DE10356681B4

DE10356681B4 - Vorrichtung zur Aufbereitung von Grundwasser zu Trinkwasser und Verfahren zu deren Verwendung

Info

Publication number: DE10356681B4
Application number: DE10356681A
Authority: DE
Inventors: Hans Werner Althoff; Hartmut Dr. Bartel
Original assignee: Bundesamt fuer Sicherheit in der Informationstechnik; Federal Government of Germany
Current assignee: Althoff Hans Werner De; Bartel Hartmut Dr De
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2023-11-29
Also published as: DE10356681A1

Abstract

Vorrichtung zur Aufbereitung von Grundwasser zu Trinkwasser durch die Entfernung von Eisen, Mangan, Arsen und durch Entkeimung mit einem Rohrreaktor (1),
– der mit einer Umwälzpumpe (2) und einem Filterbehälter (4) im Kreislauf geschaltet ist,
– mit einem Membranfilter mit einer Porenweite von 0,4 μm, der im Filterbehälter (4) aufgenommen ist,
– wobei für den Rohrreaktor (1) ein Rohwasserzulauf (5) mit einem vom Wasserstand im Filterbehälter (4) gesteuerten Ventil (6) vorgesehen ist,
– sich an den Membranfilter ein Reinwasserablauf (7) anschliesst,
– im Rohrreaktor (1) eine Luftzuführung (8) zum Reaktorstromkreis vorgesehen ist
– und sich im unteren Bereich des Filterbehälters (4) ein Schlammauslass (9) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Grundwasser zu Trinkwasser durch Enteisenung, Entmanganung, Arsenentfernung und Entkeimung sowie ein Verfahren zu deren Verwendung.
Grundwässer enthalten häufig gelöste Eisen- und Manganverbindungen, seltener Arsenverbindungen sowie unter Umständen auch gesundheitsgefährdende Keime. Die Oxidation gelöster Eisenverbindungen im Grundwasser mit Luftsauerstoff erfolgt langsam und dauert häufig länger als 30 Minuten. In deutlich weniger als 30 Sekunden überführen jedoch eisenspeichernde Mikroorganismen unter geeigneten Bedingungen gelöstes Eisen in die schwerlösliche dreiwertige Form.
Die Bildung abscheidbarer Manganverbindungen aus im Grundwasser gelösten Manganionen folgt ähnlichen Vorgängen

Zur Enteisenung von Grundwasser ist die Filtration über rückspülbare biologisch arbeitende Festbettreaktoren eine bekannte Verfahrenstechnik. Sie findet eine Grenze in der Beladung des Filtermaterials mit ungelösten Verbindungen und liegt bei etwa 3 kg Eisen pro m² Filterfläche. Daraus ergibt sich eine sinnvolle Enteisenung über Festbettfilter bis höchstens 10 mg/l Eisen im Rohwasser. Wässer mit höheren Eisengehalten bis über 100 mg/l werden biologisch oder chemisch in Rührreaktoren mit Schlammrückführung, Sedimentation und anschließender Filtration aufbereitet.

Zur Abtrennung ungelöster Verbindungen aus Rohwässern eignet sich auch die Membrantechnik. Hohe Schlammkonzentrationen behindern das Verfahren nicht, solange ungelöste Stoffe nicht in die Membran eindringen. Eine Verblockung der Mikroporen findet nur durch Partikel statt, die sich in der Matrix des Filtermaterials ablagern oder sich dort erst bilden. Noch gelöste Eisen-II- bzw. Mangan-II-Ionen, die erst in der Membran oxidiert werden und dort ausfallen, führen in kurzer Zeit zu Verstopfung, die nur durch aufwändige mechanische und/oder chemische Behandlung beseitigt werden kann.

Biologische oder chemische Oxidation von gelösten Eisen-II-Ionen zu schwerlöslichen Eisen-III-Verbindungen in Rührreaktoren führt durch Kurzschlussströmung dazu, dass geringe Mengen von gelöstem Eisen die Membran erreichen und hier zu Verblockung führen.

