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Verfahren und Vorrichtung zum Enthärten und Klären von Wässern Beim
Enthärten und Klären von Brauch- oder Abwässern wird vor der Abtrennung der Feststoffe
oft eine Behandlung mit Chemikalien, welche gelöste Stoffe ausfällen oder suspendierte
Stoffe ausflocken, vorgenommen. Ein bekannter Anwendungsfall dieser Arbeitsweise
ist die Enthärtung von Wässern durch Zusatz von Kalk und Soda.
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Es ist bekannt, derartige Umsetzungen kontinuierlich in Gegenwart
von Feststoffteilchen auszuführen, die sich in voraufgehenden Zeitabschnitten des
gleichen Verfahrens angesammelt haben. Dabei wird das Rohwasser am Boden eines Behälters
in ein Gemisch aus Wasser und solchen Feststoffen eingeleitet, während im oberen
Teil des Behälters die Klärung des behandelten Wassers erfolgt. Das Reinwasser wird
in der Nähe des Flüssigkeitsspiegels abgezogen. Der sich bildende Feststoffüberschuß
wird zeitweise oder kontinuierlich aus dem unteren Bereich des Behälters entnommen.
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Es sind auch Vorrichtungen hierfür bekannt, in welchen die angesammelten
Feststoffe durch ein mechanisches Rührwerk ständig aufgewirbelt werden und rohes
Wasser in diese Mischung eingeführt wird, während Klarwasser aus einer darüberliegenden,
gegebenenfalls durch Leitflächen abgegrenzten Klärzone entnommen wird (vgl. die
USA.-Patentschriften 96o 959 und 2 o2I 672).
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Einen Schritt weiter gingen solche Verfahren, bei welchen eine Suspension
der mit dem Rohwasser zugeführten bzw. im Laufe des Verfahrens gebildeten Feststoffe
kontinuierlich umgewälzt wird. Man begnügt sich hierbei zunächst mit einem durch
die
Flüssigkeitszufuhr in den Reaktionsbehälter einerseits und den
in diesem absinkenden Schlamm andererseits bewirkten hydrodynamischen Kreislauf
(französische Patentschrift 348 375) Hierbei ebenso wie bei ähnlichen Verfahren
unter Benutzung mechanischer Hilfsmittel zur Umwälzung des Suspensionsbettes bzw.
Rückführung einer gewissen Menge abgesetzten Schlammes in das zuströmende Rohwasser,
wie Zentrifugalpumpen (deutsche Patentschrift 185 928) oder Mammutpumpen (deutsche
Patentschrift 2512o5, britische Patentschrift 167 504, französische Patentschrift
394 632), wurde aber nicht für die Aufrechterhaltung einer durchweg gleichförmigen
Beschaffenheit des Suspensionsbettes gesorgt. Gleiches gilt für die Arbeitsweise
gemäß der britischen Patentschrift 19829/1892, nach der ein Teil der Feststoffe
mittels Luft, Pumpen, Förderschnecken oder anderer Fördervorrichtungen umgewälzt
wird. Vielmehr wurden die im Laufe des Verfahrens sedimentierten gröbsten Teilchen
von Zeit zu Zeit am Boden des Reaktionsbehälters abgezogen, oder es wurde der den
Normalpegel überschreitende Teil des Schlammbettes ohne Rücksicht auf seine durch
den Absetzvorgang ungleichförmige Beschaffenheit in mittlerer Höhe entfernt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Enthärten und Klären von Wässern in Gegenwart von während der Behandlung
entstehenden Feststoffen, gegebenenfalls unter Zusatz von Chemikalien, wobei das
Rohwasser kontinuierlich in eine im unteren Bereich eines Behälters umgewälzte Suspension
dieser Feststoffe eingeleitet wird, während behandeltes Wasser kontinuierlich aus
der oberen Zone und der Feststoffüberschuß als Suspension aus einer darunterliegenden
Zone abgezogen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber den bekannten
Arbeitsweisen dadurch aus, daß der Feststoffüberschuß kontinuierlich unterhalb der
Grenze zwischen dem Suspensionsbett und dem darüberstehenden klaren Wasser entnommen
und der Suspensionskreislauf durch mechanische Mittel regulierbar derart in Gang
gehalten wird, daß die Menge der in der Zeiteinheit umgewälzten Suspension erheblich
größer als die durchgesetzte Rohwassermenge, vorzugsweise doppelt so groß ist. Die
Suspension wird mit im wesentlichen gleichbleibender Konzentration und mit einer
über der Sinkgeschwindigkeit der Teilchen liegenden Strömungsgeschwindigkeit in
einem Kreislauf durch mehrere, zweckmäßig mittels geeigneter Einbauten gegeneinander
begrenzte Zonen des Behandlungsraumes geführt.
