AT408955B

AT408955B - Membranfilteranlage und verfahren zum filtern

Info

Publication number: AT408955B
Application number: AT0164000A
Authority: AT
Inventors: Robert Dipl Ing Vranitzky; Christoph Dipl Ing Stacher; Werner Dr Fuchs; Philipp Bauerhansl
Original assignee: Va Tech Wabag Gmbh
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2002-04-25
Also published as: CN1466482A; ATA16402000A; AU2001291835A1; WO2002026363A3; EP1322405A2; WO2002026363A2

Description


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   Die Erfindung betrifft eine Membranfilteranlage zum Filtern einer Suspension mit zumindest einem Behalter für die zu filternde Suspension, einer Vorrichtung zur Begasung der Suspension, einem in Strömungsrichtung durchströmten Membranfiltermodul, das in Strömungsrichtung nach der Vorrichtung zur Begasung angeordnet ist, einer Einrichtung zur Abfuhr des durch die Filterung gewonnen Permeats, sowie einer Einrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe, die die zu filtern- de Suspension durch die Membranfilteranlage fördert. 



   Weiters wird ein Verfahren zum Filtern einer Suspension in einer Membranfilteranlage bei dem die zu filternde Suspension durch ein Membranfiltermodul befördert wird und vor Eintritt in den Membranfiltermodul begast wird, sowie eine entsprechende Ausführung der Membranfilteranlage geoffenbart 
In einem Membranfiltrationsprozess ist zur Vermeidung von Deckschichtbildungen auf der Membranoberfläche eine turbulente Strömung an der Membranoberfläche erforderlich. Diese tur- bulente Stromung wird herkömmlicherweise durch einen hohen Energieeintrag mit Hilfe einer Umwälzpumpe, die das Wasser-Schlammgemisch (Suspension) durch das Membranfiltrationsmo- dul pumpt, realisiert.

   Würde man zusätzlich die Turbulenzen durch eine Begasung erhöhen, würde sich dies natürlich auf die Wirtschaftlichkeit einer solchen Membranfilteranlage auswirken, da dadurch der benötigte Energieeintrag verringert werden könnte. 



   Zu diesem Zweck wird im Membranfiltrationssystem eine Kombination von Cross-Flow Mem- branfiltration und Begasung der Biomasse angewendet. Das Prinzip basiert auf der Realisierung ausreichender Turbulenz entlang der Membranoberfläche, indem die zu filtrierende Suspension mit Gas vermischt wird. Die Suspension wird mittels einer Pumpe dem Filtrationsmodul zugefuhrt, wobei Gas kurz vor dem Eingang des Membranmoduls in die Suspension eingetragen wird 
Die NL-1006390 offenbart eine Membranfilteranlage, bei welcher Membranröhrchen senkrecht angeordnet sind und das durchstromende Medium vor dem Eintritt in den Membranmodul mit Luft versetzt wird.

   Die Verteilung des eingebrachten Gemisches aus Luft und zu filternden Medium erfolgt hier durch ein Verteilblech in dem für jedes einzelne Membranröhrchen eine Verteiloffnung vorgesehen ist, die mit dem zugehongen Membranröhrchen fluchtend angeordnet sein muss Um eine gleichmässige Verteilung der eingebrachten Luft uber den gesamten Querschnitt zu erreichen, werden die Löcher im Verteilblech speziell ausgeführt. Durch die Nutzung von Druckunterschieden wird dabei über den Querschnitt eine gleichmässige Verteilung von Luft und Suspension uber alle Membranröhrchen erreicht Da die Membranröhrchen und damit zwingenderweise auch die Locher im Verteilblech einen kleinen Durchmesser aufweisen, ist diese Ausführung für eine Verblockung des Verteilbleches und der Membranen anfällig. 



   Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Membranfilteranlage anzugeben. bei welcher die Nachteile bekannter Vorrichtungen vermieden werden, um einen uneingeschrankten Betrieb sowie eine optimale Filtrationsleistung und einen hohen Wirkungsgrad der Filteranlage gewährleisten zu können. 



   Die Membranfilteranlage ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Begasung als durchstrombare, verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit ausgebildet ist 
Zur Gewahrleistung einer gleichmässigen Verteilung von Gas und Suspension über alle Mem- branröhrchen wurde ein durchströmbares Schlauchbegasungsmodul entwickelt, der für eine opti- male Verteilung uber den   Stromungsrohrquerschnitt   sowohl des Gases als auch der Suspension sorgt,

   wodurch in jedem Membranröhrchen eine ausreichende und gleiche Turbulenz realisiert wird Darüber hinaus ist die Funktion des Schlauchbegasungsmoduls durch die verblockungssiche- re Ausführung ständig gewahrleistet Hierdurch wird eine gleichmässige Beaufschlagung der ge- samten Membranflache mit dem eingebrachten Gas gewährleistet Durch die dadurch entstehende stärkere Turbulenz in den Membranröhrchen reicht eine niedrigere Pumpleistung um die gleiche Filtrationsleistung wie bei Systemen ohne Begasung zu erreichen, was sich direkt in einem gerin- geren Energieverbrauch und dadurch in niedrigere Betriebskosten niederschlägt. 



   Als zusätzlichen Effekt kann durch das Einblasen der Luft in den Feedkanal (= ein die Suspen- sion zuführendes Strömungsrohr) aufgrund der feinen Bläschenform und der hohen Turbulenz in den Membranrohren eine Anreicherung der zu filtrierenden Suspension mit Sauerstoff erreicht werden, so könnte im Fall von Belebtschlamm ein Teil der fur die Kohlenstoff- bzw. Stickstoffat- mung ohnehin benötigte Sauerstoffmenge bereits durch die Filtration aufgebracht werden. 



