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Dokumentenidentifikation DE10220743A1 24.12.2003
Titel Verfahren zur Wasseraufbereitung sowie Wasseraufbereitungsanlage
Anmelder Passavant-Roediger-Anlagenbau GmbH, 63450 Hanau, DE
Erfinder Gerlach, Markus, Dr.-Ing., 63486 Bruchköbel, DE
Vertreter Stoffregen, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 63450 Hanau
DE-Anmeldedatum 08.05.2002
DE-Aktenzeichen 10220743
Offenlegungstag 24.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.12.2003
IPC-Hauptklasse B01D 61/14
IPC-Nebenklasse C02F 9/00   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Anlage zur Wasseraufbereitung durch in einer oder mehreren Flockungsstufen durchgeführten Flockung sowie in einer nachgeschalteten Sedimentationsstufe durchgeführten Flockenseparation und Flockenschlammeindickung. Dabei strömt das Wasser in der Sedimentationsstufe entlang Membranfilterplatten, die derart zueinander und in Bezug auf die Zuströmung des zu behandelnden Wassers ausgerichtet sind, dass im gewünschten Umfang eine Cross-Flow-Filtration, Dead-End-Filtration sowie Sedimentation erfolgt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wasseraufbereitung, insbesondere von Grund- und Oberflächenwasser, durch in einer oder mehreren Flockungsstufen durchgeführte Flockung sowie in einer nachgeordneten Sedimentationsstufe durchgeführte Flockenseparation und Flockenschlammeindickung, wobei das Wasser in der Sedimentationsstufe entlang von Plattenelementen strömt. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere für Grund- und Oberflächenwasser, umfassend einen Wasserzulauf, eine oder mehrere Flockungsstufen sowie ein über eine mit dieser bzw. diesen über eine Wasserzuströmöffnung verbundenes Sedimentationsbecken mit im Bodenbereich vorhandenem Eindickraum, im Boden vorhandener Auslassöffnung zur Entnahme von Schlamm, einer Flockungsstufe zuführbarem Kontaktschlamm und Überschussschlamm, sowie einen Wasserauslass, wobei in dem Sedimentationsbecken parallel zueinander verlaufende als Separator dienenden Plattenelemente angeordnet sind.

Um Wasser durch Flockung und Sedimentation aufzubereiten, kann eine Direktflockung mit einfachem Klärbecken erfolgen, wobei ein großes Bauvolumen benötigt wird, um möglichst lange Kontaktzeiten für die Flockenbildung und möglichst niedrige Oberflächenbelastungen für die Sedimentation zu erreichen. Um die Kinetik des Flockenwachstums zu verbessern, werden auch Klärer mit integrierter Kontaktflockung im Schlammschwebebett eingesetzt. Dabei wird einströmendes, geflocktes Wasser durch Zonen des Schlammschwebebettes geleitet, das sich bei der Sedimentation ausbildet.

Eine erhebliche Verbesserung der Flockenabscheidung kann durch den Einsatz sogenannter Lamellenklärer erreicht werden, in denen die effektive Absetzfläche für die Sedimentation durch das Anordnen paralleler Platten erheblich vergrößert wird. Dadurch kann das Bauvolumen des Klärers entsprechend verkleinert werden. Entsprechende Platten verlaufen dabei grundsätzlich geneigt zur Horizontalen.

Ein Verfahren und eine Anlage der eingangs genannten Art ist dem Prospekt PASSAVANT ROEDIGER, Das Passavant-Turbo-LME-Verfahren, zu entnehmen. Das entsprechende Verfahren basiert auf der Kombination des sogenannten Turboflockungsverfahrens und des Lamellenabscheiders. Dabei wird eine Mehrkammerflockung zur Erzeugung einer extrem sedimentationsfähigen Flockung eingesetzt, die in einem anschließenden Lamellenseparator vom Wasser getrennt und direkt in einem Eindicker auf optimale Schlammkonzentration eingedickt wird. Dabei wird durch dem Sedimentationsbecken vorgeschaltete hochturbolente Flockungsstufen, Kontaktschlammrückführung sowie individuell definierten Energieeintrag die Reaktionskinetik optimal genutzt. Die Lamellen selbst verlaufen dabei ebenfalls geneigt zur Horizontalen.

Auch wenn mit entsprechenden Anlagen eine hohe Partikelabscheiderate erzielt werden kann, muss das dem Sedimentationsbecken entnommene Wasser einer weiteren Filtration unterzogen werden, um Trinkwasserqualität zu erreichen.

Aus dem DE 298 01 619 U1 ist eine Abwasserreinigungsanlage bekannt, bei der Sedimentation, Flotation und Filtration in einem offenen Behälter durchgeführt werden. Die Filtration erfolgt dabei mittels Kerzenfilter.

