CN116635133A - 在反向冲洗运行中监测超滤膜的完整性 - Google Patents

在反向冲洗运行中监测超滤膜的完整性 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在反向冲洗运行期间监测用于饮用水处理的超滤设备(1)的过滤模块(3a、3b、3c)中的超滤膜(6)的完整性的方法，在反向冲洗运行中，为了清洁膜(6)，将滤液引导至过滤模块(3a、3b、3c)的滤液侧(5b)，并且过滤模块(3a、3b、3c)的原水侧(5a)通过回流液管路(7、7a、7b、7c)与用于分离回流液的出口(40)连接。在此确定在一时间段(tM)内分离的回流液的体积(VR)并将该体积(VR)或由其计算出的值(VR_corr、QR、QR_corr、LP、LP_corr)与预期值(VO、QO、LO)进行比较，当所述体积(VR)或由其计算出的值(VR_corr、QR、QR_corr、LP、LP_corr)高于预期值(VO、QO、LO)时，认定完整性丧失。

Description

在反向冲洗运行中监测超滤膜的完整性
技术领域
本发明涉及一种用于在反向冲洗运行期间监测用于饮用水处理的超滤设备的过滤模块中的超滤膜的完整性的方法，在反向冲洗运行中为了清洁膜，将滤液引导至过滤模块的滤液侧，并且过滤模块的原水侧通过回流液管路与用于分离回流液的出口连接。此外，本发明涉及一种设置用于实施该方法的超滤设备。
背景技术
用于在具有并联工作的过滤模块的建筑物中供应饮用水的超滤设备本身是已知的。它们用于不能或不能持续地集中供应可饮用质量的水的地方。具有这种设备的建筑物尤其是住宅和多户住宅、酒店、医院、办公楼以及公共设施，其包括大量的水消耗器，如盥洗池、厕所、淋浴器、浴缸等并且因此在白天观察具有非常动态的用水量。在此游轮也可以理解为移动酒店意义上的建筑物。
超滤设备的过滤模块在原水侧具有用于供应原水的流入接口并且在滤液侧具有用于提供经过滤的水(下文中称为滤液)的流出接口。根据过滤模块的结构类型，一个或多个滤膜位于所述流入接口和流出接口之间，所述滤膜过滤出所供应的原水中的微生物和污物颗粒。因此，所述滤膜在空间上将原水侧与滤液侧分离。在下文中，无论模块中的滤膜的实际数量是多少，仅以单数形式提到“一个”滤膜，尽管也可以存在两个或多个滤膜。因此，滤膜在空间上将原水侧与滤液侧分离。随着时间的推移，颗粒和微生物越来越多地作为滤饼积聚在膜表面上，技术人员称之为“积垢”。由此，过滤效率逐渐降低并且需要清洁膜。这可以通过所谓的反向冲洗来进行，在反向冲洗时滤膜在与过滤运行相反的方向上、即从滤液侧向原水侧被穿流。为此将滤液引导至过滤模块的滤液侧，并且过滤模块的原水侧通过回流液管路与用于分离回流液的出口连接。因此，作为反向冲洗液体使用之前由超滤设备制备的滤液。
对于超滤设备的正常运行来说所述或所有滤膜必须完好，因为否则污物颗粒和微生物、如细菌到达滤液侧并且在那里污染设备直至消耗器。在此情况下，需要对管路和连接的液压部件进行高成本的清洁和必要时的消毒。当存在比膜的绝对孔径大的损坏部位例如孔洞、裂纹时，则膜的完整性不再存在。这种缺陷通过例如在打开或关闭消耗器阀时的剧烈压力波动产生，通过外部影响、例如不当运输时的机械冲击产生，通过膜的老化以及通过对膜表面的化学影响，例如通过进水中的杂质，添加消毒剂等产生。出于该原因，定期、通常是每天在超滤设备上进行所谓的完整性测试。