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Nach der dänischen Patentschrift 51 328 soll zwar bereits ein zu behandelndes
Wasser im Kreislauf durch ein im Reaktionsbehälter ruhendes oder schwebendes Bett
von Kontaktmaterial derart geführt werden, daß der Zirkulationsstrom eine größere
Geschwindigkeit als das frisch zugeführte Rohwasser besitzt. Dieses Verfahren hat
jedoch mit dem vorliegenden nichts zu tun, da das Kontaktmaterial weder am Kreislauf
teilnimmt noch kontinuierlich als Suspension abgezogen wird. Diese Veröffentlichung
konnte somit auch nicht zu der vorliegenden Erfindung anregen.
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Ein wesentliches Anwendungsgebiet der Erfindung neben der Behandlung
von Wässern mit Fällungs- und Flockungsmitteln ist das Stabilisieren von Wässern
bezüglich der Sättigung an darin gelösten ausfällbaren Stoffen, beispielsweise um
das nachträgliche Ausfällen fester Bestandteile aus den behandelten Wässern zu verhindern.
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In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beispielsweise und schematisch dargestellt.
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Fig. I ist ein senkrechter Axialschnitt nach Linie I-I der Fig. 2;
Fig. 2 ist ein Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1.
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In der Mitte eines vorzugsweise zylindrischen Behälters io ist eine
senkrechte zylindrische Misch-und Behandlungskammer i i angeordnet, in welche in
der Nähe des oberen Behälterrandes die Rohwasserzuleitung 12 mündet. Die Behandlungskammer
i i kann oben offen sein und ist zweckmäßig so weit, daß aus dem einfließenden Rohwasser
eingeschlossene Luft und Gase ungestört nach oben entweichen können. Innerhalb der
Behandlungskammer i i befindet sich auf dem Behälterboden eine ebenfalls zylindrische
Kammer 13, an deren oberem offenem Ende ein Schleuderrad 16 angeordnet ist, welches
mittels der in einem Armkreuzlager 14 geführten lotrechten Welle 15 durch einen
von dem Gestell 18 am oberen Ende des Behälters getragenen Motor 17 angetrieben
wird. Von der Sammelkammer 13 geht eine Reihe in einigem Abstand vom Behälterboden
radial nach außen gerichteter Sammelröhren i9 mit Eintrittsöffnung 2o aus. Die Öffnungen
ao sind zweckmäßig in solchen Abständen voneinander angeordnet, daß sie die Flüssigkeit
gleichmäßig aus verschiedenen Teilen des Behälters aufnehmen.
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Von der Behandlungskammer i i gehen am Behälterboden eine.Reihe von
Austrittsleitungen a1 mit umgekehrt V-förmigem Querschnitt und mit Schlitzen 22
aus. Die Schlitze 22 sind ähnlich wie die Öffnungen 2o in solchen Abständen voneinander
angeordnet, daß die aus ihnen austretende Flüssigkeit gleichmäßig über den Boden
des Behälters verteilt wird. Eine Leitung 23 zur Zuführung von Chemikalien führt
von außen zu der Sammelkammer 13. Um das obere Ende der Kammer i i ist ein Überlauftrichter
24 mit daran anschließender Leitung 25 zur Ableitung des gereinigten Wassers zu
den Verbrauchsstellen angeordnet. Der obere Rand des Trichters 24 liegt zweckmäßig
genau waagerecht, damit das Wasser gleichmäßig von allen Seiten des Behälters in
ihn einfließen kann. Namentlich bei großen Behältern können mehrere solcher in geeigneter
Weise verteilte Sammeltrichter vorgesehen werden.