Um Filterrückspülwasser aufzubereiten, ist nach der DE 196 16 763 A1 vorgesehen, die wässrige oder sedimentierte Phase des Filterrückspülwasser über Membranfilter zu führen, die außerhalb eines Klärbehälters oder im Schlammsammelbereich dieses angeordnet sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur Wasseraufbereitung sowie eine Wasseraufbereitungsanlage derart weiterzubilden, dass bei kompakter Bauweise unmittelbar gereinigtes Wasser gewinnbar ist, das als Trinkwasser oder dem Grunde nach als Trinkwasser verwendet werden kann. Dabei soll gleichzeitig die gute Absetzbarkeit der zu sedimentierenden Partikel optimal genutzt werden.

Erfindungsgemäß wird das Problem durch ein Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass als Plattenelemente Membranfilterplatten verwendet werden, die derart zueinander im Bezug auf Zuströmungsrichtung des zu behandelnden Wassers ausgerichtet werden, dass eine Sedimentation und Cross-Flow-Filtration und/oder eine Cross-Flow-Filtration und/oder eine Dead-End-Filtration und/oder eine Kombination dieser erfolgt. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Membranfilterplatten parallel zueinander vertikal verlaufend und parallel zur Strömungsrichtung des von vorgeordneter Flockungsstufe in das Sedimentationsbecken strömenden Wassers angeordnet werden.

Insbesondere werden die Membranfilterplatten in Zonen derart zueinander angeordnet, dass sich in einer wasserzuflussnahen ersten Zone eine Sedimentation, eine Cross-Flow- Filtration und eine Kreuzströmung zwischen zuströmenden Wasser und Massenstrom sedimentierender Flocken ergibt. Des Weiteren soll in einer mittleren zweiten Zone eine Cross-Flow-Filtration ermöglicht werden. Schließlich ist vorgesehen, dass sich in einer wasserzuflussentferntliegenden dritten Zone eine Dead-End-Filtration einstellt.

Abweichend vom vorbekannten Stand der Technik werden für die Abscheidung der sedimentierenden Partikel Membranfilterplatten verwendet, die derart auf das in dem Sedimentationsbecken strömende und die Flocken enthaltende Wasser ausgerichtet werden, dass im gewünschten Umfang eine Cross-Flow-Filtration bzw. Dead-End-Filtration sowie Sedimentation erfolgt. Gleichzeitig kann dem Sedimentationsbecken unmittelbar gereinigtes Wasser entnommen werden, dass weitere Wasserbehandlungsschritte wie Feinfiltration z. B. durch Sandfilter nicht erforderlich sind. Vielmehr genügt das den Permeatseiten der Membranfilterplatten entnommene Wasser hinsichtlich der Trübung und mikrobiologischen Beschaffenheit höchsten Reinheitsansprüchen an Trinkwasser.

Durch die Anordnung der Membranfilterplatten wird in den Absetzbecken eine hohe Raumausnutzung gewährleistet, bei gleichzeitig erzielbaren hydrodynamisch günstigen Effekten. Dadurch, dass unmittelbar der Sedimentationsstufe gereinigtes Wasser bzw. Klarwasser in Trinkqualität entnommen werden kann, können gleichzeitig Aufbereitungskosten reduziert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren verbindet eine Kontaktschlamm-Flockung mit einer integrierten Einheit zur Flockenseparation und Flockenschlammeindickung. Die Flockenabtrennung erfolgt dabei sowohl durch Sedimentation als auch durch Mambranfiltration, wobei als Membrantypen Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen zum Einsatz gelangen können.

Erfindungsgemäß erfolgt in einer die Membranfilterplatten enthaltenen Einheit Flockenseparation und Flockenschlammeindickung. Die Einheit umfasst daher auch einen Eindickerbereich. Daher wird die entsprechende Einheit nachstehend als Membranplatten- Abscheider-Eindicker (MPE-Abscheider) bezeichnet.

Die Membranfilterplatten werden unmittelbar in der Sedimentationsstufe, also nach der letzten Stufe eines insbesondere Mehrkammerflockungssystems angeordnet, um eine hydrodynamisch günstige Direktkopplung zwischen der Mehrkammerkontaktflockung und dem MPE-Abscheider zu gewährleisten. Somit kann eine scherungsarme Strömungsführung und somit eine zerstörungsfreie Überführung der Flocken in der Sedimentation und Eindickung erreicht werden.

Die Membranfilterplatten, die vorzugsweise als Module zusammengesetzt sind, werden in mehreren Reihen vertikal und parallel zu Strömungsrichtung des zuströmenden Wassers angeordnet. Hieraus resultiert eine für den Mikro- oder Ultrafiltrationsvorgang günstige Kreuzströmung zwischen einerseits dem Permeat- und dem Konzentratsstrom (sogenannter Cross-Flow-Betrieb) und andererseits eine Kreuzströmung zwischen Zuströmung und Massestrom der sedimentierenden Flocken. Beide Effekte reduzieren die für die Membranfiltration unerwünschte Deckschichtenbildung auf den Membranoberflächen.

