Harz-Ionentauscher behandelt und zum Eingang der ersten Gegenstrom-Diffusions-Einheit gepumpt. Das von der ersten Gegenstrom-Diffusions-Einheit kommende Nutzwasser wird mit einem chemischen Agens, beispielsweise einer Natriumhydroxyd-Lösung, stromaufwärts des Einlasses der zweiten Gegenstrom-Diffusions-Einheit behandelt. Die von dem Laugen-Auslaß der zweiten Gegenstrom-Diffusions-Einheit kommende Lauge wird zur Wasserleitung stromaufwärts der ersten Gegenstrom-Diffusions-Einheit zurückgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasseraufbereitungsverfahren, bei dem das zu behandelnde Wasser einer ersten Umkehrosmosestufe zugeführt, das in dieser Stufe als Permeat anfallende vorgereinigte Wasser einer zweiten Umkehrosmosestufe zugeführt und Reinwasser als Permeat dieser zweiten Stufe gewonnen wird.
Die Anwendung von Umkehrosmose-Verfahren ist in der Wasseraufbereitungstechnik weit verbreitet. Die Wirkung der Umkehrosmose beruht auf der Eigenschaft einer halbdurchlässigen Membran, dem Durchgang der meisten Salze, eines hohen Prozentsatzes von organischen Verunreinigungen und nahezu aller festen Stoffe einen hohen Widerstand entgegenzusetzen. Im allgemeinen ist allerdings sowohl die Menge der im zu behandelnden Wasser gelösten Salze als auch der Durchgang an organischen Stoffen für das jeweilige Verfahren zu groß, als daß es als alleiniges Aufbereitungsverfahren angewandt werden könnte. Die Trennung zwischen Rohwasserseite und Reinwasserseite ist bei einer Membran nicht so verläßlich, daß durchweg eine hohe Zurückhaltung von Fremdstoffen gesichert wäre.
Es ist üblich und in vielen Fällen unumgänglich, das Rohwasser zusätzlich vor der Umkehrosmose vorzubehandeln, um eine Verschmutzung der Membranoberflächen zu vermeiden. Diese in vielen Fällen praktizierte Maßnahme begrenzt die Leistung der Osmose-Einheit, weil die erforderliche Vorbehandlung die Fähigkeit der Membranen, Fremdstoffe zurückzuhalten, mindern kann.
Bei der Mehrzahl der Rohwasserquellen sind die Calcium- und Alkali-Werte so hoch, daß eine direkte Wasseraufbereitung durch Umkehrosmose eine Ausfällung von Calciumcarbonat auf den Membran-Oberflächen zur Folge hätte. Dies würde die Leistungsfähigkeit mindern. Um die Ausfällung zu vermeiden, wird eine Vorbehandlung durch Enthärten oder durch Zugabe von Säuren durchgeführt. Beide Verfahren mindern den Wirkungsgrad der Membran. Wenn eine Enthärtung angewandt wird, werden die zweiwertigen Ionen des Calciums und des Magnesiums gegen einwertige Ionen des Natriums ausgetauscht. Natrium wird aber durch die Membran nicht so gut zurückgehalten, daher steigt der Salzpegel des aufbereiteten Wassers an. Damit steigen auch die Kosten von Maßnahmen zum weiteren Entfernen gelöster Feststoffe stromabwärts der Umkehrosmose an. Wenn Säure zum Vermindern der Alkaliwerte zugefügt wird, werden die Alkaliverbindungen in Kohlensäure umgewandelt. Die Kohlensäure geht ungehindert durch die Membran; auch dies steigert die Kosten der stromabwärts folgenden Behandlung.
