DE602004006550T2

DE602004006550T2 - Flockungsapparat

Info

Publication number: DE602004006550T2
Application number: DE602004006550T
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Yonekawa; Nobuhiro Aoki; Naoki Murata
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2024-03-06
Also published as: EP1457462A2; JP2004290957A; US7300579B2; EP1457462B1; US20040178134A1; KR100572533B1; DE602004006550D1; EP1457462A3; KR20040080378A; JP4365692B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufbereitungssystem für sauberes Wasser und Abwasser und verschiedene Arten von Abflusswässer und betrifft im Besonderen eine Verbesserung einer Wasseraufbereitung, in der ein Flockungsmittel angewendet wird.
Stand der Technik
Eine Flockungsaufbereitung wurde bisher sehr häufig zur Reinigungsbehandlung für sauberes Wasser und Abwasser und von verschiedenen Arten von Abflusswässern eingesetzt. Auch in einem Schnellfilterverfahren und einem Membranfilterverfahren, welche mit Ausnahme einiger Klar-Wasserquellen im Allgemeinen zur Wasseraufbereitung eingesetzt werden, wurde die Flockungsaufbereitung angewendet. In einem Wasseraufbereitungssystem [siehe „Water Supply Facility Design Guideline" (Auflage 2000) vom Publikationsbüro der Japan Water Works Association (jurist. Person), Auflage (2. Auflage): Juni 2000, 150 Seiten ((3) Schnellfilterverfahren), Seite 187 (5.4.3 Flockungsbecken)] wird beispielsweise, wie in 3 abgebildet, in ein Rohwasser 10, nachdem es einen Rohwasserbehälter 11 durchströmt hat, ein Flockungsmittel 16 eingespeist und mit diesem für einige Minuten in einem Strömungsmischbehälter 12 vermischt und dann in ein Flockungsbecken 13 geleitet. Die Flocken werden größer, wenn das mit Flockungsmittel versetzte Wasser langsam im Flockungsbecken 13 umgerührt wird. Dafür sind 10 bis 40 Minuten nötig.
Danach benötigt das aufbereitete Wasser beispielsweise etwa 20 bis 40 Minuten, bis dass es in ein Sedimentationsbecken 14 zur Sedimentation und Abtrennung von groben Schweb-Feststoffen (hiernach mit dem Kürzel SS abgekürzt) geleitet wird und kleine SS werden in einem nachfolgenden Schnellfilterbecken 15 und Ähnlichem gefiltert, wodurch ein Filtrat 17 erhalten wird. Außerdem kann dieses Filtrat 17 manchmal weiters einer weitergehenden Aufbereitung, wenn nötig, unterzogen werden.
Die Flockenbildungsaufbereitung in einem solchen Aufbereitungssystem ist für die Flockung kleiner SS-Partikel und von Polymerauflösungskomponenten zur leichteren Abtrennung vorgesehen. Wenn das Flockungsmittel, wie etwa Aluminiumsulfat oder Polyaluminiumchlorid in das Rohwasser eingespeist und umgerührt wird, werden zuerst die winzigen SS-Partikel und Ähnliches elektrisch neutralisiert, wodurch Mikroflocken ausgebildet werden. Dann wird dieses mit Flockungsmittel versetzte Wasser mithilfe eines Systems, wie etwa eines mechanischen Rührsystems oder eines Umgehungsstromsystems mit einer angepassten Rührintensität im Flockungsbecken 13, umgerührt, welches so eingestellt ist, dass die Flocken größer werden, so dass sie eine geeignete Größe für eine anschließende Sedimentationsaufbereitung haben. Da es jedoch eine Einschränkung der Aufbereitungskapazität pro Vorrichtungsfläche gibt, wird die Verringerung der Größe schwierig.
Wird andererseits die Membranfilterkapazität durch technische Fortschritte in der Keramikmembranfilterung erheblich erhöht, kann eine Membranvorrichtung selbst demgegenüber in ihrer Größe erheblich verringert werden. Da aber ein Spülmischbehälter und das Flockungsbecken einen der Wasserbildungsmenge entsprechenden Anlagenmaßstab benötigen, stellt es einen Nachteil dar, dass die Anlage keinen Vorteil aus dem Maßstab erzielen kann, wenn sie vergrößert wird.
US-A-4.295.973 offenbart eine Abtrennungsanordnung, welche eine perforierte Platte verwendet, die ein Innenfach von einem Außenfach trennt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung wurde zur Lösung der oben beschriebenen Probleme entwickelt und stellt einen Flockungsapparat bereit, der zum schnellen Ausbilden von Flocken eines mit Flocken versetzten Wassers geeignet ist, wodurch das Flockenwachstum be schleunigt wird und die Größe der Anlage, gegenüber einem herkömmlichen Flockungsbecken, das einen großen Installationsbereich benötigt, verringert wird.