Die in der Mehrkammer-Kontaktflockung erfolgte Entstabilisierung von fein- und kolloidaldispersen Partikeln und deren Aggregation zu gut absetzbaren Makroflocken begünstigt die Membranfiltration, weil diese Partikel wesentlich zur Deckschichtenbildung beitragen. Somit beinhaltet die als integrierte Membranplattenabscheidung mit Eindickung zur bezeichnende Einheit im Anschluss an die Mehrkammerflockung einen weiteren Effekt, der die für die Mambranfiltration unerwünschte Deckschichtenbildung auf den Membranoberflächen unterdrückt und den Deckschichtenaufbau derart begünstigt, dass eine vollständige Entfernung der Deckschichten durch einfaches Rückspülen gewährleistet wird.

Die sedimentierenden Flocken gelangen direkt, d. h. ohne strömungsbedintge Scherungen in den Eindickerbereich des Sedimentationsbeckens. Der eingedickte Schlamm wird geräumt und in einem zentral angeordneten Schlammtrichter gesammelt. Der Schlamm kann direkt aus dem Schlammtrichter zu einer Schlammentwässerung oder sonstigen weiteren Schlammbehandlung gefördert werden. Der für die Kontaktwirkung erforderliche hochreaktive Kontaktschlamm wird aus definierten Höhen des auch als Eindickraum zu bezeichnenden Sedimentationsbecken entnommen.

Im Bereich der Dead-End-Zone erfolgt optional ein Überstandswasserabzug aus dem Sedimentationsbecken, um einer möglicherweise langfristig stattfindenden Anreicherung nicht sedimentierbarer Partikel entgegenzuwirken. Das Überstandswasser aus der oberen Beckenwand der Dead-End-Filtration wird in den Zulauf der Anlage, also in das erste Flockungsbecken, rückgeführt, um die angereicherten Partikel erneut einer Mehrkammerflockung zu unterziehen. Der Überstandswasserabzug kann zeitgetaktet oder prozesskontrolliert erfolgen. Der Überstandswasserstrom ist kleiner als 1% vom Zulaufstrom.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Kombination von Kontaktflockung, Sedimentation, Membranfiltration und Schlammeindickung in einer integralen Einheit, wodurch eine Vielzahl verfahrenstechnischer Vorteile erzielbar sind:

  • - Die Kombination Mehrkammerflockung und Schlammeindickung ermöglicht die direkte Kontaktschlammentahme aus dem Eindickraum, der an definierter Stelle der Mehrkammerflockung zugeführt wird.
  • - Die Kombination Mehrkammerflockung und Sedimentation ermöglicht den direkten Flockenübergang von der Flockenreifung zur Flockensedimentation, wodurch hydrodynamisch bedingte Scherkräfte weitgehend vermieden werden können. Somit wird die Zerstörung von Flocken vermieden und eine enge Flockengrößenverteilung erhalten, wodurch sich Vorteile sowohl in Bezug auf die Sedimentation als auch auf die Membranfiltration ergeben.
  • - Durch die Kombination Flockung/Membranfiltration wird die Membranfiltration stabilisiert, da kolloidal und feindisperse Partikel, die ungünstige Deckschichtenbildungen verursachen, in der Flockung zu größeren Partikeln agglomerieren. Die größeren Partikel sind im technischen Prozess sedimentierbar und bilden keine irreversiblen Deckschichten.
  • - Durch die Kombination Sedimentation und Membranfiltration wird die Membranfiltration von grob- und mitteldispersen Partikeln entlastet, so dass die Deckschichtenbildung auf der Membranoberfläche - sogenanntes Membran Fouling - reduziert werden kann.
  • - Durch die Kombination von Sedimentation und Eindickung in einer Einheit erfolgt ein direkter, d. h. hydrodynamisch ungestörter Übergang von der Flockensedimentation in die Flockenschlammeindickung. Damit bleiben die nach der Flockung günstigen Absetzeigenschaften der Flocken für die Eindickung erhalten. Gleichzeitig ergibt sich eine bessere Eindickung des Flockenschlammes.
  • - Durch die Kombination von Membranfiltration und Sedimentation/Eindickung werden die bei der Membranrückspülung abgelösten Deckschichten in-situ entsorgt, da diese durch Sedimentation und Eindickung innerhalb des selben Prozesses über den Überschussschlamm dem System entzogen werden.
  • - Durch die Kombination aller genannten Verfahrensprozesse in einem integralen System wird eine sehr kompakte und somit raumsparende Bauweise ermöglicht.
  • - Ungeachtet dessen ist durch spezielle räumliche Anordnung sichergestellt, dass die wirksamen Mechanismen der hydrodynamischen Sequenz optimal angeordnet bzw. räumlich/zeitlich so getrennt werden können, dass die jeweiligen Prozesse steuerbar bleiben.
  • - Ein Überstandswasserabzug mit Rückführung zum Prozesszulauf unterbindet die Anreicherung nicht sedimentierbarer Partikel mit der MPE-Einheit.