Ein Wasseraufbereitungsverfahren, bei dem das zu behandelnde Wasser einer ersten Umkehrosmosestufe zugeführt, das in dieser Stufe als Permeat anfallende vorgereingte Wasser einer zweiten Umkehrosmosestufe zugeführt und Reinwasser als Permeat dieser zweiten Stufe gewonnen wird, ist aus der DE-OS 26 07 737 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren, das insbesondere zur Abgabe von entmineralisiertem Wasser in Supermärkten durch Münzautomaten dienen soll, wird der Gehalt des Wassers an gelöstem Kohlendioxid nicht berücksichtigt. Da Kohlendioxid in wäßriger Lösung mit Hydrogencarbonat und letzteres wiederum mit Carbonat im Gleichgewicht steht, passiert der in Form von Kohlendioxid vorliegende Teil des Gesamtcarbonatpotentials des zu behandelnden Wassers die Umkehrosmosemembranen ungehindert. Der Wirkungsgrad dieses bekannten Verfahrens ist deshalb nicht optimal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad des Wasseraufbereitungsverfahrens der eingangs genannten Gattung auf möglichst wirtschaftliche Weise noch zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem vorgereinigten Wasser aus der ersten Umkehrosmosestufe zur Verringerung der Kohlendioxidkonzentration vor Eintritt in die zweite Umkehrosmosestufe eine alkalische Lösung zudosiert wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 4 gekennzeichnet.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf einfache und wirtschaftliche Weise eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Wasseraufbereitung erreicht, weil auch das im Wasser gelöste Kohlendioxid entfernt wird, und zwar vor der zweiten Umkehrosmosestufe. Dadurch werden zum einen der pH-Wert erhöht und die korrosiven Eigenschaften des Wassers verringert und zum anderen wird die Möglichkeit der Carbonatneubildung durch Verringerung des Gesamtkohlenstoffpotentials nahezu ausgeschlossen. Die Gefahr der Verstopfung bzw. des Zusetzens der Membran der zweiten Umkehrosmosestufe wird dadurch ebenfalls ausgeschlossen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung ist ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel ist ein Ionenaustauscher als Wasserenthärter stromaufwärts der ersten Umkehrosmose-Einheit zur Behandlung des zu reinigenden Wassers angeordnet. Vor der zweiten Osmosestufe wird dann eine alkalische Lösung eingeleitet, beispielsweise Natriumhydroxid-Lösung. Eine Pumpe ist stromaufwärts der ersten Osmose-Einheit angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel ist stromaufwärts des Wasserenthärters ein Kohlefilter angeordnet. Eine 5 µm-Filterpatrone ist stromabwärts des Wasserenthärters und stromaufwärts der Pumpe angeordnet. Der Konzentratabfluß der zweiten Umkehrosmose- Einheit ist über eine Rückführleitung mit der stromaufwärts der ersten Umkehrosmose-Einheit liegenden Wasserleitung verbunden.
In der Zeichnung ist ein Umkehrosmose-Wasseraufbereitungs- System mit einer Pumpe 10 dargestellt, mit der ein Handschalter 12 mit den drei Stellungen Ein/Aus/Automatik verbunden ist. Die Pumpe 10 fördert Rohwasser beispielsweise aus einem kommunalen Wasserspeicher durch das System. Das Rohwasser fließt durch ein Rückschlagventil 14 und ein Kohlefilter 16. Dann wird das Wasser in einem Wasserenthärter 18 mit einem Ionentauscherharz behandelt. Manometer 20, 22 und 24 sind jeweils stromaufwärts des Kohlefilters 16, zwischen dem Kohlefilter 16 und dem Enthärter 18 und stromabwärts des Enthärters 18 angeordnet. Das Manometer 24 dient zur Prüfung, ob ein brauchbarer Druck stromaufwärts der Pumpe 10 vorhanden ist, um einen richtigen positiven Netz-Saugdruck sicherzustellen.
Ein Magnetventil 26 ist in die Wasserleitung eingefügt, um den Durchfluß abzuschalten, wenn das System außer Betrieb ist. Ein Durchflußmengenmesser 28 überwacht den Durchfluß, um einen Wasser-Vollabgleich über dem System zu erhalten. Ein Temperaturmeßgerät 30 überwacht die Temperatur des Wassers, um die Leistung der stromabwärts liegenden Umkehrosmose-Membranen zu verbessern. Die Leistung der Membranen schwankt nämlich in Abhängigkeit von der Wassertemperatur.
Eine 5 µm-Filterpatrone 32 ist vorgesehen, um die Menge der im zu den Umkehrosmose-Membranen fließenden Wasser in Suspension befindlichen Feststoffe zu reduzieren und so die Möglichkeit zu vermindern, daß durch in Suspension befindliche Feststoffe verursachte Störungen zu fehlerhaften Ablesewerten über die Betriebsleistung führen.
Stromabwärts von der Filterpatrone 32 befindet sich ein Niederdruckschalter 34, der betätigt wird, wenn der Druck unter einen vorbestimmten Wert abfällt. Ein Manometer 36 befindet sich an der Leitung des Niederdruckschalters 34, um den Druck in der Niederdruck-Schalterleitung 38 zu überwachen. Ein Kugelhahn 40 ist vorgesehen, um Wasserproben entnehmen und die Wasserqualität messen zu können. Weiter stromabwärts befindet sich die Pumpe 10 mit ihrem Handschalter 12. Der Handschalter weist drei Funktionen auf: ein, aus oder automatisch.