Als Stand der Technik wurden die folgenden Schriften berücksichtigt:
DE 100 04 096 A1 (D1)
DE 694 17 374 T2 (D2)
DE 37 09 174 A1 (D3)
DE 195 09 066 A1 (D4)
DE 196 34 450 A1 (D5)
WO 97/39981 (D6)
U.C. Mende, et al. "Getauchte Membranen zur Trinkwasseraufbereitung", Wasser & Boden 52/12, 2000, Seiten 11 bis 14 (D7)

Bei den in den Schriften D1 bis D3 beschriebenen Anlagen und Verfahren und, soweit dem Anmelder bekannt, bei allen existierenden Membranverfahren auf dem Gebiet der Abwasser- und Trinkwasseraufbereitung ist eine gemeinsame Funktionsvoraussetzung, dass eine Vorrichtung vorgesehen wird, die eine Ablagerung von Deckschichten auf der Membranoberfläche verhindern soll. Diese Anforderungen werden entweder mechanisch durch Rotation der Filterscheiben (D1) oder hydro-pneumatisch durch turbulente Luft/Wasserströmung auf der Membranoberfläche (D2 und D3) realisiert. Dieses wird als wesentliches Merkmal auch stets hervorgehoben.

In der Schrift D4 werden Rohrreaktoren beschrieben. Sie dienen zur Einmischung eines Desinfektionsmittels (hier gasförmiges Ozon). Dort wird ein spezielles Mischelement zur Funktion benötigt, um den Rohrreaktor erfolgreich einsetzen zu können.

Die turbulente Strömung in der Schrift D5 soll die Reaktanten einer chemischen Reaktion im Wasserkörper des Rohrinnenraumes zusammenbringen und so eine vollständige Reaktion ermöglichen, Wandeinflüsse an den Rohrinnenwänden sind dort unerwünscht. Bei dieser Art von Rohrreaktoren muss daher eine Bildung von Ablagerungen an der Rohrinnenfläche verhindert werden, um die Ausbeute des Reaktionsproduktes möglichst hoch zu halten und Verstopfungen des Rohrreaktors und damit Produktionsausfälle zu vermeiden.

Die Schrift D6 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung gefärbten Grundwassers zu Trinkwasser. Die Färbung wird durch Huminstoffe und organische Substanzen hervorgerufen. Zum Einsatz kommt ein Membranfiltermodul ohne Reaktionsbehälter, welches im Cross-flow Modus betrieben wird. Der Cross-flow Betrieb wird gewählt und zeichnet sich dadurch aus, eine hohe Turbulenz auf der Membranoberfläche zu erzeugen, um ein Verblocken zu verhindern bzw. zu verzögern. Ein Dead-End Betrieb, wird explizit als ungeeignet für das beschriebene Verfahren angegeben.

Dem Membranfiltermodul ist ein konventionelles Filter vorgeschaltet, um Partikel von der Membran fernzuhalten. Als geeignetes Membranmaterial wird auf keramische Hohlfasermembranen verwiesen, da sich organisches Membranmaterial als ungeeignet herausgestellt hat (Seite 7, Punkt 3). In dem beschrieben Verfahren ist weiterhin eine periodische chemische Reinigung und Desinfektion (alle zwei Monate) der Membran notwendig. Eine biologische Tätigkeit auf der Membranoberfläche ist daher unerwünscht.

In der Veröffentlichung D7 wird ein herkömmliches Verfahren zur chemischen Oxidation von gelöstem Eisen und Mangan durch eine Oxidationschemikalie (dort Kaliumpermanganat) beschrieben, die dem Rohwasser mittels Dosierpumpe mengenproportional zudosiert werden muss. Die Abtrennung der sich bildenden Flocken mittels einer Membran zählt zum Stand der Technik. Auch hier soll wieder die Ausbildung einer Deckschicht auf der Membran durch drei Verfahrensschritte verhindert werden (Schritt1: periodische Rückspülung der Membran mit Permeat, durch Schritt 2: Erzeugung einer mechanischen Turbulenz durch Belüftung am Fuß des Moduls und Schritt 3: chemische Reinigung der Membran alle drei Monate).