Eine Wasseraufbereitungsanlage der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Plattenelemente Membranfilterplatten sind, deren Permeatauslass der Wasserauslass ist. Dabei sind die Membranfilterplatten parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander oder im Wesentlichen parallel zur Zuströmrichtung des in das Sedimentationsbecken zuströmenden Wassers und vertikal oder im Wesentlichen vertikal verlaufend angeordnet.

In hervorzuhebender Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Membranfilterplatten zu Stufen bildenden Einheiten zusammengesetzt sind, wobei in einer wasserzuströmöffnungsnahen ersten Zone die Membranfilterplatten eine Plattenabstand d1 mit d1 ≥ 20 mm, insbesondere d1 ≥ 30 mm, vorzugsweise 20 mm ≤ d1 ≤ 4,0 mm aufweisen.

Des Weiteren sollten die Membranplatteneinheiten eine mittlere zweite Zone umfassen, wobei die Platten derart zueinander beabstandet sind, dass das Wasser diese mit einer Geschwindigkeit v mit v ≥ 0,03 m/s, insbesondere v ≥ 0,05 m/s, vorzugsweise 0,03 m/s ≤ v ≤ 0,1 m/s überströmt. Schließlich sollten die Membranfilterplatten in einer wasserzuströmungsfernliegenden dritten Zone einen Abstand d2 mit d2 ≥ 2 mm, insbesondere d2 ≥ 3 mm, bevorzugterweise 2 mm ≤ d2 ≤ 5 mm aufweisen.

Um gezielt die Platten von dem Wasser anströmen zu können, um also z. B. eine Cross- Flow-Filtration oder Dead-End-Filtration ohne Veränderung der Platten zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass die Wasserzuströmöffnung höhenverstellbar ist. Hierzu kann die Wasserzuströmöffnung durch spindelgetriebene Blenden, Doppelschütze, Klappwehre o. ä. ausgebildet sein.

Durch die Anordnung der Membranplatten zueinander und deren räumliche Ausrichtung ergeben sich spezielle hydromechanische Bedingungen, die je nach räumlicher Lage verschiedenartig, jedoch für jeden der involvierten Teilprozesse optimal sind. Dabei finden folgende Belange Berücksichtigung:

  • - Die Hydrodynamik des MPE-Abscheiders bzw. die aus diesen bestehenden Einheiten beinhaltet eine hydrodynamisch gesteuerte Trennung zwischen Sedimentation und Membranfiltration.
  • - Die Hydromechanik des MPE-Abscheiders ermöglicht einen idealen Übergang von der Flockensedimentation in die Flockeneindickung.
  • - Die Hydromechanik des MPE-Abscheiders gewährleistet einen hydrodynamisch ungestörte statische Eindickung.
  • - Die Hydromechanik des MPE-Abscheiders ist so ausgerichtet, dass die hydrodynamischen Scherkräfte an den Membranplattenoberflächen eine homogene Deckschichtenbildung begünstigt, die sich durch eine höhere Permeabilität und bessere Entfernbarkeit auszeichnet.
  • - Die Hydromechanik und der MPE-Abscheider sind abgestimmt auf Zonen unterschiedlicher Mechanismen der Partikelabscheidung. Dabei sind folgende Zonen zu unterscheiden:

    Zone I: Sedimentation und Cross-Flow-Filtration;

    Zone II: Cross-Flow-Filtration;

    Zone III: Dead-End-Filtration.
  • - Die Hydromechanik des MPE-Abscheiders begünstigt die Membranfiltration in-situ auftretender Konzentrat- und Rückspülwasserströme, indem hydrodynamische Scherkräfte in den Bereichen minimiert werden, in denen die partikelreichen Wässer filtriert werden, so dass inhomogene Deckschichten vermieden werden.

Die Hydromechanik der Membranfilterplatten kann durch folgende konstruktive Möglichkeiten bestimmt werden:

  • - höhenverstellbare Eintrittsöffnungen des von den Flockenstufen in das Sedimentationsbecken strömende Wasser. Dabei kann die Höhenverstellbarkeit durch spindelbetriebene Blenden- oder Doppelschütze realisiert werden.
  • - Membranfilterplattendichte und -dichteverteilung realisiert über den Membranfilterplattenabstand in den einzelnen Membranfilterplattenreihen.

Die Membranfilterplattendichten in den einzelnen Plattenmodulreihen sind grundsätzlich mit dem Einbau festgelegt und im Betrieb nicht mehr variabel. Die Festlegung erfolgt bei der rechnerischen Auslegung des Verfahrens unter Berücksichtigung festgelegter Randbedingungen.

Die höhenverstellbare Zuström- oder Eintrittsöffnung erlaubt eine Anpassung der hydrodynamischen Bedingungen für die Inbetriebnahme und für Optimierungen im laufenden Betrieb. Je nach Sedimentations- und Fouling-Verhalten der geflockten Füllstoffe kann eine

  • - reine Sedimentation/ Dead-End-Filtration,
  • - reine Cross-Flow-Filtration oder
  • - eine beliebige Kombination aus beiden Extremfällen realisiert werden.