Stromabwärts von der Pumpe 10 befindet sich ein weiteres Manometer 42, um den Auslaßdruck der Pumpe 10 zu messen. Stromabwärts von dem Manometer 42 befindet sich ein handgesteuerter Kugelhahn 44, durch den der Wasserdruck an der Osmose-Einheit der ersten Stufe eingestellt werden kann. Ein weiteres Manometer 46 ist vorgesehen, um den Druck an dieser Einheit der ersten Stufe anzuzeigen.
Die Osmose-Einheit 48 der ersten Stufe umfaßt zwei parallelgeschaltete Umkehrosmose-Membraneinheiten 50, 52. Der Zufluß 54 zur Gegen-Membraneinheit 50 sowie der Zufluß 56 zur Membraneinheit 52 sind miteinander verbunden. In gleicher Weise sind die Konzentratabflüsse 58 und 60 der beiden Einheiten 50 und 52 miteinander verbunden. Ferner ist der Permeatauslaß 62 der Einheit 50 mit dem Permeatauslaß 64 der Einheit 52 verbunden. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel enthält die Umkehrosmose-Einheit 50 zwei Umkehrosmose-Moduln. Die Umkehrosmose-Einheit 52 ist ebenfalls mit zwei derartigen Moduln ausgestattet. Bei dieser Ausführungsform umfaßt also die erste Umkehrosmose-Einheit 48 vier Moduln, um einen optimalen Wasserdurchsatz für das nachfolgende System zu gewährleisten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Durchflußmenge am Durchflußmengenmesser 28 vorzugsweise etwa 45,3 l/min und der Überdruck am Manometer 42 vorzugsweise 32,7 Bar; das Wasser am Zufluß 54 weist vorzugsweise eine Durchflußmenge von 22,7 l/min und einen Überdruck von 31 Bar auf. Das Wasser am Zufluß 56 hat vorzugsweise eine Durchflußrate von 22,7 l/min und einen Druck von 31 Bar.
Die Konzentratabflüsse 58 und 60 sind an eine Abflußleitung 66 angeschlossen. In dieser Leitung liegt ein Manometer 68 und ein handgesteuertes Kugelventil 70 sowie ein Durchflußmengenmesser 72.
Die Permeat-Abflüsse 62 und 64 sind an einer Stelle 69 zusammengeschaltet und werden über ein Rückschlagventil 76 einer zweiten Umkehrosmose-Einheit 74 zugeleitet. An der Stelle 69 weist das Wasser eine Durchflußmenge von 12,5 l/min bei einem Überdruck von 15,5 Bar auf.
Die zweite Umkehrosmose-Einheit 74 enthält vorzugsweise zwei Umkehrosmose-Moduln. Stromabwärts des Rückschlagventils 76, aber stromaufwärts des Moduls 74, wird eine alkalische Lösung über die Leitung 78 zur chemischen Aufbereitung eingeleitet. Die alkalische Lösung wird über ein Absperrventil 82 mit Hilfe einer Pumpe 80 durch die Leitung 78 gepumpt.
Es hat sich herausgestellt, daß eine 20%ige Natriumhydroxid- Lösung am vorteilhaftesten ist. Der Hauptgrund für die Wahl der Natriumhydroxid-Lösung ist der folgende: Die Wasseraufbereitung mit zwei Umkehrosmose-Einheiten in Reihe liefert nicht ein Wasser, das eine doppelt so hohe Qualität aufweist wie das bei der Verwendung von nur einem Umkehrosmose-Modul gewonnene Wasser. Das Natriumbicarbonat, das von den stromaufwärts liegenden Wasseraufbereitungsstufen zur ersten Umkehrosmose-Einheit 48 fließt, zerfällt nämlich in Natriumcarbonat und Kohlendioxid. Obwohl der Zerfall normalerweise unter 10% liegt, tritt noch eine spürbare Menge von Kohlendioxid auf. Das Kohlendioxid geht durch die Umkehrosmose- Membran hindurch. Es wird also nicht alles erzeugte Kohlendioxid entfernt, im aufbereiteten Wasser ist noch welches vorhanden. Wenn eine zweite Umkehrosmose-Einheit in Reihe mit der ersten Umkehrosmose-Einheit geschaltet wird, dann wird das Kohlendioxid, das die erste Einheit passiert hat, auch die zweite Einheit passieren. Durch ein Hinzufügen von Natriumhydroxid wird das Kohlendioxid zurückverwandelt in Bicarbonat und vorzugsweise in Carbonat. Das Carbonat wird leichter durch die Membran zurückgehalten als das Bicarbonat. Durch die Umwandlung des Kohlendioxids in Carbonat wird die Leistung wesentlich verbessert.