一些这样的测试例如在美国技术标准ASTM D6908-06(2017年)和美国环保署(EPA)的膜过滤指导手册(2005年11月)中被描述为过滤设备的完整性监测的组成部分。这种完整性监测在超滤(UF)和微滤(MF)的设备中主要用作压降测试并且在反渗透(RO)和纳米过滤(NF)中主要用作真空压降测试(Vakuumabfalltest)。
主要使用的完整性测试基于空气，因为湿的滤膜根据所使用的压力的大小不能渗透空气。在此可以将空气吸出，以产生真空，或者将空气作为压缩空气引入。这可以局部地、即有针对性地在一个特定的过滤模块中或整体地在整个或部分设备中、即在多个过滤模块中同时进行。此外，这可以要么从原水侧进行要么从滤液侧进行。然后检查或测量随着时间是否在膜上或过滤模块上有压降并且必要时测量该压降有多大，以便对完整性作出说明。在压降测试中使用的跨膜压力的大小决定了可检测缺陷的最小尺寸。因此，测试细菌(0.45μm)的保留(Rückhaltung)需要7bar的压力并且测试病毒(25nm)的保留需要120bar的测试压力。就机械稳定性而言，这些高压在具有例如最大允许的4bar跨膜压力的常规过滤模块中无法达到。因此，用于完整性测试的1bar的常规跨膜压力只够用于检测最小尺寸为3μm的缺陷。如果同时测试多个过滤模块，则空气通过完好的膜壁向介质水中的自然扩散和膜壁之外的微小泄漏降低了压降测量的灵敏度。
该方法的另一缺点在于在进行完整性测试时不可忽视的花费，因为所述一个或多个过滤模块在完整性测试之前必须被排空并且随后再被填充。此外，在完整性测试之后，一部分空气保留在过滤模块中并且降低了过滤效率。因此，必须借助额外的措施通过相应的排气去除空气。基于空气的测试方法的另一缺点在于在测试期间需要完全或部分中断过滤设备的运行。过滤设备因此不再提供饮用水或提供较少的饮用水，这根据设备的安装地点，例如酒店是不可接受的，或者只能在主消耗时间之外、即在夜间使用该方法。此外，一个附加缺点是用于实施该方法的技术耗费，因为设备必须配备有相应的管路、阀和无油的压缩空气供应装置、如压缩机。
一种非常灵敏的完整性监测方法是将分子或颗粒标记物(Marker)以定义的剂量注入原水中并检查这些标记物是否并且必要时以何种程度出现在滤液侧。标记物的分子或颗粒尺寸大于滤膜的标称孔径，因此标记物在膜完好的情况下不会到达或仅以最小的程度到达滤液侧。该方法的优点是它可以在过滤运行期间使用。但该方法需要额外的用于计量和注射标记物的设备花费以及滤液侧上的附加传感装置或后续的实验室分析，以证明标记物出现在滤液中。此外，标记物降低了过滤效率，因为它不穿过滤膜，而是有助于增加膜的积垢。此外，这种方法不允许用于饮用水，因为标记物可能会限制水的可饮用性(Genuβtauglichkeit)。
用于监测膜完整性的其它方法通过分析滤液水质量进行。这可以通过分析滤液中的颗粒数量和颗粒尺寸分布或分析浊度来进行。但这两种方法都需要很高的用于光学传感器和测量数据处理的技术花费。
此外，在进水质量保持不变的情况下，也可能通过膜的渗透率的增加检测显著的完整性缺陷。然而，进水质量的变化影响渗透率并且不能在过程中通过传感器连续地确定。为了确定渗透率，必须确定流量，这根据现有技术借助成本高昂的传感器来实现。然而，建筑工程中体积流量的强烈波动在长的响应时间之后才被许多已知的传感器检测到并且因此常常有错误。
在体积流量恒定且进水质量保持不变的应用中，代替渗透率，滤膜的跨膜压力(TMP)的下降可以对滤膜的完整性作出说明。
发明内容
在此背景下，本发明的任务是提供一种用于可靠地监测过滤模块中的超滤膜的完整性的简单方法，该方法可在不中断过滤运行的情况下应用并且只需简单的技术手段。此外，本发明的任务是提供一种用于实施该方法的相应的超滤设备。