   Zur einfacheren Wartbarkeit wird der Begasungsteil vorteilhaft durch einfache Klemmen, 

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 Schraubverbindungen oder über Flanschverbindungen befestigt, wodurch im eingebauten Zustand erstens ermöglicht wird, den Begasungsteil einfach zu tauschen und zweitens eine einfache Zu- gänglichkeit zum Membranmodul sichergestellt wird. 



   Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn die Stützrohre über den Quer- schnitt parallel und alle in einer Ebene angeordnet sind und entlang der suspensionsberührten Länge ein perforierter, elastischer Schlauch aufgezogen ist. Eine besonders günstige Strömungs- verteilung ergibt sich, wenn die Stützrohre über den Querschnitt symmetrisch angeordnet sind, da dann eine ganz besonders gute und regelmässige Begasung gewährleistet ist. 



   In einer weiteren Ausführungsform sind die Stützrohre in der Schlauchbegasungseinheit veran- kert. Werden die Verankerungen der Stützrohre in der Rohrwand ausserhalb des Rohres angeord- net, so unterstützt man zusätzlich noch die regelmässige Verteilung der Suspension und des Ga- ses, da dann durch die Verankerung keine unnötigen Strömungsverluste entstehen und keine unnötigen Turbulenzen in die Strömung der Suspension eingebracht werden. 



   In einer weiteren Ausführungsform sind die Stützrohre mit einer Öffnung versehen, durch die das Gas in den Raum zwischen Stützrohr und perforierten, elastischen Schlauch eindringen kann. 



  Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erhält man, wenn man die Öffnung ausserhalb der Wand der Schlauchbegasungseinheit anordnet, da dies die gleichmässige Blasenverteilung über den Querschnitt unterstützt. 



   Um zu verhindern, dass an den Befestigungsstellen des elastischen, perforierten Schlauches Gas aus den Stützrohren austreten und Wasser in die Stützrohre eindringen kann, werden die Schläuche vorteilhaft gasdicht und wasserdicht auf den Stützrohren befestigt. Ganz besonders ein- fach erreicht man dies, indem man die Schläuche durch Schlauchschellen an den Stützrohren befestigt. 



   Als vorteilhaft erweist sich, wenn man die Perforation nur entlang der Strecke zwischen den beiden Innenseiten der Wände der Schlauchbegasungseinheit vorsieht, da dadurch im Bereich der Verankerung der Stützrohre eine Totzone geschaffen wird, entlang der kein Gas austreten kann, wodurch die gleichmässige Blasenverteilung über den Querschnitt unterstützt wird. 



   Um zu verhindern, dass an den der Gaszufuhr abgewandten Verschlussstellen der Stützrohre Gas oder Wasser austreten kann, werden die Stützrohre vorteilhaft gasdicht und wasserdicht ver- schlossen. Ein besonders einfache Ausführungsform erhält man dazu, wenn man die Stützrohre durch gerade Einschraubverschraubungen verschliesst, wodurch die Stützrohre unter anderem einfach im eingebauten Zustand gewartet werden können. 



   Durch eine gemeinsame Verteilerdose reicht eine Vorrichtung zur Gaszufuhr aus, um alle Stützrohre über Zuleitungsschläuche gleichzeitig mit Gas zu versorgen. Eine besonders vorteilhaf- te Ausführung ergibt sich, wenn man als Gas Luft verwendet, da dann keine besonderen Vorkeh- rungen bezüglich Lagerung, Vorbereitung und Zusammensetzung des Gases getroffen werden müssen. 



   Um eine optimale Filtrationsleistung und einen hohen Wirkungsgrad der Filteranlage gewähr- leisten, ist auch das folgende Verfahren sowie die entsprechende Ausführung der Membranfilteran- lage geeignet. 



   Das Verfahren sieht vor, dass die Suspension so begast wird, dass der Druckunterschied Ap zwischen Eintritt und Austritt des Membranfiltermoduls, nach Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeitssäule der Suspension im Membranfiltermodul, gleich Null wird. Zur Ermitt- lung des Druckunterschieds   Ap   werden die Drücke am Eintritt und am Austritt des Membranfilter- moduls gemessenen. Dadurch ist es möglich, die Strömung in den Membranrohren so einzu- stellen, das ein idealer Druckverlauf in den Membranrohren erzielt wird, was sowohl die Wirkungs- grad als auch die Produktionssicherheit erhöht. 



   Denkbar ist auch, dass statt der Druckmessung die Viskosität der zu filternden Suspension in regelmässigen Abständen gemessen wird und die einzubringende Gasmenge mittels einer empi- risch erstellten Funktion in Abhängigkeit von Membranfiltermodulgeometrie, Filterkuchenaufbau bei unterschiedlichem Permeatmengen, und der gemessenen Viskosität an die jeweilige Überströmge- schwindigkeit angepasst wird. 