Die Schriften D1 und D2 beschreiben somit eine biologische Eisen- und Manganoxidation in einem biologischen Reaktor mit turbulenter Strömung, in welchem der biologisch aktive Schlamm unter Aufrechterhaltung einer ausreichenden Sauerstoffkonzentration im Kreislauf geführt wird und eine Abtrennung von schwerlöslichen Oxidationsprodukten und Keimen über Filtervorrichtungen mit Membranfilter.

Aus der Zusammenschau der Schriften D3 und D4 sind Vorrichtungen zur biologischen Reinigung von organisch belasteten Abwässern bekannt, die einen Rohrreaktor aufweisen, der mit einer Umwälzpumpe und einem einen Membranfilter aufnehmenden Filterbehälter im Kreislauf geschaltet ist, wobei für den Rohrreaktor ein Rohwasserzulauf vorgesehen ist und sich an den Membranfilter ein Reinwasserablauf anschliesst. Ferner ist eine Luftzuführung zum Reaktorstromkreis vorgesehen.

Der Erfindung, die von dem oben beschriebenen Stand der Technik ausgeht, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die dezentrale Trinkwasseraufbereitung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die eine schnelle und sichere Oxidation auch höherer Gehalte an gelösten Eisen-, Mangan- und Arsenverbindungen und die Abscheidung aller Trübstoffe einschließlich Mikroorganismen und Keime bei einfacher Verfahrenstechnik gewährleistet. Aufgabe war es desweiteren, sowohl auf eine zusätzliche Chemikaliendosierung als auch auf eine Rückspül- und Reinigungstechnik der Membran zu verzichten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend Anspruch 1 und einem Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung entsprechend Anspruch 5. Die Ansprüche 2 bis 4 und 6 stellen zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung dar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Rohrreaktor auf, der mit einer Umwälzpumpe und einem einen Membranfilter aufnehmenden Filterbehälter im Kreislauf geschaltet ist, wobei für den Rohrreaktor ein Rohwasserzulauf mit einem vom Wasserstand im Filterbehälter gesteuerten Ventil vorgesehen ist. An den Membranfilter schließt sich ein Reinwasserablauf an. Im Rohrreaktor ist eine Luftzuführung zum Reaktorstromkreis vorgesehen. Im unteren Bereich des Filterbehälters befindet sich ein Schlammauslass.

Der Membranfilter hat eine Porenweite von 0,4 μm.

In vorteilhafter Weise ist der Membranfilter ein Plattenmembranfilter und besteht der Rohrreaktor aus einem Kunststoffrohr mit einem Innendurchmesser von 10 bis 20 mm.

Gemäß dem Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung werden zur bekannten biologischen Eisen- und Manganoxidation und Abtrennung von schwerlöslichen Oxidationsprodukten und Keimen folgende zusätzliche Verfahrensschritte vorgeschlagen:

– die Luftzuführung erfolgt dosiert und außerhalb des Einwirkbereiches der Membranoberfläche;
– durch die Steuerung des Kreislaufes durch den Rohrreaktor erfolgt ein dosierter Aufbau von unterschiedlichen Deckschichten sowohl auf der Membranoberfläche des Membranfilters als auch an den Innenwänden des Rohrreaktors.

Der Geschwindigkeitsgradient G (G=du/dx in 1/s) in der Strömung im Rohrreaktor wird so eingestellt, dass die Turbulenz der Strömung auf den Rohrreaktor beschränkt bleibt und der Wandschichtenaufbau im Rohrreaktor ein zulässiges Maß nicht überschreitet.

In vorteilhafter Weise beträgt die Reaktionszeit im Rohr des Rohrreaktors weniger als 2 Minuten.

Die Luftzuführung zum Reaktorstromkreis soll keine mechanische Turbulenz erzeugen, sondern hat nur das Ziel, den notwendigen Sauerstoff für die biologische Reaktion in dem Biofilm des Rohrreaktors bereitzustellen. Sie hat keinerlei mechanische Aufgaben. Die Dosierstelle befindet sich daher auch nicht in dem Einwirkbereich der Membranoberfläche.