该任务通过根据权利要求1的方法和根据权利要求14的超滤设备来解决。有利的扩展方案在相应从属权利要求中给出并在下面进行阐述。
根据本发明，在用于监测用于饮用水处理的超滤设备的过滤模块中的超滤膜的完整性的方法中规定：该方法在反向冲洗运行期间实施，在反向冲洗运行中，为了清洁膜，将滤液引导至过滤模块的滤液侧，并且过滤模块的原水侧通过回流液管路与用于分离回流液的出口连接。在此确定在一时间段内分离的回流液的体积并将该体积或由其计算出的值与预期值进行比较，当所述体积或由其计算出的值高于预期值时，则认定完整性丧失。因此，在确定的回流液体积与期望值之间进行比较，并且当回流液物体积大于期望值时，认定完整性丧失。
因此，本发明的核心思想一方面在于，在在超滤设备中本来就需要的反向冲洗运行期间进行完整性检查，从而不影响过滤运行。在本文中，反向冲洗运行应理解为这样的运行，在其中膜逆着过滤方向被穿流，即从滤液侧被加载。在此情况下，膜被干净的滤液穿流，从而可以在没有进水质量影响的情况下评估完整性。另一方面，为了确定完整性缺陷而评估分离的回流液体积。这可以借助简单的技术手段实现，例如借助回流液管路中的体积计、尤其是水表，从而既不需要昂贵、复杂的传感装置，也不需要用于分析测量数据的性能强大、昂贵的硬件和软件。
所述方法的另一优点在于可以精确地确定在哪个过滤模块中存在完整性缺陷，至少在仅对单个过滤模块进行反向冲洗时。如果多个过滤模块同时被反向冲洗，则可以通过随后单独地反向冲洗过滤模块来确定膜有缺陷的过滤模块。
确定回流液体积的时间段(在下文中也称为测量时间段)在一种实施变型方案中可以是对过滤模块进行反向冲洗的时间段的一部分。测量时间段因此短于反向冲洗时间并且可以可变地位于反向冲洗时间上。该测量时间段优选位于反向冲洗时间的末端，也就是说，测量时间段与反向冲洗运行的结束同时结束。这具有以下优点：体积确定变得更加精确，因为每时间单位的回流液体积的变化在该结束时间段中明显小于开始时，这是因为大部分污物已经在反向冲洗开始时与膜分离。应指出，反向冲洗时间是逆着过滤方向穿流膜的总时间。即使当从通过反向冲洗实现的清洁作用的角度看反向冲洗过程被视为已结束并且测量时间段可能延长到该结束之后(现在膜是干净的)，这在本发明的意义中仍然是位于反向冲洗时间的末端并且与反向冲洗运行的结束同时结束的测量时间段。
反向冲洗可以以任何方式触发，例如在特定的时间、以固定的时间间隔、在超过特定的跨膜压力时、在特定的渗透率时亦或手动触发。在用于触发反向冲洗的同时根据本发明的方法也开始。
用于反向冲洗的中断标准通常同样可以是任意的。根据一种变型方案，反向冲洗可以在固定的持续时间上进行。在此情况下，测量时间段也可以是固定的并且这样开始，使得它与反冲洗持续时间同时或更早地结束。这具有如下优点：不需要消耗额外的水体积来进行根据本发明的完整性测试。
作为替代方案，如果已经分离了特定的回流液体积或者跨膜压力下降到预定阈值以下，则可以结束反向冲洗过程。在此情况下，反向冲洗持续时间不是预先已知的。但测量时间段可以是固定的，在此测量时间段应及时开始，以便在反向冲洗运行结束之前及时结束。测量时间段例如可以在反向冲洗开始之后的几秒钟开始。作为替代方案，尽管反向冲洗可能会提早完成，但反向冲洗仍可以继续，直到测量时间段结束。固定的测量时间段是重要的，以确保确定的回流液体积与预期值的可比较性，因为预期值在工厂侧或在设备开始运转时被确定并存储在超滤设备的设备控制装置中。