Die vorliegende Erfindung beruht auf den Erkenntnissen, dass, wenn Wasserdurchgangslöcher in ausreichender Menge zum Filtern und Kondensieren von Flockungsfaktoren, wie etwa Flockungsnuklei oder Schwebstoffen in einer Anfangs-Flockung verwendet werden und die Flockungsfaktoren während dem Filtern und Verdichten durch die Wasserdurchgangslöcher hindurchtreten, sich die Flocken in den kurzen Wasserdurchgangslöchern vergrößern werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Flockungsapparat, wie in Anspruch 1 dargelegt, bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Wasseraufbereitungssystem, wie in Anspruch 5 dargelegt, bereitgestellt.
Der Flockungsapparat der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise in einer Ausführungsform implementiert werden, in der eine Vielzahl an Wasserdurchströmungselementen mithilfe von Abständen angeordnet sind.
Der Flockungsapparat der vorliegenden Erfindung ist geeignet, Flocken eines mit Flockungsmittel versetzten Wassers schnell auszubilden, wodurch das Wachstum derselben beschleunigt wird, und die Größe der Anlage auf weniger als die Hälfte jener eines herkömmlichen Flockungsbeckens zu verringern. Ferner weist die Anlage selbst eine einfache Konfiguration auf und ist problemlos in der Herstellung, Installation und Wartung und benötigt weiters keine Energie, wie etwa Elektrizität, und weniger Wartungskosten, wodurch die Kosten verringert werden. Ferner werden viele nützliche Effekte bereitgestellt; beispielsweise kann eine Anpassung einfach durchgeführt werden, um eine optimale Flockung durch Anpassen der Anzahl an Stufen in Übereinstimmung mit den Eigenschaften von Rohwasser zu erzielen. Daher hat die vorliegende Erfindung einen großen technischen Wert, da der Flockungsapparat die Probleme des Stands der Technik löst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Querschnittsansicht wesentlicher Teile zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine teilweise perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Wasserdurchströmungselements, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
3 ist ein schematisches Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines herkömmlichen Flockungsaufbereitungssystems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Als Nächstes wird eine Ausführungsform eines Flockungsapparats der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
In dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung mit einer Konfiguration implementiert, in die ein Wasserdurchströmungselement 3 zum Wachsen der Flocken im Inneren eines Spülmischbehälters 2 angeordnet ist, wo ein Rohwasser 10 und ein Flockungsmittel 16 gemischt werden. Insbesondere ist sie dadurch gekennzeichnet, dass der Spülmittelmischbehälter 2 mit einem Flockungsmischbereich 21 bereitgestellt ist, in dem das aufzubereitende Rohwasser 10 eingebracht wird und das Flockungsmittel 16, wie etwa das bekannte Aluminiumsulfat oder polychloriertes Aluminium, eingespeist wird und dann werden diese umgerührt und gemischt; und es ist ein Flockenwachstumsbereich 22 vorgesehen, durch den das mit Flockungsmittel versetzte, mit dem Flockungsmittel vermischte Wasser hindurchtritt, während das Ausbilden der Flocken bewirkt wird und das mit Flockungsmittel versetzte Wasser als ein Flockenaufbereitungswasser 18 ausgegeben wird. Das Wasserdurchströmungselement 3, welches mit einer Vielzahl an Wasserdurchgangslöchern zur Förderung des Wachstums der Flocken im mit Flockenmittel versetzten Wasser bereitgestellt ist, ist aber im Flockenwachstumsbereich 22 angeordnet.
Als Nächstes werden die spezifischen funktionellen Effekte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In einem Strömungspfad (Strömungsrate: 100 bis 150 cm/Minute) für das mit Flockungsmittel versetzte Wasser, welches Flocken mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 bis 20 μm enthält, wird das Wasserdurchströmungselement 3 angeordnet, welches mit einer Anzahl an Wasserdurchgangslöchern 31 mit einem Innendurchmesser von 1,8 bis 8,0 mmϕ, einem Öffnungsflächenverhältnis von 35 bis 90 % und einer Länge von 500 bis 2000 mm bereitgestellt ist. Das mit Flockungsmittel versetzte Wasser strömt mithilfe einer Querstromzirkulation durch die Wasserdurchgangslöcher 31, so dass das Kondensationsverhältnis auf einer membrangefilteren Seite 20 bis 50 % sein kann und, als Resultat, können die Flocken bis zu einer Größe mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 60 bis 150 μm wachsen. Es hat sich aus diesem Ergebnis herausgestellt, dass ein Abschnitt des Flockungsbeckens auf die Hälfte der Größe verringert werden kann.