   Zur Reinigung des Membranfiltermoduls sind mehrere Verfahren mit unterschiedlichen Vorzü- gen möglich. Ein erstes sehr einfach durchführbares Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung des Membranfiltermoduls in periodischen Zeitabständen Permeat gegen die Produk- 

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 tionsrichtung durch die Membranoberfläche rückgespült wird. In Verbindung mit der Begasungs- einheit, kann ein weiteres sehr vorteilhaftes Reinigungsverfahren umgesetzt werden, indem zur Reinigung des Membranfiltermoduls zumindest ein getakteter Luftstoss in den Membranfiltermodul eingebracht wird und eventuell gleichzeitig bereits gewonnenes Permeat gegen die Produktions- richtung durch die Membranoberfläche rückgespült wird. Damit erreicht man eine ganz besonders gründliche Spülung der Membranrohre.

   Ein ebenfalls sehr gründliches Verfahren erhält man, wenn zur Reinigung des Membranfiltermoduls durch Anheben der   Überstromgeschwindigkeit   durch eine Rezirkulationspumpe oder durch Entspannen eines Druckkessels eine Druckwelle im Membranfil- termodul erzeugt wird und eventuell gleichzeitig bereits gewonnenes Permeat gegen die Produkti- onsnchtung durch die Membranoberfläche rückgespült wird 
Ganz besonders vorteilhaft lassen sich die Vorzüge der einzelnen Verfahren verbinden, indem zur Reinigung des Membranfiltermoduls eine Kombination verschiedener Reinigungsverfahren ver- wendet wird 
Das zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Membranfiltermodul ist so ausgebildet, dass zumindest eine Druckmesseinrichtung zur Messung des Druckunterschieds Ap zwischen Eintritt und Austritt des Membranfiltermoduls anordenbar ist,

   und dass die Druck-   messeinnchtung   mit einer Steuerung der Vorrichtung zur Begasung verbundenen ist. Dies wird etwa dadurch erreicht, dass das Membranfiltermodul in axialer Richtung in zumindest drei per- meatseitig abgedichtete Abschnitte, nämlich zumindest einen Filtrationsabschnitt und zumindest zwei Randabschnitte zur Druckmessung, geteilt ist und in jedem Randabschnitt zumindest eine Druckmesseinrichtung vorgesehen ist. 



   Eine einfache Aufteilung des Membranfiltermoduls erhält man, wenn zur Abteilung des Mem- branfiltermoduls Lochscheiben vorgesehen sind Dabei sind etwa zwischen den Abschnitten zwei übereinander angeordneten Lochscheiben angeordnet, deren Zwischenraum mit einem geeigneten Mittel, beispielsweise mit Kunstharz, ausgegossen ist. An den beiden Enden des Membranfilter- moduls ist je eine Lochscheibe vorgesehen und der Raum zwischen der Lochscheibe und der Stirnflache des Membranfiltermoduls ist mit einem geeigneten Mittel, beispielsweise mit Kunstharz, ausgegossen 
Fur die Wartung einer Membranfilteranlage ist es vorteilhaft an allen drei Abschnitten zumin- dest eine Einrichtung zum Entlüften, vorzugsweise ein Luftungsventil, vorzusehen 
Weitere Ausgestaltungen der Membranfilteranlage sind in den abhängigen Ansprüchen ange- geben.

   Besonders vorteilhaft lasst sich die Membranfilteranlage betreiben, wenn vor dem Eintritt in das Membranfiltermodul eine Begasungseinheit angeordnet ist, die als verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit ausgebildet ist 
Die Erfindung wird anhand der angeschlossenen Figuren 1 bis 5, die eine erfindungsgemasse Membranfilteranlage beispielhaft und schematisch darstellen, und der folgenden Beschreibungen erläutert.

   Es zeigen 
Fig. 1 ein Anlagenschema einer   erfindungsgemässen   Membranfilteranlage, 
Fig 2 einen Ausschnitt mit einem Membranfiltermodul und einer erfindungsgemässen Be-   gasungseinheit,   
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäss geteilten   Membranfiltermo-   duls, 
Fig 4 eine Draufsicht einer erfindungsgemassen   Begasungseinheit   und 
Fig 5a und 5b die entlang der Mittenebene teilweise geschnittene Aufsicht einer Bega-   sungseinheit,   sowie eine Vergrösserung der Verankerung des Stützrohres in der Wand der 
Begasungseinheit 
Laminare Stromungen zeigen nach Hagen-Poiseuille einen parabelförmigen Verlauf der Ge- schwindigkeit in Abhängigkeit vom Radius des Rohrs.

   An der Rohrwand, also der Membranober- fläche, bildet sich eine Grenzschicht aus, innerhalb der die Stromungsgeschwindigkeit von v = 0 auf den vollen Wert ansteigt. Dadurch kann der Aufbau eines Filtrationskuchens an der Membran- oberfläche nicht wirksam unterbunden werden. Fur Newtonsche Substanzen gilt, dass die Stro- mung dann turbulent ist wenn die Reynoldszahl Re > Reknt wird. Die   Überströmungsgeschwin-   digkeit v muss daher je nach rohrriebugszeh und kinematischer Zähigkeit v einen gewissen Wert übersteigen. In der traditionellen tubulären Filtrationstechnik wurden daher Uberströmungs- geschwindigkeiten von drei bis zehn Metern pro Sekunde angewandt 

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In Membranrohren 20 kommt es beim Durchtritt der Suspension durch die Membranrohre 20 aufgrund der inneren Reibungskraft zu einem Druckverlust.