在实践中，反向冲洗持续时间在5秒到4分钟之间。但考虑到与反向冲洗相关的水消耗，有利的是，反向冲洗持续时间应选择得尽可能短，例如小于60秒、尤其是在5秒和20秒之间，这相对短。如果只使用一部分反向冲洗持续时间作为测量时间段，则测量时间段相应地更短。但由于测量时间段越长，体积确定越不精确，所以在一种实施变型方案中测量时间段可以包括反向冲洗运行的整个持续时间。换句话说，确定在整个反向冲洗运行期间分离的回流液的体积。测量时间段因此与反向冲洗同时开始和结束。
在一种实施变型方案中，测量时间段可以在5和10秒之间。在此根据本发明的方法的特殊优点变得明显，因为该方法不需要体积流量传感器，而体积流量传感器的响应时间(迟缓性)本就如此之高，以至于在所述测量时间段内将不存在有效的测量值。
体积计可以具有脉冲发生器，在此情况下，对所述时间段期间的脉冲数量进行计数并乘以每脉冲的体积值，以获得所需的回流液体积。这种体积计的优点是它在技术上特别简单、可靠和便宜。此外，体积计的脉冲易于评估。
代替回流液体积，回流液体积流量和超滤膜的渗透率都适合用于监测完整性，更确切地说在膜的整个寿命期间应保持不变的膜的孔径和厚度。因此，在本发明的一种实施变型方案中，由所述体积计算出的值可以是测量时间段内的回流液体积流量或渗透率。优选在此确定平均回流液体积流量或平均渗透率，因为其计算特别简单。
平均回流液体积流量例如可以通过将确定的体积除以时间段或者说测量时间段来计算：
其中，VR是确定的回流液体积，tM是确定回流液体积的时间段(测量时间段)并且QR是平均回流液体积流量。
平均渗透率例如可以通过以下公式确定：
其中，作为上述说明的补充，LP是平均渗透率，Am是膜面积并且ΔpTMP是跨膜压力。
在反向冲洗运行期间，跨膜压力相应于反向冲洗压力，由于原水侧朝向大气开放，因此可以简化地认定反向冲洗压力为常数。跨膜压力/反向冲洗压力可以在工厂侧或在开始运转时例如借助减压器被设置为特定值、如4bar，它和膜面积一样可以存储在设备控制装置中，以便计算渗透率。
为了更深入的理解，下面的等式描述了通过理想半透膜的层流对流传质的物理关系，且不考虑排斥、渗透压、孔的复杂形态或通过积垢形成次级膜。完整性缺陷，即较大的孔r和/或较小的膜厚度δm，增加了膜的过滤速度v和渗透率LP。
1)用于通过膜的过滤速度v的哈根-泊肃叶(Hagen-Poiseuille)方程：
其中，作为上述说明的补充，v是过滤速度，r是孔半径，μ是待过滤流体的动态粘度并且δm是膜厚度。
2)根据Keder-Kabusky的膜的液压渗透率LP：
且JV＝∈·v
其中，作为上述说明的补充，JV是滤液体积流量(volumentrischeFiltratfluss)，∈是膜的孔隙率并且LP是渗透率。
3)用于计算通过膜的滤液流量JV和回流液体积流量QR的方程
因此，a)对于回流液体积VR适用：
b)对于回流液体积流量QR适用：
c)对于渗透率LP适用：
方程b)表明，反向冲洗时的平均体积流量可以通过回流液体积VR和测量时间tM来确定。在反向冲洗压力ΔpTMP恒定的情况下，体积流量QR随着膜变得干净在反向冲洗时间上增加。因此，平均值总是低于被干净的水穿流的干净的膜的期望值。
方程c)表明，反向冲洗时的平均渗透率可以通过膜面积Am、回流液体积VR、测量时间tM和跨膜压力ΔpTMP来确定。在反向冲洗压力ΔpTMP恒定的情况下，渗透率LP随着膜变得干净在反向冲洗时间上增加。因此，平均值总是低于被干净的水穿流的干净的膜的期望值。
适宜的是，期望值是凭经验确定的值。在回流液体积的情况下，期望值例如相应于在参考温度和定义的反向冲洗压力(反向冲洗参考压力)下用干净的水反向冲洗干净的过滤模块时可以达到的最大体积。如果在运行中测量到比期望值更高的体积，则可以认为是完整性缺陷。如果代替所述体积使用体积流量或渗透率来用于判断完整性，则期望值可以是以相应的方式在考虑到上述条件的情况下对于体积流量和渗透率得出的值。