Der gezielte Aufbau von mehreren Millimetern dicken Deckschichten aus biologisch aktiven Eisen- und Manganbakterien in Verbindung mit einer räumlich getrennten Ablagerung von Eisen- und Manganoxiden führt bei optimierten Betriebsbedingungen nicht zu einer Verstopfung der Membran. Es wurden bisher in halbtechnischen Versuchen Membranstandzeiten von mehr als 12 Monaten unter realen Aufbereitungsbedingungen erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf jegliches Rückspülen der Membran verzichtet, was bei konventionellen Anlagen bis zu halbstündlich durchgeführt wird.

Das führt zu einer erheblichen Kosten- und Energieeinsparung sowie zu einer wesentlich vereinfachten Betriebsführung.

Der Rohrreaktor hat bei der anmeldungsgemäßen Vorrichtung im Gegensatz zur Anordnung in D5 eine andere Funktion. Die turbulente Strömung in D5 soll die Reaktanten einer chemischen Reaktion im Wasserkörper des Rohrinnenraumes zusammenbringen und so eine vollständige Reaktion ermöglichen (Fall A in 1) Wandeinflüsse an den Rohrinnenwänden sind dort unerwünscht. Bei dieser Art von Rohrreaktoren muss daher eine Bildung von Ablagerungen an der Rohrinnenfläche verhindert werden, um die Ausbeute des Reaktionsproduktes möglichst hoch zu halten und Verstopfungen des Rohrreaktors und damit Produktionsausfälle zu vermeiden.

Im Rohrreaktor der vorliegenden Erfindung soll im Gegensatz dazu die Reaktion gezielt an der Rohrinnenwand ablaufen (Fall B in 1), da die für eine Umwandlung von gelöstem Eisen und Mangan verantwortlichen Bakterien in einem Biofilm an der inneren Oberfläche der Rohre siedeln. Die turbulente Strömung muss daher so geführt werden, dass die umzuwandelnden Eisen- und Manganionen des Rohwassers mit den Bakterien im Biofilm in Kontakt kommen. Die Strömung wird dahingehend optimiert, dass der Biofilm nicht abgelöst wird. Weiterhin darf eine bestimmte Dicke des Biofilms auch nicht überschritten werden, um eine zu starke Querschnittsänderung der Rohre zu vermeiden und so die notwendige Kontaktzeit nicht zu unterschreiten.

Die einzustellende Strömungsgeschwindigkeit bewirkt den Transport von überschüssigen, sich von der Rohrinnenwand lösenden Ablagerungen und muss sowohl die hydraulischen als auch biochemischen Randbedingungen berücksichtigen.

Somit stellt der Rohrreaktor im erfindungsgemäßen Verfahren ein Mittel zur Erhöhung des Oberflächen-Volumenverhältnisses dar, welches bei chemischen Reaktionen im allgemeinen unerwünscht ist und nur durch den Verzicht auf Rührwerke in Kauf genommen wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind darin zu sehen, dass einerseits die ihr zugrunde liegende Aufgabe in voll zufriedenstellender Weise gelöst wird und darüberhinaus das Verfahren offensichtlich geeignet ist, auch arsenhaltiges Grundwasser aufbereiten zu können, was sich in Versuchen bereits erwiesen hat.