   Bei laminarer Strömung ist dieser für Newtonsche Substanzen nach dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz zu berechnen. Es treten da- durch am Eintritt der Membranrohre 20 höhere Drücke als am Austritt auf. Die treibende Kraft einer Filtration ist der Differenzdruck zwischen Feedseite 32 und Permeatseite 33. Dieser als Trans- membrandruck bezeichnete Druck ist durch dieses physikalische Phänomen am Eintritt in das Membranrohr 20 grösser als am Austritt. Dadurch resultiert am Eintritt 32 in das Membranrohr 20 ein stärkerer Filtrationsvorgang als am Austritt 33, wodurch die Membran ungleichmässig bean- sprucht wird. Bei gewissen Betriebszuständen kann dies bis zu Kreislaufströmen innerhalb des Membranfiltermoduls 11führen.

   Ein Teil des am Eintritt 32 des Membranfiltermoduls 11produzier- ten Permeats 50 wird durch die ungleiche Transmembrandruckverteilung im Membranfiltermoduls 11 am Austrittbereich 33 wieder rückgespült. Dies ist ökonomische höchst unrentabel und führt weiters zu übermässiger Membranbelastung im Eintrittsbereich 32. Daraus resultierende Probleme sind Permeabilitätsverlust der Membran bzw. Verblockungen der Membranrohre 20 durch übermä- &num;igen Filterkuchenaufbau. Kreislaufströme treten beispielsweise bei geringer Permeatproduktion über eine Membran mit guter Permeabilität auf. Oder im Fall eines Produktionsstopps bei gleichzei- tiger Feedüberströmung, welcher in der Crossflow-Filtrationstechnik zum Abtragen des Filtrations- kuchens verwendet werden kann. Diese Filtrationstechnik bzw.

   Reinigungstechnik ist aufgrund des Kreistaufstromes daher ineffizient oder gar kontraproduktiv. 



   Unterbricht man die Grenzschicht einer laminaren Strömung durch eine Begasung der zu filtrie- renden Suspension 40 kurzfristig, wirkt sich dies auf die Wirtschaftlichkeit einer solchen Membran- filteranlage vorteilhaft aus, da dadurch keine hohen Überströmungsgeschwindigkeiten benötigt werden und der benötigte Energieeintrag zum Erreichen der Überströmung verringert werden kann. Beim Durchwandern des Membranrohres 20 verdrängen die Gasblasen die Suspension 40 im Membranrohr 20. Bei bestimmten Verfahrensbedingungen, welche sich aus Überströmge- schwindigkeit, Umgebungsdruck, Viskosität und Membranrohrdurchmesser ergeben, füllen die Gasblasen den gesamten Membranrohrdurchmesser aus.

   Sie werden durch die am Moduleintritt 32 eingepresste, zu filtrierende Suspension 40 durch des Membranrohr 20 geschoben und unter- brechen so den laminaren Fluss an der Membranoberfläche. 



   Vermindert diese Begasung in einem vertikal angeordneten Membranfiltermodul 11das hydro- statische Gewicht der zu filtrierenden Fluidsäule dermassen, dass exakt der durch den Reibungswi- derstand im Membranfiltermodul 11entstehende Druckverlust Ap kompensiert wird, so wird eine gleichmässige Filtration über die gesamte axiale Membranfläche möglich. Weiters wird durch diese Begasung der Feeddruck vermindert, wodurch der benötigte Energieeintrag zur Aufrechterhaltung der Überströmung verringert wird (Air-Lift Effekt). Aus einem Zusammenspiel der oben beschrieben Effekte kann eine erfindungsgemässe Membranfilteranlage besonders wirtschaftlich betrieben werden. 



   Durch den Eintrag der Luft, einem Medium mit geringerer Dichte als die zu filtrierende Suspen- sion 40, wird das Gewicht der Fluidsäule im Membranfiltermodul 11reduziert. Dadurch kann der durch den Reibungsverlust verursachte Druckanstieg im Feedkanal kompensiert werden. Der Reibungsverlust ist nach Hagen-Poiseuille jedoch nur für Newtonsche Substanzen zu berechnen. 



  Für ein Dreiphasengemisch aus beispielsweise Belebtschlamm, Wasser und Luft ist dies nicht möglich. Der Reibungsverlust muss daher empirisch bestimmt werden. Er ist von Rohrdurchmes- ser d, Rohrlänge I, der Überstömungsgeschwindigkeit v und der Viskosität   @   des zu filtrierenden Medium abhängig. Bis auf die Rohrlänge sind alle übrigen Einflussfaktoren während des Filtrati- onsprozesses veränderbar, bzw. teilweise unbekannt. Der Rohrdurchmesser d verringert sich durch den Aufbau des Filterkuchens. Die Viskosität n ist abhängig von Temperatur, Konzentration und Zusammensetzung der Suspension. Im Fall von Belebtschlamm kommen noch Faktoren wie Schlammalter, -belastung, -atmung und andere Faktoren hinzu. 



   Für den Fall einer vollständigen Kompensation des Reibungsdruckes muss der Druckabfall im Modul kontinuierlich bekannt sein. Die eingeblasenen Luftmenge wird dann so variiert, dass der Reibungsverlust durch die Verringerung des hydrostatischen Gewichts so kompensiert wird, dass gerade kein Druckverlust innerhalb des Filtrationsmodul messbar ist. Dadurch wird ein gleichmässi- ger Transmembrandruck über die gesamte axiale Membranfiltermodullänge ermöglicht, und die gesamte Membranfläche kann für die Filtration herangezogen werden. 

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   In einer weniger aufwendigen Realisierung, kann auch auf empirisch ermittelte Wertepaare von Membranüberströmung und Luftmenge zurückgegriffen werden. Diese Funktion muss jedoch unterschiedliche Viskosität, Modulgeometrie oder Permeatproduktion berücksichtigen. Verände- rungen der besagten Einflussfaktoren müssen jedoch ständig durch Nachjustieren der eingeblasen Luftmenge berücksichtigt werden. 