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In der Seitenwand des Behälters io ist an einer Stelle unterhalb des
Trichters 24 eine Leitung 26 mit Ventil 27 zum Ablassen von überschüssiger Suspension
angebracht. Am Boden des Behälters
kann, wie in Fig. I angedeutet,
ein Ablaßhahn zur völligen Entleerung bei Stillegung der Einrichtung angebracht
werden. Diese Ableitung ist jedoch für die Erfindung nicht wesentlich und für den
Betrieb nicht erforderlich.
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Zur Ingangsetzung der Anlage wird im unteren Teil des Behälters Io
eine Suspension aus Teilchen von ähnlicher Beschaffenheit wie die aus dem Rohwasser
niederzuschlagenden Feststoffe gebildet und während des Betriebes dauernd aufrechterhalten.
Das Wasser wird der Suspension beigemischt und steigt allmählich durch diese hindurch
nach oben, worauf es oberhalb der Suspension über den Rand des Trichters 24 abfließt.
Sobald der Behälter bis über das Schleuderrad I6 hinaus mit Wasser gefüllt ist,
beginnt die Umwälzung durch Rotation des Schleuderrades. Durch sie wird Flüssigkeit
aus dem Bereich der unteren Zone des Behälters durch die radialen Sammelrohre I9
in die Sammelkammer I3 angesaugt und in der Nähe des Schleuderrades I6 in die Behandlungskammer
II geführt. Hier wird das von oben zufließende Rohwasser zugemischt. Das Gemisch
gelangt dann durch die Austrittsleitungen 2 und die Schlitze 22 in die außerhalb
der Kammer II liegende Behälterzone. Durch die starke Strömung, mit welcher die
Mischung aus den Schlitzen 22 austritt und quer über den Boden des Behälters Io
hinwegströmt, werden die Feststoffe am Absetzen verhindert und im Schwebezustand
erhalten.
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Ein erheblicher Teil der Suspension wird durch die Sammelrohre I9
in die Sammelkammer I3 zurückgeführt und kann hier durch die Leitung 23 einen Zusatz
von Chemikalien erhalten. Aus der Sammelkammer gelangt die Suspension wieder in
die Behandlungskammer II, wo das Rohwasser beigemischt wird. Die Verunreinigungen
des Rohwassers kommen also mit den in der Suspension bereits vorhandenen Feststoffen
in Berührung und können in deren Gegenwart auch mit den gegebenenfalls zugesetzten
Chemikalien reagieren.
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Im Verlauf des Verfahrens nimmt die Menge der angesammelten Feststoffe
zu, so daß sich der untere Bereich des Behälters mit konzentrierter Suspension anfüllt.
In dieser werden die ausgefällten Stoffe durch die Umwälzströmung im Schwebezustand
erhalten und demgemäß am Absetzen verhindert. Beim Vermischen des Rohwassers und
gegebenenfalls der zugefügten Chemikalien mit der Suspension wird ein wesentlicher
Teil der entstehenden Feststoffe unmittelbar auf den bereits vorhandenen Suspensionspartikeln
niedergeschlagen, ohne neue kleine Teilchen zu bilden. Durch diesen im wesentlichen
in der Reaktionszone ablaufenden Vorgang werden die Suspensionspartikel allmählich
bis zu einer gewissen Größe aufgebaut, was die Klärung des behandelten Wassers wesentlich
erleichtert.
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Während des Aufbaus der Suspension im unteren Teil des Behälters hängt
der Klärungsgrad des dem Trichter 24 zufließenden Wassers hauptsächlich von der
Konzentration der Feststoffe in der Suspension ab. In dem Maße, wie diese Konzentration
zunimmt, wird die Ausscheidung der Fest-Stoffe aus dem Rohwasser allmählich wirksamer,
bis eine Endkonzentration erreicht ist, die dann im weiteren Betrieb aufrechterhalten
wird und bei welcher ein vollkommen klares Wasser aus dem Trichter 24 abläuft. Dann
bildet sich in der Suspension eine scharfe obere Grenze gegen das darüberstehende
klare Wasser aus, und damit ist die Anfangsstufe der Behandlung beendet. Die obere
Grenze der Suspensionszone ist dann so scharf, daß der Übergang von einer Suspension
mit bis zu 8 oder mehr Volumprozent Feststoffen zu einem praktisch klaren Wasser
innerhalb einer Zone von 2,5 cm Höhe oder weniger erfolgt. Diese Endkonzentration
hängt im wesentlichen von der Geschwindigkeit des aufsteigenden Wassers, von der
Menge und Beschaffenheit der ausgefällten Feststoffe, von der die Ausfällung bewirkenden
chemischen Behandlung und von der Arbeitstemperatur ab.