Eine besondere Eignung hat das Verfahren, wenn die Tagesleistung der Aufbereitungsvorrichtung bei ca. 600 l/d liegt, was etwa dem Trinkwassertagesbedarf eines 4-Personen-Haushaltes entspricht. Eine Aufbereitungsvorrichtung mit einer solchen Leistung kann sehr kompakt gebaut werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1: einen Vergleich der Verhältnisse im Rohrreaktor nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung,
2: eine schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung weist einen Rohrreaktor 1 auf, der mit einer Umwälzpumpe 2 und einem einen Plattenmembranfilter 3 aufnehmenden Filterbehälter 4 im Kreislauf geschaltet ist. Für den Rohrreaktor 1 ist ein Rohwasserzulauf 5 mit einem vom Wasserstand im Filterbehälter 4 gesteuerten Ventil 6 vorgesehen. An den Plattenmembranfilter 3 ist ein Reinwasserablauf 7 angeschlossen. Ferner ist eine Luftzuführung 8 zum Reaktorstromkreis vorgesehen, und es befindet sich im unteren Bereich des Filterbehälters 4 ein Schlammauslass 9.
Die biologische Oxidation findet an den Innenwänden des Rohrreaktors 1 statt, durch welchen da:
aufzubereitende Wasser mit turbulenter Strömung mittels Umwälzpumpe 2 über den Filterbehäter 4 im Kreislauf geführt wird. Für eine ausreichende Sauerstoffkonzentration im Kreislauf sorgt die Luftzuführung 8. Eine kolbenähnliche Strömung im Rohrreaktor 1 bewirkt eine konstante Kontaktzeit des hinzufließenden Rohwassers mit dem Biofilm auf den Rohrinnenwänden. Schlamm muss aus der Anlage erst entnommen werden, wenn die hydraulischen Bedingungen nicht mehr eingehalten werden können (üblicherweise bei der normalen Wartung nach ca. 6 bis 12 Monaten).
Durch ein geeignetes Einfahrprogramm wird ein vorzeitiges Verblocken der Membran bei Erstinbetriebnahme vermieden.
Eine Versuchsvorrichtung hatte folgende Werte:
Reaktionszeit im Rohr des Reaktors ca. 100 s,
Fliessgeschwindigkeit im Rohr ca. 0,5 m/s
Rohrlänge 50 m,
Rohrinnendurchmesser 12 mm,
Verhältnis Kreislaufwasser zu Rohwasser <25:1,
Plattenmembran: ca. 0,3 m²; Porenweite 0,4 μm
Ablauf Membran: ca. 200 l/d
Kreislauf: 200 l/h
Die Versuchsergebnisse waren folgendermaßen:
Die Eisenkonzentration lag während einer zwölfmonatigen unterbrechungsfreien Betriebszeit ständig unter 0,01 mg/l. Die Zulaufkonzentration im Rohwasser betrug durchschnittlich 2,9 mg/l Eisen maximal 15 mg/l Eisen.
Nach einer Einarbeitungsphase von ca. 4 Wochen lag auch der Mangangehalt im Ablauf der Versuchsanlage ständig deutlich unter dem Grenzwert von 0,05 mg/l. Im Rohwasser wurden während dieser Zeit 0,45 bis 0,65 mg/l gelöstes Mangan gemessen. Künstlich zugesetzte Arsenverbindungen und mikrobiologische Verunreinigungen wurden unter die Grenzwerte der Trinkwasserverordnung eliminiert.
Die Druckdifferenz an der verwendeten Plattenmembran stieg im Laufe des Versuchszeitraumes von 0,6 auf 3 m WS bei gleichbleibendem Durchfluss von ca. 8,2 l/h.

Claims

Vorrichtung zur Aufbereitung von Grundwasser zu Trinkwasser durch die Entfernung von Eisen, Mangan, Arsen und durch Entkeimung mit einem Rohrreaktor (1), – der mit einer Umwälzpumpe (2) und einem Filterbehälter (4) im Kreislauf geschaltet ist, – mit einem Membranfilter mit einer Porenweite von 0,4 μm, der im Filterbehälter (4) aufgenommen ist, – wobei für den Rohrreaktor (1) ein Rohwasserzulauf (5) mit einem vom Wasserstand im Filterbehälter (4) gesteuerten Ventil (6) vorgesehen ist, – sich an den Membranfilter ein Reinwasserablauf (7) anschliesst, – im Rohrreaktor (1) eine Luftzuführung (8) zum Reaktorstromkreis vorgesehen ist – und sich im unteren Bereich des Filterbehälters (4) ein Schlammauslass (9) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfilter ein Plattenmembranfilter (3) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrreaktor (1) aus einem Kunststoffrohr gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffrohr einen Innendurchmesser von 10 bis 20 mm aufweist.
Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführung dosiert und außerhalb des Einwirkbereiches der Membranoberfläche erfolgt, und dass der Geschwindigkeitsgradient G (G=du/dx in 1/s) der Strömung im Rohrreaktor so eingestellt wird, dass die Turbulenz der Strömung auf den Rohrreaktor beschränkt bleibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionszeit im Rohr des Rohrreaktors weniger als 2 Minuten beträgt.