Zum Entfernen des Kohlendioxids können auch andere Basen verwendet werden, beispielsweise Natriumcarbonat, obwohl diese Lösung nicht so wirksam ist, oder Trinatriumphosphat, welches jedoch teurer als Natriumhydroxid ist.
Durch die Einleitung von Natriumhydroxid wird nicht nur das Kohlendioxid in Carbonat umgewandelt, es werden zusätzlich auch bestimmte chemische Verbindungen, die sonst schwer zu entfernen wären, ionisiert, ganz besonders Kieselsäure und verschiedene organische Verbindungen. Kieselsäure wird normalerweise unter einem pH-Wert von etwa 9,5 nicht ionisiert. Da es nicht ionisiert wird, wird es durch die Membran nicht so gut zurückgehalten. Durch die Verwendung der Natriumhydroxid- Lösung kann jedoch der pH-Wert über 9,5 angehoben und die Kieselsäure ionisiert werden. Dadurch wird die Ausfilterung durch die Membran gesteigert und die Kieselsäuremenge im aufbereiteten Wasser vermindert.
Organische Moleküle, die bekanntlich im Rohwasser vorhanden und daraus schwer zu entfernen sind, enthalten viele verschiedene Carbonsäuren. Carbonsäuren ionisieren bei verschiedenen pH-Werten, die alle über 5 liegen, aber ein steigender Prozentsatz von ihnen wird bei steigenden pH-Werten ionisiert. Durch die Zugabe des Natriumhydroxids wird ein größerer Prozentsatz der organischen Moleküle, verglichen mit einem System ohne die Natriumhydroxid-Zugabe, ionisiert.
Auch andere Lösungen können, wie gesagt, von Nutzen sein, beispielsweise Natriumbicarbonat, Natriumcarbonat, Dinatriumphosphat, Trinatriumphosphat, Ammoniumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid und Magnesiumhydroxid.
Stromaufwärts der zweiten Umkehrosmose-Einheit 74 ist ein Manometer 84 angeordnet, um den Druck dieser Stufe zu messen.
Etwas weiter stromabwärts der Leitung 78 befindet sich eine Zwischen-Überlauf-Leitung 86. Die Zwischen-Überlauf-Leitung umfaßt ein Magnetventil 88, das durch einen Handschalter mit den zwei Stellungen Offen/Automatik steuerbar ist. In Reihe mit dem Magnetventil 88 liegt ein handgesteuertes Kugelventil 90 und ein Durchflußmengenmesser 92. Stromabwärts des Durchflußmessers 92 liegt ein Widerstandskontrollgerät 94 mit einem Analysegeber 96 und einem Analyseanzeigegerät 98. Der Widerstand des Wassers schwankt in Abhängigkeit von der Ionen- Verunreinigung. Das Widerstandskontrollgerät 94 erlaubt ein Ablesen der augenblicklichen Leistung.
Die Zwischen-Überlauf-Leitung 86 stellt sicher, daß der Druck stromabwärts der ersten Stufe nie den Druck stromaufwärts der ersten Stufe überschreitet; dadurch besteht immer ein Druckabfall über der ersten Umkehrosmose-Einheit 48. Wenn der Druckabfall nicht überwacht würde, könnten die Membranen zerstört werden, da sie eine Druckdifferenz nur in einer Richtung aushalten.
Stromabwärts der ersten Umkehrosmose-Einheit 48 wird keine Pumpe benötigt. Daher sind die Durchflußmenge und der Druck des Reinwassers, das von der ersten Einheit 48 in den Zufluß der zweiten Einheit 74 fließt, im wesentlichen gleich wie die Durchflußmenge und der Druck an der Stelle 69. Durch die Verwendung nur der einen stromaufwärts gelegenen Pumpe 10 werden die Kosten und die Kompliziertheit des Systems wesentlich vermindert.