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Die obere Grenze der Suspension wird mittels des Ventils 27 in dem
seitlichen Ablauf 26 eingestellt. Ist die Menge der durch die Leitung 26 als Suspension
abgezogenen Feststoffe geringer als die Menge der aus dem behandelten Wasser ausgeschiedenen
Teilchen, so steigt die obere Grenzschicht der Suspension naturgemäß an. Wird umgekehrt
eine größere Menge von festen Teilchen abgezogen als von dem Wasser ausgeschieden
wird, so sinkt der obere Stand des Suspensionsspiegels.
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Die Kammer i i soll genügend groß bemessen werden, damit das zu behandelnde
Wasser und die umlaufende Suspension gründlich gemischt werden und die chemische
Umsetzung in kurzer Zeit zu Ende geführt wird. Die Umsetzung soll innerhalb dieser
Kammer i i mindestens aber beim Austritt der Mischung aus den Leitungen 21 beendet
sein. Für die umlaufende Suspension sind weite Durchgangskanäle vorgesehen, damit
ein Aufbrechen von Suspensionsteilchen vermieden wird und die Reibungsverluste auf
ein Mindestmaß herabgesetzt werden.
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Bei Unterbrechungen des Betriebes, insbesondere solchen von kurzer
Dauer, braucht das Schleuderrad 16 nicht stillgesetzt zu werden. Ein Aufrechterhalten
des Umlaufes während der Ruhepause bewirkt ein kräftiges Mischen der gesamten Suspension,
so daß das Wasser bei Wiederaufnahme des Betriebes sogleich auf die konzentrierte
Suspension trifft. Die Anlage ist sofort wieder voll wirksam, ohne daß auch nur
zeitweilig eine Trübung des behandelten Wassers auftritt.
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Auch wenn sich die Suspension bei längerer Betriebsunterbrechung absetzt,
kann die Ablagerung rasch wieder in den Schwebezustand gebracht werden. Sobald unter
Einwirkung des Schleuderrades das Wasser aus den Leitungen 21 ausströmt und den
Boden des Behälters bestreicht, werden die Ablagerungen aufgewirbelt und durch die
Ansaugleitungen i9 in den Kreislauf geführt, so daß die Suspension bald wieder hergestellt
ist.
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Beim Enthärten von Wasser durch Behandlung mit Kalkhydrat und Soda
wird die Aufstiegsgeschwindigkeit des Wassers im Behälter auf etwa
4
cm/min eingestellt, was eine Strömungsgeschwindigkeit von o,4 1/min je Quadratdezimeter
Behälterquerschnitt entspricht. Für einen Durchsatz von 5681 in der Minute ist ein
Behälterquerschnitt von etwa 14,2 m2 erforderlich, der in einem zylindrischen Behälter
mit etwa 4,25 m Durchmesser gegeben ist. Wenn die Förderleistung des Schleuderrades
auf etwa 11351/min eingestellt wird, dann werden bei dem Flüssigkeitsdurchsatz von
5681/min jeweils zwei Raumteile Suspension mit je einem Raumteil des zu behandelnden
Rohwassers gemischt. Dieses Verhältnis kann der zu behandelnden Flüssigkeit und
der angewendeten Behandlungsweise jeweils angepaßt werden. Die Höhe der Umlaufzone
vom Boden des Behälterg bis zu den Öffnungen 2o der Sammelrohre I9 kann etwa 25
cm betragen. Bei einer eingestellten Höhe der Suspensionsschicht von etwa 1,25 m
und einer Klarwasserschicht bis zum Abzugstrichter von 6o cm ergibt sich eine Gesamtflüssigkeitshöhe
von 2,15 m über dem Behälterboden. Für eine Aufstiegsgeschwindigkeit von etwa 4
cm/min beträgt die Gesamtaufenthaltszeit des unter Behandlung stehenden Wassers
im Behälter Io etwa 52,5 Minuten, von denen theoretisch über 30 Minuten auf die
Berührung des Wassers mit der Suspension entfallen. In Wirklichkeit ist diese Berührungsdauer
jedoch etwas kürzer, da die Feststoffe einen gewissen Teil dieser Zone ausfüllen.