   In Fig 1 ist ein beispielhaftes Anlagenschema einer erfindungsgemässen Membranfilteranlage dargestellt, die alle oben angeführten Effekte nutzt. 



   Die zu filternde Suspension 40 wird einem Behälter 41 entnommen und über eine Umwälz- pumpe 42 der Begasungseinheit 7 zugeführt. Zwischen Umwälzpumpe 42 und Begasungseinheit 7 ist eine Durchflussmesseinheit 11 angeordnet, die zur Ermittlung der Durchsatzmenge verwendet wird Auf Basis der gemessenen Durchsatzmenge wird mit der Umwälzpumpe 42 eine vorgegebe- ne Überstromung durch den Membranfiltermodul eingestellt. 



   Die Begasungseinheit 7 wird durch einen Kompressor 51 mit Luft versorgt, wobei die einge- brachte Luftmenge in Abhängigkeit des momentanen Druckunterschiedes Ap zwischen Eintritt 32 und Austntt 33 des Membranfiltermoduls 11 mittels einer Regelblende 52 eingestellt werden kann Die von der Regelblende 52 auf Ap = 0 eingestellte Luftmenge führt in dem Membranfiltermodul 11 zu ausgeglichenen Druckbedingungen, was eine gleichmässige Filtration über die gesamte axiale Membranoberfläche ermoglicht. Ist Ap > 0 so ist der Membranfiltermodul 11 unterkompensiert und es wird mehr Luft eingebracht 
Durch die Dichtedifferenz der beiden Medien wird das hydrostatische Gewicht der   Fluidsäule   erniedrigt und so der Reibungsdruckverlust ausgeglichen.

   Ist Ap < 0 so ist der Membranfiltermodul 11 überkompensiert und es wird die Luftzufuhr solange reduziert bis wiederum die Vorgabe Ap = 0 erreicht ist 
Im Membranfiltermodul 11 sind sowohl am Eintritt 32 als auch am Austritt 33 nicht am Filtrati- onsprozess teilnehmende Abschnitte 25, 26 zum Messen des aktuellen Druckes vorgesehen Zwischen diesen Randbereichen 25,26 befindet sich der Filtrationsabschnitt 22 Das im Filtrati- onsabschnitt 22 gewonnene Permeat 30 wird über eine Abzugvornchtung 27 durch eine Saug- pumpe 45 und/oder einer Regelblende 46 abgezogen. Eine von dem Permeat 30 durchstromte, der Regelblende 46 nachgeschaltete, induktive Durchfulssemesseitung 47 dient zur Ermittlung der Durchsatzmenge.

   Mit dem solchermassen ermittelten Messwert und den Stellorganen 45 und 46 wird eine vorgegebene Permeatproduktion erreicht Aus dem Permeatpufferbehälter 48 wird über- schüssig produziertes Permeat 30 ausgangsseitig abgeleitet Im Permeatpufferbehalter 48 befindet sich eine Rückspulpumpe 49, weiche bei Bedarf Permeat 30 gegen die Produktionsrichtung zu- ruckpresst Dabei dient erneut die Druchfulssmessemechtung 47 zur Ermittlung der Durchsatz- menge 
Das gefilterte Konzentrat wird im Anschluss an den Membranfiltermodul 11 wieder zum Behal- ter 41 zuruckgeführt 
In Fig.

   2 zeigen die Pfeile die Stromungsrichtung der Suspension 40 am Eintritt 32 und Austritt 33 des Membranfiltermoduls 11 in der Membranfilteranlage an Hierbei gelangt die Suspension 40 durch ein erstes Stromungsrohr 8 in den Begasungsmodul 7, wo die Suspension 40 mit dem über die Verteilerdose 2 zugeführten Gas begast wird Nach der Begasung gelangt das Suspensions- Gasgemisch in den Membranfiltermodul 11 und das gefilterte Konzentrat wird anschliessend uber ein zweites Strömungsrohr 8 abgefuhrt 
Der Membranfiltermodul 11 nach einer moglichen Ausfuhrungsvanante, wie in Fig. 3 darge- stellt, zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Vielzahl parallel angeordneter Membranrohre 20 aufweist, die zu einem kompakten Membranfiltermodul 11 gebundelt werden.

   Der Membranfilter- modul 11 wird mittels Schraubgewinden 31 am Eintritt 32 und Austritt 33 in den Umwälzkreislauf eingefügt Selbstverständlich sind hier auch alle anderen Möglichkeiten zum Einfügen des Mem- branfiltermodul 11 in den Umwälzkreislauf, wie zum Beispiel eine Klemmenverbindung 10 oder eine Flanschverbindung 3, denkbar 
Im Membranfiltermodul 11 findet die Fest-Flüssig-Trennung der eingangs zugeführten Suspen- sion 40 in Permeat 30 und zuruckgeführtes Konzentrat statt Das durch die Membran filtrierte Permeat 30 wird im Permeatraum 21 gesammelt und kann über eine Permeatleitung 27 aus dem Membranfiltermodul 11abgezogen werden. Am oberen Ende des für die Filtration zur Verfügungen stehenden Permeatraumes 21 befindet sich ein Ventil 29 mittels dessen eine Entlüftung des 

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 Permeatraumes 21 erfolgen kann. 



