DE19745333C2 - Verfahren zum Aufbereiten von Wasser durch Umkehrosmose oder Nanofiltration - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von Wasser, insbesondere zum Herstellen von Reinstwasser, z. B. für pharmazeutische Anwendungen, durch Umkehrosmose oder Nanofiltration, wobei das aufzubereitende Wasser einer ersten Osmose- oder Nanofiltrationsstufe zugeführt und dabei Permeat und Konzentrat gewonnen wird.

Umkehrosmose- bzw. Nanofiltrationsverfahren sowie Anlagen zu ihrer Durchführung sind seit langem bekannt. Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsanlagen bestehen im wesentlichen aus Membranmodulen, einer vorgeschalteten Druckpumpe, sowie Rohrleitungen, Ventilen und Druck- und Durchflußmeßgeräten. Die Membranmodule enthalten semipermeable Membranen, die für Wasser durchlässig sind, aber eine geringe Durchlässigkeit für Salze bzw. deren Ionen und sonstige Wasserinhaltsstoffe aufweisen. Über die Druckpumpe wird ein Betriebsdruck erzeugt, der wenigstens geringfügig höher sein muss als der osmotische Druck in der Lösung als Folge der sich einstellenden Partialdruckdifferenzen der durch die Membran zurückgehaltenen Ionen zuzüglich dem hydraulischen Widerstand der Membran. Die semipermeablen Membranen können in ansich bekannter Weise aus Flachmembranen, Wickelmembranen, Hohlfasermembranen, Kapillarmembranen oder Rohrmembranen gebildet sein.

Die aufzubereitende Lösung wird in der Osmose- oder Nanofiltrationsstufe in zwei Teilströme, Permeat und zurückgehaltenes Konzentrat, aufgeteilt. Die auf der Konzentratseite der Membran entlanggeführte Flüssigkeit wird aufkonzentriert während das durch die Membran permeierende Wasser entsalzt wird.

Das Verhältnis des Permeat-Volumenstroms zum eingangs in die Osmose- oder Nanofiltrationsstufe eingeleiteten Volumenstrom wird als WCF-Faktor (Water Conversion Factor) bezeichnet und ist folgendermaßen definiert

WCF = Permeatmenge/Einspeisemenge.100%.

Aus diesem WCF-Faktor ergibt sich die Aufkonzentrierungsrate CF auf der Konzentratseite nach CF = 100/(100 - WCF). Werden bei einer Anlage ein Volumenstrom in Höhe von beispielsweise 1,25 m³/h als Einspeisemenge zugeführt und wird hieraus 1 m³/h Permeat gewonnen, so beträgt der WCF-Faktor 80% und die Aufkonzentrierungsrate CF ist 5, was bedeutet, dass die Ionenkonzentration auf der Konzentratseite im Vergleich zur Konzentration des eingespeisten Rohwassers um den Faktor 5 erhöht wurde.

Die Höhe des WCF-Faktors, der ein Maß für die Menge des als Endprodukt nutzbaren Wassers (Permeat) zur Menge des zu verwerfenden Wassers (Konzentrat) darstellt, ist entscheidend für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Fouling- und Scalingeigenschaften des Rohwassers setzen jedoch eine Schranke für die Erhöhung des WCF-Faktors. Fäulniserscheinungen (Fouling) verursachen Membranbeläge, beispielsweise organischer Natur, welche den Strömungswiderstand der Membran derart erhöhen, dass der Prozeß unterbrochen und die Membran gereinigt werden muß. Aus diesem Grund wird eine Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe zumeist mit einer Vorbehandlung (Enthärtung, Entkarbonisierung, Säuredosierung, Inhibitordosierung) des flüssigen Mediums gefahren. Eine erste Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe wird vorzugsweise im sauren Bereich gehalten. Unter Scaling wird das Auftreten von Ausfällungen von Salzen verstanden, deren Löslichkeit durch die Aufkonzentrierung auf der Konzentratseite überschritten wird.

Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsverfahren werden üblicherweise so ausgeführt, dass der WCF-Faktor zwischen 50 und 80% liegt, und zwar abhängig von der Zusammensetzung des aufzubereitenden Wassers und einer Rohwasservorbehandlung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das bzw. die es erlaubt, bei der Umkehrosmose oder Nanofiltration den WCF-Faktor weiter zu steigern und somit die Wirtschaftlichkeit und die Umweltfreundlichkeit der Wasseraufbereitung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch dass die zweite Stufe intervallweise abgetrennt und in umgekehrter Richtung durchströmt wird, können Ausfällungen, welche die Funktionsfähigkeit der Membran beeinträchtigen können, durch die Rückspühlung der Membran entfernt werden.

Es hat sich gezeigt, dass eine Rückspühlung der Membran der zweiten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe während eines Zeitraums einiger Minuten die Funktionsfähigkeit des zweistufigen Prozesses für viele Stunden bishin zu Tagen gewährleistet.

Auf dem Gebiet der Brack- und Meerwasserentsalzung ist die Rückspülung der Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsmembranen als negativer Effekt, sogenannter "Suck-Back-Effekt" bekannt. Bei Wegnahme des Betriebsdrucks dieser Anlagen fließt infolge des osmotischen Drucks Wasser von der Permeatseite durch die Membran auf die Einspeise- Konzentratseite, um einen Konzentrationsausgleich zu erreichen. Dieser Suck-Back-Effekt ist umso stärker, je höher die Konzentrationsdifferenz ist.

Es hat sich nun mit der Erfindung überraschender Weise gezeigt, dass dieser Effekt in vorteilhafter Weise für eine Selbstreinigung der Membran in der vorstehend beschriebenen Weise genutzt werden kann.

Zum Rückspülen der zweiten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe wäre es denkbar, das Permeat dieser zweiten Stufe einem Behälter zuzuführen, welcher dann ein Reservoir für die Rückspülung dieser zweiten Stufe bildet.

Nach einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird das in der zweiten Osmose- oder Nanofiltrationsstufe gewonnene Permeat mit dem Permeat aus der ersten Stufe zusammengeführt, so dass bei der Rückspülung der zweiten Stufe diese vom Permeat der ersten Stufe in umgekehrter Richtung durchströmt werden kann. Es muß solchenfalls keine Rückspülflüssigkeit für die zweite Stufe gesammelt oder bereitgehalten werden. Da die Rückspülung der zweiten Osmose- oder Nanofiltrationsstufe nur verhältnismäßig wenig Zeit benötigt, ist die hierfür erforderliche Permeatmenge der ersten Stufe vernachlässigbar gering.

Die der Konzentratseite der ersten Stufe nachgeschaltete zweite Stufe kann gewolltermaßen mit einer derart hohen CF-Rate betrieben werden, dass die Ionenkonzentrationen auf der Konzentratseite derart steigen, dass Ausfällungen von Salzen an der Membran entstehen.

Durch den Wasserrückfluß von Permeat durch die Membran der zweiten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe tritt eine intensive Selbstreinigung auf. Dieser Vorgang läßt sich mit einfachen Mitteln derart Automatisieren, dass die Reinigung in bestimmten Zeitintervallen oder in Abhängigkeit anderer Parameter durchgeführt wird. Durch das intervallweise Rückspülen der zweiten Stufe können die Ausfällungen, insbesondere an der Membran beseitigt und verworfen werden, und die Kapazität der zweiten Stufe steht nach kurzer Zeit wieder zur Verfügung. Die zweite Membranstufe kann entsprechend dem Fouling- oder Scalingpotential mit unterschiedlichen spezifischen Durchflußraten ausgelegt werden, beispielsweise kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die zweite Stufe mit reduzierter spezifischer flächenbezogener Durchflußrate betrieben wird.

Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, die Membranstufen mit unterschiedlichen Modulen oder Membranen auszustatten.