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Für das kalte Enthärten von Wasser verwendet man Aufwärtsgeschwindigkeiten
in der Größenordnung von o,8 bis I5 cm/min, für Koagulationsprozesse solche von
o,8 bis 20 cm/min.
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Ein sehr hartes Wasser baut natürlich die Suspension schneller auf
als ein weiches. Um die richtige Suspensionskonzentration gleichbleibend aufrechtzuerhalten,
wird die Geschwindigkeit des Austrages der überschüssigen Suspension durch das Ventil
27 in der seitlichen Ableitung 26 geregelt. Zur zahlenmäßigen Erläuterung sei angenommen,
daß zwei zu vergleichende Wasserarten die Suspension in einem Verhältnis von
0,17 g bzw. 0,34 g je Liter enthärteten Wassers erzeugen. In beiden Fällen
soll die Suspension unter Beibehaltung der dargestellten Arbeitsbedingungen bis
zur Größenanordnung von etwa 34 g/1 konzentriert werden. Die durch die Leitung 26
abgezogene Suspension erhält dann etwa 34 g Feststoffe je Liter. Infolgedessen können
bei der ersten Wasserart 2001 Wasser, bei der zweiten Wasserart dagegen ur Ioo 1
Wasser je Liter abgeleiteter Suspension gereinigt werden. Der Verlust an enthärtetem
Wasser beträgt in den beiden Fällen nur o,5 bzw.
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%. Umgerechnet auf den obenerwähnten Durchsatz (5681/min) beträgt
die Suspensionsentnahme 2,84 bzw. 5,68 1/min. Die Verluste an gereinigtem Wasser
sind also in jedem Falle unbeträchtlich.
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Für den Umlauf der Suspension wird im allgeneinen ein Gesamtdruckgefälle
von etwa 7,5 cm Wassersäule oder weniger benötigt. Bei der im obigen Beispiel gewählten
Umlaufgeschwindigkeit von 1135 1/min braucht ein Schleuderrad mit einem Durchmesser
von etwa 450 mm und mit geraden, radialen oder um 9o° gedrehten Schaufeln, deren
Zwischenräume eine Geschwindigkeit von wesentlich mehr als 6o bis 70 cm/s
nicht zulassen, eine Umlaufgeschwindigkeit von etwa I2o cm/s und macht demgemäß
5o Umdrehungen in der Minute. Die benötigte Leistung beträgt nur 0,073 PS.
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Die gute und rasche Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht
auf der hohen Konzentration und der praktisch stets gleichförmigen Beschaffenheit
der Suspension, mit der das Rohwasser behandelt wird. Die behandelten Wässer zeichnen
sich durch hohe Stabilität aus. Während die Stabilisierung in den bekannten Verfahren
4 bis 6 Stunden erfordert, wird sie im erfindungsgemäßen Verfahren in wesentlich
kürzerer Zeit erreicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Stabilisieren von Wässern
ohne chemische Behandlung benutzt werden. An Calciumcarbonat übersättigte Wässer
lagern an den damit in Berührung kommenden Flächen Calciumcarbonat ab. Wässer dieser
Art können durch das erfindungsgemäße Verfahren durch Behandeln mit einer Suspension
aus fein verteiltem Calciumcarbonat stabilisiert werden. Das übersättigte Wasser
setzt dann den Überschuß auf den Suspensionspartikeln ab. Die Suspension wird konzentrierter.
Auf diese Weise kann der Gehalt an Calciumcarbonat in Wasser bei jedem Wert innerhalb
der Löslichkeitsgrenzen stabilisiert werden. Ebenso kann Wasser mit temporärer Härte,
die auf Anwesenheit von Calciumcarbonat beruht, ohne Anwendung chemischer Reagenzien,
also auf rein physikalischem Weg, enthärtet oder auf einen gewünschten Härtegrad
stabilisiert werden, wenn sein Gehalt an gelöstem Kohlendioxyd durch Belüften reduziert
wird. Auf diese Weise ist in einer erfindungsgemäßen einstufigen Anlage der Calciumcarbonatgehalt
eines Wassers von einem Anfangswert von etwa 55o Teilen in einer Million Teilen
auf etwa I4o Teile in einer Million Teilen eingestellt worden.