Bei der reinen Sedimentation/Dead-End-Filtration, also einer Filtration, wobei keine erzwungene Anströmung der Membran erzeugt wird, wird der konvektive Zustrom in den MPE-Abscheider unter die Membranplatten gleitet, so dass nur der von der Membranfiltration induzierte Saugstrom als lokaler Aufstrom vorliegt. Die Membranfilterplattenmodule werden somit unterströmt und es findet unterhalb der Membranfilterplattenpakete eine beruhigte Sedimentation statt. Diese Betriebsweise empfiehlt sich bei kompakten, gut sedimentierbaren Flocken.

Bei der reinen Cross-Flow-Filtration wird der konvektive Zustrom in die Membranfilterplatteneinheit in Höhe der Membranfilterplattenpakete zugeführt, wodurch eine Zwangsführung der Strömung zwischen den Membranfilterplatten hindurch erreicht wird. Die bei der Membranfiltration an den Membranoberflächen abgeschiedenen Feststoffe werden teilweise durch ihre Schwerkraft entfernt, d. h. diese gleiten an den Plattenoberflächen ab und gelangen so in den Eindickerraum. Diese Betriebsweise empfiehlt sich bei schlecht sedimentierbaren, d. h. kleinen oder leichen Flocken bzw. bei unzureichend endstabilisierten und mäßig aggregierten Schwebstoffen.

In den meisten Fällen sind beide Flocken- und Schwebstoffkonsistenzen anzutreffen. In diesem Fall ist eine Intermediate-Stellung zu wählen, wodurch eine flexible Anpassung gegeben ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Wasseraufbereitungsanlage eignet sich insbesondere zur Aufbereitung von Oberflächenwasser. Auf Grund der erfindungsgemäßen Lehre kann ein farbloses und nahezu partikelfreies Wasser in einem einzigen integralen Aufbereitungsschritt gewonnen werden. Das so produzierte Wasser genügt in ästhetischer und in mikrobiologischer Hinsicht höchsten hygienischen Anforderungen der Trinkwasserversorgung. Für die industrielle Anwendung steht ein nahezu partikelfreies Prozesswasser für eine direkte Verwendung zur Verfügung. Das gewonnene Wasser kann aber auch als ideales Vorprodukt für die Reinst- oder Ultrareinstwassererzeugung dienen.

Durch die optimierte Flockung kann selbst Oberflächenwasser mit hohen Konzentrationen an Schwebstoffen und oder natürlichen Wasserinhaltsstoffen - sogenannte Humin- oder Gelbstoffe - direkt aufbereitet und der Membranfiltration zugeführt werden, ohne das instabile Betriebsverhältnisse bei der Membranfiltration durch Verblockung in Folge von Deckschichtbildungen auftreten. Durch die Membranfiltration wird eine absolute physikalische Barriere für im Wasser suspendierten Partikel erhalten, wobei alle Partikel mit Durchmessern bis zur Trenngrenze der verwendeten Membran mit sehr hoher Sicherheit separiert werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Wasseraufbereitungsanlage,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung von Membranfilterplatteneinheiten,

Fig. 3 einen Doppelschütz,

Fig. 4 ein Klappwehr und

Fig. 5 Module von Membranfilterplatten.

Der Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Wasseraufbereitungsanlage 10 insbesondere bestimmt für die Grund- und Oberflächenwasserbehandlung zur Trink- und Brauchwasseraufbereitung zu entnehmen. Die Anlage 10 umfaßt im Ausführungsbeispiel vier Flockungsstufen 12, 14, 16, 18 sowie ein Sedimentationsbecken 20. Über einen Zulauf 22 wird der ersten Flockungsstufe 12 zu behandelndes Wasser zugeführt. In die erste Flockungsstufe 12 mündet des Weiteren eine Leitung 24, über die Flockungsmittel aufgegeben wird.

Im Ausführungsbeispiel wird des Weiteren der dritten Flockungsstufe 16 über eine Leitung 26 ein Flockenhilfsmittel zugeleitet. Die letzte Flockungsstufe 18 selbst ist eine Flockenreifekammer, die über schlitzförmige und höhenverstellbare Zuströmöffnungen mit dem Sedimentationsbecken 20 verbunden ist, wobei sich die Zuströmöffnungen über die gesamte oder nahezu gesamte Breite des Sedimentationsbereiches 20 erstreckt.

Das Sedimentationsbecken 20 weist bodenseitig einen Eindickraum 28 auf, in dem ein Eindicker 30 drehbar angeordnet, um Schlamm einem Schlammtrichter 32 zuzuführen, aus dem über eine Leitung 34 Überschussschlamm abgezogen wird.

Für die Kontaktflockung erforderlicher hochreaktiver Kontaktschlamm wird aus definierter Höhe des Eindickraums 28 über eine Leitung 36 einer Flockungsstufe zugeführt, im Ausführungsbeispiel der Flockungsstufe 14.