Es kann sich des Weiteren als vorteilhaft erweisen, wenn die erste Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe mit einer Konzentratrückführung gefahren wird, d. h. wenn zumindest ein Teil des in der ersten Stufe anfallenden Konzentrats zur Zuführseite der ersten Stufe zurückgeführt wird.

Hierdurch kann die Effektivität der ersten Stufe erhöht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsanlage mit zwei Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufen ausgeführt, wobei die zweite Stufe der ersten Stufe konzentratseitig nachgeschaltet und durch eine Absperreinrichtung von dieser abtrennbar ist und das bei Abtrennen der zweiten Stufe von der ersten Stufe die zweite Stufe infolge des osmotischen Drucks in umgekehrter Richtung durchströmbar ist.

Der Begriff der Absperreinrichtung ist im weitesten Sinne zu verstehen. Es wäre z. B. auch denkbar, dass die Konzentratseite der ersten Stufe in ein Behältnis mündet, und dass die zweite Stufe beispielsweise über eine weitere Pumpe aus diesem Behältnis mit dem Konzentrat der ersten Stufe gespeist wird. Das Behältnis, die Pumpe sowie Drossel- und Ventilelemente bilden solchenfalls die Absperreinrichtung.

Für die Rückspülung der zweiten Stufe im abgetrennten Zustand von der ersten Stufe sollte ein bestimmtes Permeatreservoir zur Verfügung stehen, das beispielsweise nur durch Permeat der zweiten Stufe gebildet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Anlage ist die Permeatseite der zweiten Stufe aber mit der Permeatseite der ersten Stufe verbunden, so dass beim Abtrennen der zweiten Stufe die zweite Stufe vom Permeat der ersten Stufe durchströmbar ist. Solchenfalls kann der Aufwand für ein zusätzliches Reservoir eingespart werden, und es braucht nur eine verhältnismäßig einfache Verrohrung vorgesehen zu werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen sowie der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer Umkehrosmoseanlage und des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Zeichnung zeigt:

Die Figur, eine schematische Darstellung einer Umkehrosmoseanlage.

Die Figur zeigt eine Umkehrosmoseanlage mit einer ersten und einer zweiten Osmosestufe 2 bzw. 4. Aufzubereitendes Rohwasser wird über eine Pumpe 6 der ersten Umkehrosmosestufe 2, welche beispielsweise zwei parallel angeordnete Membranmodulen 8, 10 aufweist, zugeführt. Die Membranmodule 8, 10 sind in ansich bekannter Weise ausgeführt und brauchen daher nicht näher beschrieben zu werden. Ihre Membranen 12, 14 trennen die zulaufseitige Konzentratseite 16, 18 von der Permeatseite 20, 22. Die Permeatseiten 20, 22 münden in eine gemeinsame Permeatleitung 24. Die Konzentratseiten 16, 18 der ersten Umkehrosmosestufe 2 führen über eine Absperreinrichtung 26 zu der zweiten Osmosestufe 4, die wiederum eine Membran 28 aufweist, welche die zulaufseitige Konzentratseite 30 von der Permeatseite 32 trennt. Von der Permeatseite 32 führt eine Leitung 34 zu der permeatseitigen Leitung 24 der ersten Stufe 2. Die Konzentratseite 30 ist über eine Drosseleinrichtung 36 mit einem Abwassersammelbehälter 38 verbunden. Des weiteren ist eine Abzweigleitung 40 mit einer Drossel 42 vorgesehen, über welche bei geschlossenem Absperrventil 26 die Konzentratseiten 16, 18 der ersten Osmosestufe 2 einem Abwassersammelsystem 44 zugeführt wird. Ferner ist eine Konzentratrückführleitung 45 zur Zuführseite der ersten Stufe 2 vorgesehen.