   Die Membranrohre 20 sind durch Lochscheiben 23 einerseits in fixe Position gewiesen und an- dererseits durch das Ausgiessen der Räume zwischen den Scheiben mit Kunstharz 24 in drei Abschnitte, einem Filtrationsabschnitt 22 und zwei Randabschnitte 25 und 26, geteilt. In gleicher Weise ist auch die Einlass- und Auslassöffnung des Moduls mit Kunstharz 24 verschlossen. Da- durch entstehen über die Längsachse des Membranfiltermoduls 11 drei voneinander unabhängige, vollkommen dichte Abschnitte 22,25 und 26, welche nur über die Membranrohre 20 über die Membran miteinander verbunden sind. Da nur der mittlere Filtrationsabschnitt 22 einen Permea- tabzug 27 besitzt, stellt sich in den übrigen beiden Randabschnitten 25 und 26 der im Membranfil- termodul 11 herrschende Druck ein.

   Dieser wird mit Drucksensoren 28 gemessen und dient zur Bestimmung des Druckverlusts Ap welcher sich aufgrund des Reibungswiderstandes der Suspen- sion 40 beim Durchtritt durch die Membranrohre 20 ergibt. In den Randabschnitten 25 und 26 befinden sich wie auch im Filtrationsabschnitt 22 Ventile 29 zur Entlüftung. 



   Die Beschreibung des Membranfiltermoduls 11ist lediglich beispielhaft und nicht einschrän- kend. Insbesondere sind natürlich auch noch andere Methoden zur Aufteilung des Membranfilter- moduls 11in Abschnitte denkbar und in dieser Beschreibung umfasst. 



   Steht ein dermassen ausgeführtes Filtrationsmodul zur Druckmessung nicht zur Verfügung, muss in periodischen Abständen die Viskosität der zu filtrierenden Suspension 40 festgestellt werden und mittels einer empirisch erstellten Funktion, welche Modulgeometrie, Filterkuchenauf- bau bei unterschiedlichem Permeatflux, und Viskosität berücksichtigt die einzubringende Luftmen- ge an die jeweilige Überströmgeschwindigkeit angepasst werden. 



   Der Begasungsmodul 7 nach einer möglichen Ausführungsvariante, wie in Fig. 4, Fig. 5a und Fig. 5b dargestellt, zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Vielzahl paralleler, in einer Ebene, symmetrisch angeordnete Stützrohre 5 aufweist, über die entlang der suspensionsberührten Län- ge, also der Länge zwischen den Rohrwänden des Begasungsmoduls 7, elastische, perforierte Schläuche 16 aufgezogen und durch Schlauchschellen 13 an den Stützrohren befestigt sind. Wird jetzt Gas unter einem Überdruck über die Gaszufuhr 1, der Verteilerdose 2 und den Verteiler- schläuchen 4 in das Stützrohr 5 eingebracht, so tritt das Gas durch eine Öffnung 14 im Stützrohr 5 in den Raum zwischen Stützrohr und elastischem, perforierten Schlauch 16 ein, wodurch sich der Schlauch 16 ausdehnt und das Gas aus den sich öffnenden Perforationen austritt.

   Wird die Gaszu- fuhr unterbrochen, legt sich der Schlauch 16 sofort wieder an das Stützrohr an, womit die Perfora- tionen wieder geschlossen sind. Durch diesen Mechanismus wird verhindert, dass sich die feinen Perforationen durch Schmutz verblocken, wodurch die Begasungsfunktion gewährleistet bleibt. 



   Die Stützrohre 5 sind durch Verankerungen 6 im Begasungsmodul 7 verankert und an dem der Gaszufuhr abgewandten Ende durch gerade Einschraubverschraubungen 9 verschlossen. 



   Der Begasungsmodul ist entweder mittels einer Flanschverbindung 3, einer Klemmenverbin- dung 10 oder einer Schraubverbindung 31 direkt unterhalb des Membranfiltermoduls 11befestigt. 



   Zur Steigerung der Laufzeit und des Wirkungsgrades sind für das Filtrationsverfahren während des normalen Betriebes zweckmässigerweise verschiedene Reinigungsprozeduren vorgesehen. 



   Um einen wirkungsvollen Austrag des Filterkuchens aus den Membranrohren 20 zu gewährlei- sten kann in periodischen Zeitabständen die Permeatproduktion unterbunden werden. Der Trans- membrandruck ist in diesem Betriebszustand Null wodurch der Filterkuchen von der turbulenten Überströmung langsam von der Membranoberfläche abtragen wird. Ein Vorteil dieses Reinigungs- verfahrens ist der geringe Aufwand betreffend der Energiekosten und der Anlagenkomponenten. 



  Zusätzlich kann es als vorteilhaft angesehen werden, dass kein Permeat 30 für Spülzwecke verlo- ren geht. 



   Stellt die zu filtrierende Suspension 40 einen biologischen Schlamm dar, so tendieren in die- sem gewissen Gruppen von Mikroorganismen zur Ansiedlung auf den Membranoberflächen. 



  Mittels Schleimen findet eine Anbindung an die Membranoberflächen oder in die Membranporen statt. Diese Immobilisierung führt bei dem betreffenden Mikroorganismus zu einem Selektionsvor- teil. Durch den Verlust von freien Membranporen geht die Membranpermeabilität zurück. Zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Permeatfluxes muss dann der Transmembrandruck erhöht werden. Je länger die Kontaktzeit zwischen Mikroorganismus und Membranoberfläche, desto stär- ker findet sogenanntes biologische Fouling statt. Für einen störungsfreien Betrieb erweist es sich daher als zweckmässig, in periodischen Zeitabständen, Permeat 30 gegen die Produktionsrichtung 

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 durch die Membran zu pressen. Dadurch wird der Filterkuchen wirkungsvoll von der Membranober- fläche abgehoben und vom Rezirkulationsstrom aus den Membranrohren 20 ausgetragen.