Darüber hinaus ist das Funktionsprinzip des schnellen Wachstums der Flocken in der vorliegenden Erfindung noch nicht ausreichend geklärt, aber im Großen und Ganzen kann es folgendermaßen dargestellt werden.
Zuerst haben winzige SS-Partikel, deren Durchmesser auf einem Kolloidwert ist, im Allgemeinen eine negative Ladung und das Rohwasser a, welches ohne aufgrund einer Abstoßungskraft sich zu setzen stabil vorhanden ist, wird in den Flockungsmischbereich 21 eingebracht. Wenn das Flockungsmittel b, wie etwa Aluminiumsulfat, in den Flockungsmischbereich 21 eingespeist wird, wird die Ladung der SS-Partikel durch eine positive Ladung (Aluminiumionen des Aluminiumsulfats) des Flockungsmittels elektrisch neutralisiert und sie flocken aufgrund des Fehlens einer Abstoßungskraft aus, wodurch zuerst Mikroflocken ausgebildet werden.
Als Nächstes wird das mit Flockungsmittel versetzte Wasser in den angrenzenden Flockenwachstumsbereich 22 eingebracht und strömt durch die Vielzahl an Wasserdurchgangslöchern 31 des Wasserdurchströmungselements 3, das in einem Strömungspfad für das mit Flockungsmittel versetzte Wasser angeordnet ist. In diesem Fall wird das mit Flockungsmittel versetzte, die Mikroflocken enthaltende Wasser, wie in 2 dargestellt, durch die Durchgangslöcher verteilt, wenn es in die Wasserdurchgangslöcher-Einlasse 31a strömt, welche auf einer oberen Oberfläche des Wasserdurchströmungselements 3 offen sind, und daher wird vermutet, dass die Mikroflocken öfter miteinander in Kontakt treten und dass die Kontakteffizienz der Flocken unter einem Laminarstrom in den Durchgangslöchern ansteigt und dass das Wachstum der Flocken in Kombination mit den Kondensationseffekten der Flocken selbst gefördert wird.
Im Falle des herkömmlichen Flockungsbeckens werden das Umrühren und der Umgehungsstrom so durchgeführt, dass das mit Flockungsmittel versetzte Wasser bei einer niedrigen Strömungsrate von etwa 15 bis 80 cm/Sekunde für das Wachstum der Flocken mit einem größeren Partikeldurchmesser fließt. Daher treten nur eingeschränkte Teile der Mikroflocken miteinander in Kontakt. Im Vergleich dazu wird in der vorliegenden Erfindung die Strömungsrate für das gesamte aufzubereitende mit Flockungsmittel versetzte Wasser verändert, so dass die Flockung vermeintlich effizient erzielt wird. Wenn die Flockung in Übereinstimmung mit den Eigenschaften des aufzubereitenden Wassers schwierig ist, ist es daher vorzuziehen, dieses Problem beispielsweise durch das Bereitstellen des Wasserdurchströmungselements 3 mit einer Vielzahl an Schichten, also zwei oder mehrerer Schichten, und einer Verringerung des Öffnungsflächenverhältnisses bei einer Stromabwärts-Stufe zu lösen.
In diesem Beispiel fließt das mit Flockungsmittel versetzte Wasser nach oben durch die Wasserdurchgangslöcher 31, da die gewachsenen Flocken problemlos aufzubereiten sind, aber die Wasserdurchströmungsrichtung kann entgegengesetzt und horizontal oder schräg verlaufend für das Flockenwachstum ausgerichtet sein. Dann wird das mit Flocken aufbereitete Wasser d, in dem die Flocken ausreichend gewachsen sind, in das herkömmliche Sedimentationsbecken, wie in 3 abgebildet, eingebracht, um die Flocken auszufällen, wodurch eine Fest-Flüssig-Abtrennung ermöglicht wird.
Ferner sind im Falle von 1 der Flockungsmischbereich 21 und der Flockenwachstumsbereich 22 im Spülmischbehälter einstückig angeordnet, aber die vorlie gende Erfindung ist nicht darauf beschränkt und es ist daher selbstverständlich möglich, den Flockungsmischbereich 21 und den Flockenwachstumsbereich 22 separat anzuordnen.