Von dem Sedimentationsbecken 20 geht des Weiteren ein Saugrohr 38 aus, das mit Parmeatauslässen von Membranfilterplatten 40 verbunden ist, die ihrerseits in Reihen 42, 44, 46, 48, 50 angeordnet sind. Das Permeat weist dabei partikelfreies Wasser auf, so dass das über die Saugleitung 38 entnommene Wasser einer weiteren Behandlung zur Partikelentfernung nicht unterzogen werden darf.

Um die Membranfilterplatten 40 zu spülen, ist des weiteren eine Leitung 41 vorgesehen, über die Rückspülwasser in die Membranen (40) eingeleitet wird. Bei der Membranrückspülung abgelöste Deckschichten werden dabei in-situ entsorgt, da die Sedimentation und Eindickung innerhalb des selben Prozesses über den Überschussschlamm dem System entzogen werden können.

Wie aus der Prinzipdarstellung der Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Membranplatten 40 parallel zueinander und vertikal verlaufend angeordnet und sind außerdem parallel zur Strömungsrichtung des aus der Flockenreifekammer 18 strömenden Wassers ausgerichtet.

Die Membranplatten 40 sind zu Modulen zusammengesetzt, wobei die in den einzelnen Reihen 42, 44, 46, 48, 50 angeordneten Module in Bezug auf Plattenabstand derart zueinander ausgerichtet sind, dass sich unterschiedliche Mechanismen von Partikelabscheidungen ergeben. Dies soll an Hand der Fig. 2 verdeutlicht werden.

So sind in Fig. 2 insgesamt 5 Reihen 52, 54, 56, 58, 60 von Platten 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76 und 78, 80 angeordnet. Dabei weisen die Platten 62, 64, 66, 68 der ersten beiden Reihen 52, 54 (Zone I), die der Durchströmöffnung des Wassers, das in Richtung des Pfeils 82 strömt, nahe liegen, einen Abstand d1 auf, der > 30 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 20 mm und 40 mm liegt. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit einer Sedimentation bei gleichzeitiger Cross-Flow-Filtration.

Gleichzeitig bildet sich eine Kreuzströmung zwischen der Zuströmung des Wassers (Pfeil 82) und Massenstrom der sedimentierenden Flocken (Richtung in Zeichenebene hinein) aus, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass sich eine für die Membransituation unerwünschte Deckschichtbildung auf den Oberflächen der Membranfilterplatten 62, 64, 66, 68 unterdrückt wird.

In einer mittleren Zone II, die durch die Reihen 56, 58 repräsentiert wird, sind die Platten 70, 72, 74, 76 derart zueinander beabstandet, dass sich eine Überströmgeschwindigkeit v1, mit v1 ≥ 0,05 m/s, insbesondere im Bereich zwischen 0,03 m/s und 0,1 m/s ergibt.

Schließlich ist eine dritte Zone III vorgesehen, bei der die Membranplatten 78, 80 einen Abstand d2 mit insbesondere d2 ≥ 3 mm, vorzugsweise im Bereich 2 mm ≤ d2 ≤ 5 mm aufweisen. Durch diese Abstimmung der Membranplatten zueinander stellt sich in der Zone II eine Cross-Flow-Filtration und in der Zone III eine Dead-End-Filtration ein.

Die Hydromechanik der Membranfilterplatten 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80 kann auch dadurch beeinflusst werden, dass die Eintrittsöffnung des zu behandelnden Wassers verändert wird. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Eintrittsöffnung als spindelbetriebene Blende oder Doppelschütze ausgebildet ist. Andere Möglichkeiten sind gleichfalls möglich.

So ist z. B. in den Fig. 3 und 4 eine Ausschnitt einer das Sedimentationsbecken 20 gegenüber der vorgeschalteten Flockungsstufe 18 bzw. Flockenreifekammer trennenden Wand 84 mit Eintrittsöffnung 86 dargestellt, deren Querschnitt durch Doppelschütze 88 (Fig. 3) oder durch ein Klappwehr 90 (Fig. 4) im gewünschten Umfang einstellbar ist.

So besteht der Doppelschütz 88 aus zwei plattenförmigen Verschlusselementen 92, 94, die derart zueinander und höhenverstellbar sind, dass die Öffnung im gewünschten Umfang querschnittsmäßig verschließbar ist.

Bei dem Klappwehr 90 ist ein Verschlusselement 96 um eine Achse 98 verschwenkbar, um so das Verschlusselement 96 in eine gewünschte Stellung anheben und den Querschnitt der Öffnung 86 verändern zu können.

Durch die Einstellbarkeit der Eintrittsöffnung kann eine reine Sedimentation/Dead-End- Filtration, eine reine Cross-Flow-Filtration oder eine beliebige Kombination dieser realisiert werden. Bei der reinen Sedimentation/Dead-End-Filtration wird der konvektive Zustrom in die Reihen der Membranfilterplatten unter diesen geleitet, so dass nur der von der Membranfiltration induzierte Saugstrom als lokaler Aufstrom vorliegt. Die Membranplattenmodule werden somit unterströmt und unterhalb der Plattenpakete findet eine beruhigte Sedimentation statt.