Claims

Um den Betrieb der Vorrichtung an Durchsatzschwankungen anpassen zu können, ist vorge- sehen, dass eine in Abhängigkeit von der Menge der zugeführten, zu filtrierenden Suspension 40 reagierende Reinigungsprozedur vorgesehen ist. Im Falle einer massiven Beaufschlagung des Membranfiltermoduls 11 kommt es zu einer starken Anlagerung von Feststoffen auf der Membran- oberfläche.

Durch ungenügenden Austrag der Feststoffe aus den Membranröhren 20 kann es zu einer völligen Verschliessung derselben kommen Für einen störungsfreien Betrieb der erfindungs- gemässen Vorrichtung kann in einer Phase der Überproduktion die Überströmgeschwindigkeit in den Membranröhren 20 durch einen oder mehrere getaktete Luftstösse in die Eintrittsöffnung des Membranfiltermoduls 11 angehoben werden Dieser Luftstoss, und die damit verbundene Druckwel- le durch die Membranrohre 20, erweist sich als sehr effektiv um Verblockungen von Membranroh- ren 20 zu verhindern. Aufgrund des Druckanstieges im Membranfiltermodul 11 kommt es jedoch auch zu einer kurzfristigen Permeatfluxsteigerung.

Dadurch werden Feststoffe mit grossem Druck in die Membranporen verfrachtet, was sich langfristig negativ auf die Permeabilität auswirkt Mit besonderen Vorfeil wird das erfindungsgemässe Verfahren des Luftstosses daher nur bei gleichzeiti- gem Rückspülen von Permeat 30 durch die Membranoberfläche mittels der Rückspulpumpe 49 durchgeführt Der Filterkuchen wird dadurch gleichzeitig wirkungsvoll von der Membranoberflache abgehoben und durch den Luftstoss aus den Membranrohren 20 ausgetragen In einem weiteren Reinigungsverfahren kann im Falle einer massiven Beaufschlagung der Fil- tereinnchtung die Überstromgeschwindigkeit in den Membranrohren 20 durch Anheben der Über- stromgeschwindigkeit mittels Rezirkulationspumpe oder Entspannung eines Druckkessels angeho- ben werden.

Diese Anhebung der Uberströmung und die damit verbundene Druckwelle durch die Membranrohre 20 erweist sich ebenfalls als sehr effektiv um Verblockungen von Membranrohren 20 zu verhindern Mit besonderen Vorfeil wird das erfindungsgemasse Verfahren der kurzfristig gesteigerten Überstromgeschwindigkeit bei gleichzeitigem Ruckspülen von Permeat 30 durch die Membranoberflache mittels der Ruckspulpumpe 49 durchgeführt Fur einen sehr wirkungsvollen Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung kann in Phasen der massiven Uberbeanspruchung der Filtrationseinheit der Luftstoss gleichzeitig mit der Anhebung der Überstromgeschwindigkeit durch eine Druckwelle, bzw durch eine beliebige andere Kombination von Reinigungsverfahren, durchgeführt werden PATENTANSPRÜCHE: 1.

Membranfilteranlage zum Filtern einer Suspension mit zumindest einem Behälter (41) fur die zu filternde Suspension, einer Vorrichtung zur Begasung (7) der Suspension, einem in Stromungsnchtung durchströmten Membranfiltermodul (11), das in Stromungsrichtung nach der Vorrichtung zur Begasung (7) angeordnet ist, einer Einrichtung zur Abfuhr des durch die Filterung gewonnen Permeats (30), sowie einer Einrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe (42), die die zu filternde Suspension durch die Membranfilteranlage fördert, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Begasung (7) als durchstrombare, verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit (7) ausgebildet ist
2 Membranfilteranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlauchbe- gasungseinheit (7) in Strömungsrichtung unmittelbar vor dem Membranfiltermodul (11) an- geordnet ist,