Außerdem werden eine Form und ein Material des Wasserdurchströmungselements 3 der vorliegenden Erfindung im Folgenden beschrieben. Wie oben beschrieben, verfügen die in dem Wasserdurchströmungselement 3 angeordneten Wasserdurchgangslöcher 31 geeigneterweise über einen Öffnungsdurchmesser von 1,5 bis 8,0 mm, ein Öffnungsflächenverhältnis von 35 bis 90 % und eine Wasserdurchgangslochlänge von 500 bis 2000 mm. Wenn die Wasserdurchgangslöcher 31 von diesen Bereichen abweichen, wächst der Wasserdurchströmungswiderstand an und das Wachstum der Flocken ist nicht effizient, was nicht vorzuziehen ist. Außerdem ist das Kondensationsverhältnis für eine zufriedenstellende Flockung vorzugsweise auf 20 bis 95 % eingestellt.
Das Material des Wasserdurchströmungselements 3 ist Keramik, aufgrund dessen Korrosionsresistenz, chemischer Beständigkeit, Wetterbeständigkeit und Ähnlichem. In Anbetracht dessen wird in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Keramikwabenstrukturmaterial mit einer Wabenstruktur oder einer Lotuswurzelform angewendet, in der eine Anzahl an Kommunikationslöchern über die gesamte vordere und hintere Seite oder über eine Gruppierung verteilt ausgebildet ist, in der eine Anzahl an Keramikrohren gebündelt vorliegen.
In der vorliegenden Erfindung kann ferner das Wasserdurchströmungselement ebenfalls als ein Barrierefilter für die Flockung und die Fest-Flüssig-Filterung sowie zur Erzielung einer weiteren Größenreduktion eines Flockungsaufbereitungssystems verwendet werden.
Wenn ein Barrierefilter, in dem eine Vielzahl an Wasserdurchgangslöchern in einem porösen Keramikmaterial mit unzähligen feinen Filterporen angeordnet ist, die das Durchströmen der SS nicht erlauben, beispielsweise als Wasserdurchströmungselement verwendet wird, werden diese Wasserdurchgangslöcher im Besonderen die Bildung und das Wachstum der Flocken im mit Flockungsmittel versetzten Wasser fördern, wie oben beschrieben, und aufgrund eines Differenzdrucks zwischen den Wasserdurchgangslöchern und der Außenseite wird der Filter als ein Membranfilter wirken, wodurch die im mit Flockungsmittel versetzten Wasser vorhandenen SS, einschließlich der Flocken, abgetrennt werden und ein Filtrat erhalten werden kann.
Auf diese Weise dient der Keramikmembranfilter vom Monolithtyp sowohl zur Flockung als auch zur Fest-Flüssig-Filterung. In diesem Fall kann das mit Flocken aufbereitete Wasser d, welches durch das Wasserdurchströmungselement durchgeleitet wurde, wieder zum Flockungseinspeisebereich 21 zurückgeführt werden und wiederholt gefiltert werden. Ferner kann das erhaltene Filtrat einer Aufbereitung, wie etwa einer weitergehenden Aufbereitung in einer anschließenden Phase, wenn nötig, unterzogen werden.

Claims

Flockungsapparat, der in einem Wasseraufbereitungssystem mit einem Sedimentationsbecken angeordnet ist, wobei sich der Flockungsapparat in Fließrichtung des Wassers durch das System stromaufwärts des Sedimentationsbeckens befindet, und wobei der Flockungsapparat einen Flockungsmittel-Mischbereich (21), in den das aufzubereitende Wasser und ein Flockungsmittel eingebracht werden und in dem diese dann miteinander vermischt werden, sowie einen Flockenwachstumsbereich (22) umfasst, zu dem das Wasser fließt, nachdem es im Flockungsmittel-Mischbereich mit dem Flockungsmittel vermischt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass der Flockenwachstumsbereich ein Wasserdurchströmungselement (3) umfasst, welches eine Vielzahl an geraden Durchgangslöchern (31) aufweist, die zum Hindurchströmenlassen des Wassers mit Laminarströmung in den Durchgangslöchern angeordnet sind, wodurch das Wachstum der Flocken gefördert wird, wobei das Wasserdurchströmungselement (3) aus einer Keramikwabenstruktur gebildet.
Flockungsapparat nach Anspruch 1, worin das Wasserdurchströmungselement ein Öffnungsflächenverhältnis von 35 bis 90 %, eine Wasserdurchgangsloch-Länge von 500 bis 2000 mm und einen Wasserdurchgangsloch-Durchmesser von 1,5 bis 8,0 mm aufweist.
Flockungsapparat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend eine Vielzahl an Wasserdurchströmungselementen (3), die voneinander beabstandet angeordnet sind.
Flockungsapparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Flockungsmischbereich (21) und der Flockenwachstumsbereich (22) zusammen in einem einzigen Behälter (2) angeordnet sind.
Wasseraufbereitungssystem mit einem Sedimentationsbecken und einem in Fließrichtung des Wassers stromaufwärts davon angeordneten Flockungsapparat, nach einem der Ansprüche 1 bis 4.