Wird dagegen eine Cross-Flow-Filtration gewünscht, wird der konvektive Zustrom des Wassers in die Plattenreihen in Höhe dieser zugeführt, wodurch eine Zwangsführung der Strömung zwischen den Membranfilterplatten bewirkt wird.

Die bei der Membranfiltration an den Membranoberflächen abgeschiedene Feststoffe werden teilweise durch ihre Schwerkraft entfernt, d. h. sie gleiten bzw. rutschen an den Plattenoberflächen ab und gelangen so in den Eindickraum 28.

Der Fig. 5 sind rein prinzipiell zwei Membranfilterplattenmodule 100, 102 zu entnehmen, die zusammengeschaltet sind und eine Reihe 52, 54, 56, 58, 60 oder einen Abschnitt einer Reihe der Zonen I, II oder III bilden können. Die einzelnen Module 100, 102 weisen als Halterungen dienende Vierkantrohre 104, 106, 108, 110 auf, die mit den Permeatseiten der Membranfilterplatten verbunden sind. Die Vierkantrohre 104, 106, 108, 110 sind ihrerseits mit einem Saugrohr 112 verbunden, dass zu dem Saugrohranschluss 38 führt.

Bei den Membranfilterplatten kann es sich Ultrafiltrationsmembranen handeln, die folgende Eigenschaften aufweisen. Membranwerkstoff: Polyethersulfon Chlorbeständigkeit bis: 1000 ppm Gesamtbeständigkeit gegen Chlor: 200.000 ppm H2O2-Beständigkeit bis: 1000 ppm Gesamtbeständigkeit gegen H2O2: 200.000 ppmh Innerer Membrandurchmesser: ca. 0,8 mm Trenngrenze: 100.000 g/mol Trübung Permeat: < 0,02 FNU Membranplattengröße: H × B = ca. 1.000 mm × ca. 400 mm Membranplattendicke: ca. 3-4 mm Membranmodullänge: ca. 1.500 mm Material Gehäuse: PVC Membransystem: Kapillarrohrverbundplatte Innendurchmesser Einzelkapillare: ca. 0,8 mm-ca. 1,5 mm Material der Kapillaren: Polyethersulfon Trenngrenze (Molecular Weight Cut-Off): 100-150 kD Zulässiger Temperaturbereich: 0-40°C Zulässiger pH-Bereich (Betrieb): 3-10 Zulässiger pH-Bereich (Reinigung): 1-13 Transmembraner Druck (Filtration): 0,2-1 bar Transmembraner Druck (maximal) 2,5 bar maximaler Betriebsdruck: 5 bar Flächenbelastung (Filtration): 50-120 l/m2/h Flächenbelastung (Rückspülung): 200-300 l/m2/h