Beim Betrieb beider Stufen 2, 4 der Umkehrosmoseanlage wird über die Leitung 24 Reinwasser hergestellt. Dadurch, dass die zweite Osmosestufe 4 konzentratzeitig der ersten Osmosestufe 2 nachgeschaltet ist, wird eine Erhöhung des WCF-Faktors gegenüber Permeat und Konzentrat der ersten Stufe 2 erreicht. Die erste Stufe 2 wird vorzugsweise bei einem derartigen WCF-Faktor "gefahren", dass es innerhalb der ersten Stufe nicht zu Ausfällungen von Salzen (Scaling) kommt. Ebenso wird vorzugsweise darauf geachtet, dass der PH-Wert im sauren Bereich liegt, so dass Fäulniserscheinungen (Fouling) weitestgehend vermieden werden können.

Demgegenüber kann die zweite Stufe 4 mit einer solchen CF- Rate betrieben, dass die Konzentrationen der Salze auf der Konzentratseite derart ansteigen, dass Ausfällungen von Salzen auftreten können. Die hierbei gebildeten störenden und die Funktionsfähigkeit der Membran 28 beeinträchtigenden Beläge werden durch Rückspülen der Membran 28 der zweiten Osmosestufe 4 wieder beseitigt. Hierfür wird die Absperreinrichtung 26 geschlossen. Infolge des osmotischen Drucks der Ionen zwischen der Konzentrat- und Permeatseite 30, 32 der zweiten Stufe 4 findet eine Rückspülung der Membran 28 statt, d. h. die Leitung 34 wird in umgekehrter Richtung (Pfeil 46) vom Permeat aus der ersten Osmosestufe 2 durchströmt. Hierdurch tritt eine Selbstreinigung der Membran 28 ein, und nach kurzer Zeit ist die zweite Osmosestufe 4 wieder einsatzbereit. Während der Rückspülung der zweiten Stufe 4 wird das Konzentrat über die Zweigleitung 40 mit der Drossel 42 in einen Behälter 44 abgeführt und anschließend verworfen. Es wäre aber auch denkbar, dass die Flüssigkeit bei anschließender Inbetriebnahme der zweiten Stufe 4 dieser wieder zugeführt wird. Schießlich wäre es auch denkbar, dass während der verhältnismäßig kurzen Zeit der Rückspülung der zweiten Stufe die Konzentratseiten 16, 18 der ersten Stufe 2 nicht weiter abgeleitet werden. Dies birgt jedoch die Gefahr, dass der WCF-Faktor bzw. die Aufkonzentrierungsrate CF in der ersten Stufe derart erhöht werden, dass dort ungewolltermaßen Ausfällungen auftreten.

Claims (7)

1. Verfahren zum Aufbereiten von Wasser, insbesondere zum Herstellen von Reinwasser, durch Umkehrosmose oder Nanofiltration, wobei das aufzubereitende Wasser einer ersten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (2) zugeführt und dabei Permeat (20, 22) und Konzentrat (16, 18) gewonnen wird und das Konzentrat (16, 18) der ersten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (2) ei­ ner zweiten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (4) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (2) bei einem WCF-Faktor (Water Conversion Factor) betrieben wird, bei dem Ausfällungserscheinungen von Salzen nicht auftreten, und dass bei Inbetriebhaltung der ersten Stufe (2) intervallweise die zweite Stufe (4) von der ersten abgetrennt wird und einer Membranrückspülung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in der zweiten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (2) gewonnene Permeat (34) mit dem Permeat (20, 22) aus der ersten Stufe (2) zusammengeführt wird, so dass die zweite Stufe (4) bei der Rückspülung vom Permeat (20, 22) der ersten Stufe (2) in umgekehrter Richtung durchströmt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (4) bei einem WCF-Faktor (Water Conversion Factor) von 40-80% betrieben wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (4) bei einem niedrigeren spezifischen Fluss als die erste Stufe (2) betrieben wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufen (2, 4) mit unterschiedlichen Membranen betrieben werden.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (4) bei einer solchen CF- Rate betrieben wird, dass durch die gestiegene Ionenkonzentrationen Ausfällungen von Salzen an der Membran entstehen.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Konzentrats der ersten Umkehrosmose- oder Nanofiltrationsstufe (4) zur Zuführseite der ersten Stufe (4) zurückgeführt wird.