die dem Membranfiltermodul (11) zugewandte Seite der Schlauchbegasungs- einheit (7) uber eine losbare Verbindung (3,10, 31) am Membranfiltermodul (11) befestigt ist und die dem Membranfiltermodul (11) abgewandte Seite der Schlauchbegasungseinheit (7) mittels losbarer Verbindung (3,10, 31) mit einem die Suspension zufuhrenden Stro- mungsrohr (8) verbunden ist
3 Membranfilteranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schlauch- begasungseinheit (7) mehrere, in einer Ebene parallel angeordnete Stützrohre (5) enthal- ten sind, über die entlang der suspensionsberührten Länge ein perforierter, elastischer Schlauch (16) aufgezogen ist.
4. Membranfilteranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) <Desc/Clms Page number 8> über den Querschnitt der Schlauchbegasungseinheit (7) symmetrisch angeordnet sind.
5. Membranfilteranlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) in der Schlauchbegasungseinheit (7) verankert sind.
6. Membranfilteranlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerun- gen (6) der Stützrohre (5) ausserhalb der Schlauchbegasungseinheit (7) angeordnet sind.
7. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) mit einer Öffnung (14) versehen sind, durch die das Gas in den Raum zwischen Stützrohr (5) und perforierten, elastischen Schlauch (16) einbringbar ist.
8. Membranfilteranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (14) unmittelbar ausserhalb der Wand der Schlauchbegasungseinheit (7) angeordnet ist.
9. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierten, elastischen Schläuche (16) jeweils an den Enden der Stützrohre (5) gas- dicht und wasserdicht auf den Stützrohren (5) befestigt sind.
10. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierten, elastischen Schläuche (16) nur entlang der Strecke zwischen den beiden Innenseiten der Wände der Schlauchbegasungseinheit (7) perforiert sind.
11. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) an ihren der Gaszufuhr abgewandten Enden wasserdicht und gasdicht verschlossen sind.
12. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre durch eine gemeinsame Verteilerdose (2) und Zuleitungsschläuche (4) durch einen Kompressor (51) mit Gas, insbesondere Luft, versorgt sind.
13. Verfahren zum Filtern einer Suspension (40) in einer Membranfilteranlage, bei dem die zu filternde Suspension (40) durch ein Membranfiltermodul (11) befördert wird und vor Eintritt in den Membranfiltermodul (11) begast wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension (40) so begast wird, dass der Druckunterschied Ap zwischen Eintritt (32) und Austritt (33) des Membranfiltermoduls (11), nach Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeitssäule der Suspension (40) im Membranfiltermodul (11), gleich Null wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Druck- unterschieds Ap die Drücke am Eintritt (32) und am Austritt (33) des Membranfiltermoduls (11) gemessenen werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung des Membranfiltermoduls (11) in periodischen Zeitabständen die Permeatproduktion unterbun- den wird und somit der Filterkuchen von der turbulenten Überströmung von der Membran- oberfläche abgetragen wird.
16. Membranfilteranlage zum Filtern einer Suspension mit zumindest einem Behälter (41) für die zu filternde Suspension (40), einer Vorrichtung zur Begasung (7) der Suspension (40), einem in Strömungsrichtung durchströmten Membranfiltermodul (11), das in Strömungs- richtung nach der Vorrichtung zur Begasung (7) angeordnet ist, einer Einrichtung zur Ab- fuhr des durch die Filterung gewonnen Permeats (30), sowie einer Einrichtung, vorzugs- weise eine Umwälzpumpe (42), die die zu filternde Suspension (40) durch die Membranfil- teranlage fördert, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfiltermodul (11) so ausge- bildet ist, dass zumindest eine Druckmesseinrichtung (28) zur Messung des Druckunter- schieds Ap zwischen Eintritt (32) und Austritt (33) des Membranfiltermoduls (11) anorden- bar ist, und dass die Druckmesseinnchtung (28)

mit einer Steuerung der Vorrichtung zur Begasung (7) verbundenen ist.
17. Membranfilteranlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfil- termodul (11) in axialer Richtung in zumindest drei permeatseitig abgedichtete Abschnitte (22,25, 26), nämlich zumindest einen Filtrationsabschnitt (22) und zumindest zwei Rand- abschnitte (25,26) zur Druckmessung, geteilt ist und in jedem Randabschnitt zumindest eine Druckmesseinnchtung (28) vorgesehen ist.
18. Membranfilteranlage nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ab- teilung des Membranfiltermoduls (11) Lochscheiben (23) vorgesehen sind.
19. Membranfilteranlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den <Desc/Clms Page number 9> Abschnitten zwei übereinander angeordneten Lochscheiben (23) angeordnet sind, deren Zwischenraum mit einem geeigneten Mittel (24), beispielsweise mit Kunstharz, ausgegos- sen ist
20. Membranfilteranlage nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Enden des Membranfiltermoduls (11) je eine Lochscheibe (23) vorgesehen ist und dass der Raum zwischen der Lochscheibe (23) und der Stirnfläche des Membranfiltermo- duls (11) mit einem geeigneten Mittel (24), beispielsweise mit Kunstharz, ausgegossen ist
21 Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass am Filtrationsabschnitt (22) des Membranfiltermoduls (11) eine Abzugvornchtung (27) zur Abfuhr des Permeats (30) vorgesehen ist.
22 Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an allen drei Abschnitten (21,25, 26) zumindest eine Einrichtung zum Entluften (29), vorzugsweise ein Luftungsventil, vorgesehen ist
23 Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Begasungseinheit als verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit (7) aus- gebildet ist.
24 Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere vor der Schlauchbegasungseinheit (7), eine Durchflussmesseinheit (44) für die zugeführte Suspension (40) angeordnet ist und in Abhängigkeit von der ge- messenen Durchflussmenge eine vorgegebene Überströmung im Membranfiltermodul (11) einstellbar ist.
25 Membranfilteranlage nach einem der Anspruche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gaszuführungseinrichtung der Schlauchbegasungseinheit (7) eine Regelblen- de (52) für zugefuhrtes Gas, vorzugsweise Luft, angeordnet ist, mit welcher in Abhängig- keit von den mit den Druckmesseinrichtungen (28) gemessenen Drucken die Menge des in den Membranfiltermodul (11) eingebrachten Gases so einstellbar ist, dass sich die Druck- differenz zwischen Druck am Eintritt (32) und am Austritt (33) zu Null ergibt, Ap = 0
26 Membranfilteranlage nach einem der Anspruche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung eine Ruckspulpumpe (49) angeordnet ist, mit welcher bereits gewon- nenes Permeat (30) uber die Membranoberflache in den Membranfiltermodul (11) rück- spulbar ist