Des Weiteren ist zu der Prizipdarstellung der Fig. 1 anzumerken, dass von dem Sedimentationsbecken 20, und zwar im Zwischenraum zwischen der Stufe III der Membranfilterplatten und der Stirnwandung, eine Leitung ausgeht, die zu dem ersten Flotationsbecken 12 führt, um Überstandswasser abziehen zu können. Durch das Abziehen von Überstandswasser im Bereich der Dead-End-Zone aus dem Sedimentationsbecken 20 kann einer möglicherweise langfristig stattfindenden Anreicherung nicht sedimentierbarer Partikel entgegengewirkt werden. Das Überstandswasser aus der oberen Beckenzone der Dead-End- Filtration wird in den Zulauf der Anlage, also in das erste Flotationsbecken 12 rückgeführt, um die angereicherten Partikel einer Mehrkammerflockung zu unterziehen. Der Überstandswasserabzug erfolgt vorzugsweise zeitgetaktet oder prozesskontrolliert. Dabei sollte der Überstandswasserstrom kleiner als 1% vom Zulaufstrom sein.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Wasseraufbereitung, insbesondere von Grund- und Oberflächenwasser, durch in einer oder mehreren Flockungsstufen durchgeführten Flockung oder Kontaktflockung sowie in einer nachgeschalteten Sedimentationsstufe durchgeführten Flockenseparation und Flockenschlammeindickung, wobei das Wasser in der Sedimentationsstufe entlang von Plattenelementen strömt, dadurch gekennzeichnet, dass als Plattenelemente Membranfilterplatten verwendet werden, die derart zueinander und in Bezug auf Zuströmung des zu behandelnden Wassers und/oder Zuströmung des Wassers auf die Membranfilterplatten derart ausgerichtet werden, dass eine Sedimentation und Cross-Flow-Filtration und/oder eine Cross-Flow- Filtration und/oder eine Dead-End-Filtration oder eine Kombination dieser erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten derart ausgelegt werden, dass eine Mikro- oder Ultrafiltration erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten parallel zueinander vertikal verlaufend und parallel zur Strömungsrichtung des von vorgeordneter Flockungsstufe wie Flockenreifekammer in das Sedimentationsbecken strömenden Wassers angeordnet werden.
  4. 4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zuströmöffnung des zu behandelnden Wassers derart eingestellt wird, dass im gewünschten Umfang eine Cross-Flow-Filtration und/oder Dead-End-Filtration und/oder eine Sedimentation oder eine Kombination dieser erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Membranfilterplatten entnommenes Permeat unmittelbar als Trinkwasser verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten in Zonen derart zueinander angeordnet werden, dass sich in einer wasserzuflussnahen ersten Zone eine Cross-Flow-Filtration und ein Kreuzstrom zwischen zuströmendem Wasser und Massestrom sedimentierender Flocken ergibt.
  7. 7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten in Zonen derart angeordnet werden, dass sich einer mittleren zweiten Zone eine Cross-Flow-Filtration ergibt.
  8. 8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten in Zonen derart zueinander angeordnet werden, dass sich in einer wasserzuflussfernliegenden dritten Zone eine Dead-End-Filtration ergibt.
  9. 9. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sedimentationsbecken Überstandwasser entnommen und einer Flockungsstufe, insbesondere der ersten Flockungsstufe zugeführt wird.
  10. 10. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstandswasserabzug zeitgetaktet und/oder Prozesskontrolliert durchgeführt wird, wobei insbesondere Überstandwasserabzugsmenge ≤ 2%, vorzugsweise ≤ 1% von der Flockenstufe zufließendem Zustrom ist.
  11. 11. Wasseraufbereitungsanlage für insbesondere Grund- oder Oberflächenwasser, umfassend einen Wasserzulauf, eine oder mehrere Flockungsstufen sowie ein über eine mit dieser bzw. diesen über eine Wasserzuströmöffnung verbundenes Sedimentationsbecken mit im Bodenbereich verlaufendem Eindickraum, im Bodenbereich angeordnetem Eindicker, im Boden vorhandener Auslassöffnung zur Entnahme von Schlamm, wie zumindest einer Flockungsstufe zuführbarem Kontaktschlamm und Überschussschlamm, sowie einen Wasserauslauf, wobei in dem Sedimentationsbecken parallel zueinander verlaufende als Separator dienende Plattenelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenelemente Membranfilterplatten (40, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 78, 80) sind, deren Permeatauslass der Wasserauslass (38) ist.
  12. 12. Wasseraufbereitungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserauslass (38) als Saugrohr ausgebildet ist.
  13. 13. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten (40, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander, parallel oder im Wesentlichen parallel zur Zuströmungsrichtung (82) des in das Sedimentationsbecken (28) einströmenden Wassers und vertikal oder im Wesentlichen vertikal verlaufend angeordnet sind.
  14. 14. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten zu Behandlungsstufen bildenden Einheiten zusammengesetzt sind, wobei in einer wasserströmungsöffnungsnahen ersten Zone die Membranfilterplatten (62, 64, 66, 68) einen Plattenabstand d1 mit d1 ≥ 20 mm, insbesondere d1 ≥ 30 mm, vorzugsweise 20 mm ≤ d1 ≤ 40 mm aufweisen.
  15. 15. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten zu Wasserbehandlungsstufen bildenden Einheiten zusammengesetzt sind, wobei in einer mittleren zweiten Zone die Membranfilterplatten (70, 72, 74, 76) derart zueinander beabstandet sind, dass das Wasser diese mit einer Geschwindigkeit v mit v ≥ 0,03 m/s, insbesondere 0,05 m/s, vorzugsweise 0,03 m/s ≤ v ≤ 0,1 m/s überströmt.
  16. 16. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten zu Wasserbehandlungsstufen bildenden Einheiten zusammengesetzt sind, wobei in einer wasserströmungsöffnungsfernliegenden dritten Zone die Membranfilterplatten (78, 80) einen Abstand d2 mit d2 ≥ 2 mm, insbesondere d2 ≥ 3 mm, bevorzugterweise 2 mm ≤ d2 ≤ 5 mm aufweisen.
  17. 17. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dem Sedimentationsbecken (20) führende Wasserzuströmöffnung (86) höhenverstellbar ausgebildet ist.
  18. 18. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die höhenverstellbare Wasserzuströmöffnung (86) durch spindelbetriebene Blenden oder Doppelschütze (88) ausgebildet sind.
  19. 19. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfilterplatten (40, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80) in senkrecht zur Wasserzuströmrichtung (82) verlaufenden Reihen (42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60) angeordnet sind.
  20. 20. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Membranfilterplatten jeweils zu Modulen (100, 102) zusammengesetzt sind.
  21. 21. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass Querschnitt der Wasserzuströmöffnung (86) durch ein Klappwehr (90) einstellbar ist.
  22. 22. Wasseraufbereitungsanlage nach einem der Ansprüche 22 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuströmöffnung (86) sich über gesamte oder nahezu gesamte mit vorausgehendem Flotationsbecken gemeinsamer Wand (84) erstreckt.






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