Die zweite Umkehrosmose-Einheit 74 umfaßt einen Zufluß 100, einen Konzentratabfluß 102 und einen Reinwasser-Abfluß 104. Das Wasser am Zufluß 100 fließt vorzugsweise mit einer Durchflußmenge von 12,5 l/min bei einem Überdruck von 15,5 Bar. Das von der zweiten Stufe kommende Reinwasser fließt mit vorzugsweise 3,78 l/min durch einen Durchflußmengenmesser 106 und wird über eine Leitung 108 einem Verbraucher oder einem Speicher für gereinigtes Wasser zugeleitet. In der Leitung 108 liegt zum Messen des Wasserwiderstands ein Widerstandskontrollgerät 110. Der Wasserwiderstand schwankt in Abhängigkeit von der Ionen-Verunreinigung, wie oben beschrieben. Das Widerstandskontrollgerät 110 umfaßt einen Analysegeber 112 und ein Analyseanzeigegerät 114.
Das aus dem Konzentratabfluß 102 der zweiten Einheit 74 kommende Konzentrat wird zurückgeführt. Zu diesem Zweck ist der Konzentratabfluß 102 über ein handgesteuertes Kugelventil 116, einen Durchflußmengenmesser 118 und ein Rückschlagventil 120 mit einer Stelle 122 verbunden, die, wie in der Zeichnung gezeigt, stromaufwärts der Pumpe 10, aber stromabwärts des Filters 32 liegt. Der pH-Wert des Konzentrats wird von einem pH-Wert-Kontrollgerät 124 mittels eines Analysegebers 126 und eines Analyseanzeigegeräts 128 überwacht.
Wenn das System zum Entfernen von organischen Verunreinigungen aus dem Wasser benützt wird und wenn diese organischen Verunreinigungen aus einer Vielfalt von basischen und sauren Stoffen gemischt sind, dann sollte der pH-Wert vor der ersten Stufe auf unter 5, vorzugsweise unter 4, und der pH-Wert vor der zweiten Stufe auf etwa 9 eingestellt werden.
Wenn mit Hilfe des Systems Wasser von hohem Reinheitsgrad für elektronische Zwecke hergestellt werden soll, ist die passende Vorbehandlung stromaufwärts der ersten Stufe die Enthärtung. Auf diese Weise wird das Ausfallen von Calciumcarbonat vermieden und der Durchlaß von Kohlendioxid sehr gering gehalten. Vor der zweiten Stufe wird das Natriumhydroxid eingeleitet, es wandelt das Kohlendioxid aus der ersten Stufe in Carbonat um, ionisiert die Kieselsäure, ionisiert einige organische Stoffe und ersetzt im Reinwasser der zweiten Stufe das Chlorid durch das Hydroxid mit dem stärkeren Anion. Im Vergleich zu einem zweistufigen Umkehrosmose-System, das ohne Ätzlauge betrieben wird, wird beim vorliegenden System eine Verbesserung im Widerstandswert der zweiten Stufe, in der Kieselsäureausscheidung, im Ausfiltern von organischen Stoffen und im Ausmaß der anionischen Ladung für die folgenden Aufbereitungsstufen erzielt.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind andere Ausführungsformen des Verfahrens möglich: Das Wasser kann beispielsweise statt mit einem Enthärter 18 durch Dealkalisierung vorbehandelt werden. Zu diesem Zweck kann eine Säureeinleitung mit einem Druckluftentgaser oder ein Anionenaustausch-Chloridharz vorgesehen werden. Andererseits kann es auch wünschenswert sein, die Verwendung eines Enthärters als Dealkalisierstufe zu vermeiden.
Es kann beispielsweise auch wünschenswert sein, das Wasser stromaufwärts der ersten Umkehrosmose-Einheit für sich allein oder zusammen mit anderen Aufbereitungsarten durch ein Einleiten einer chemischen Substanz über eine Leitung 130 zu behandeln, um den pH-Wert des Wassers einzustellen.

Claims

1. Wasseraufbereitungsverfahren, bei dem das zu behandelnde Wasser einer ersten Umkehrosmosestufe zugeführt, das in dieser Stufe als Permeat anfallende vorgereinigte Wasser einer zweiten Umkehrosmosestufe zugeführt und Reinwasser als Permeat dieser zweiten Stufe gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem vorgereinigten Wasser aus der ersten Umkehrosmosestufe zur Verringerung der Kohlendioxidkonzentration vor Eintritt in die zweite Umkehrosmosestufe eine alkalische Lösung zudosiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zudosierte alkalische Lösung eine Lösung von Natriumhydroxid, Natriumbicarbonat, Natriumcarbonat, Dinatriumphosphat, Trinatriumphosphat, Ammoniumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der pH des zu behandelnden Wassers vor Eintritt in die erste Umkehrosmosestufe auf einen Wert unter 5 eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zwischen erster und zweiter Stufe zudosierte alkalische Lösung der pH des Wassers auf einen Wert über 9 eingestellt wird.