从上述内容中清楚的是，期望值，更确切地说在反向冲洗时预期的回流液体积、在反向冲洗时预期的平均回流液体积流量和在反向冲洗结束时预期的平均渗透率与一定的认定(参考水温、反向冲洗参考压力)有关。由于预期值是判定阈值并且为了实施根据本发明的方法必须存储在超滤设备的设备控制装置中，因此如果所述认定在实践中不适用，则该方法不能提供可靠的结果。
在前述描述孔径r和膜厚度δm与回流液体积VR、回流液体积流量Q和渗透率LP的关系的方程中，反向冲洗压力和动态粘度在超滤设备的整个运行时间上具有不确定性或波动。例如预设的反向冲洗压力可能减小或全然与工厂侧认定的反向冲洗参考压力不同，例如基于减压器的故障或误调，使得反向冲洗时的实际跨膜压力ΔpTMP不相应于凭经验确定预期值时存在或认定的反向冲洗参考压力。此外，流体的动态粘度取决于其温度，该温度也可能与在凭经验确定期望值时存在的温度有偏差。
为了考虑反向冲洗压力的改变或误调并且因此改善根据本发明的完整性检查的准确性，在根据本发明的方法的一种扩展方案中，所述确定的体积或由其计算出的值可以是通过根据反向冲洗参考压力的标准化而获得的校正值，在此测量滤液侧的反向冲洗压力并在标准化时使用反向冲洗压力。因此，校正值可以是回流液体积、回流液体积流量或渗透率的标准化值。反向冲洗参考压力是(凭经验)确定期望值所基于的反向冲洗压力。
对于回流液体积、回流液体积流量或渗透率可以如下计算校正值：
其中，VR是确定的、在测量时间段中分离的回流液体积，
QR是计算的回流液体积流量，
LP是计算的渗透率，
VR_corr是体积的校正值，
QR_corr是体积流量的校正值，
LP_corr是渗透率的校正值，
ΔpTMP 0是在确定期望值时使用的跨膜压力并且
ΔpTMP 1是测量的当前跨膜压力。
由于在反向冲洗时回流液侧上的压力相应于大气压力，因此相应的跨膜压力ΔpTMP0、ΔpTMP1等于在滤液侧上测得的反向冲洗压力PSP或在确定期望值时使用的反向冲洗压力PSP0(反向冲洗参考压力)：
因此，通过将所述体积或体积流量乘以在确定期望值时使用的反向冲洗压力(反向冲洗参考压力)与在滤液侧上测量的反向冲洗压力的比值(压力比)得到用于体积或体积流量的校正值，并且将渗透率乘以在滤液侧上测量的反向冲洗压力与在确定期望值时使用的反向冲洗压力的比值(压力比)来计算用于渗透率的校正值。在确定期望值时使用的反向冲洗压力或者说反向冲洗参考压力例如可以是1bar。
如已经提到的，温度也是影响预期值的量，因为液体的动态粘度取决于它。可以通过如下方式考虑该关系，即，由所述体积计算出的值是校正值，在此确定回流液的温度并且在计算校正值使用温度。更确切地说，可以从回流液的温度计算出与温度相关的校正因子并且将所述体积或由其计算出的体积流量或渗透率的值乘以该校正因子，以便获得校正值。这通过以下等式来说明：
其中，作为上述说明的补充，μ1是流体的当前动态粘度，μ0是在确定期望值时流体的动态粘度并且KT是校正因子。
校正因子KT描述温度T和动态粘度μ之间的关系或者说动态粘度如何随着温度变化。例如校正因子KT可通过下述公式表示：
其中，TR是测量的当前回流液温度，T0是确定期望值所基于的参考温度。该参考温度例如可以是T0＝15℃。
在所有上述公式中，代替动态粘度μ，也可以使用运动粘度θ
两个量之间的关系如下：
其中，μ是动态粘度，θ是运动粘度，且ρ是密度。
在此必须附加地关于参考温度将密度标准化。对于密度ρ和温度TR的关系可以使用以下公式：
ρ(TR)＝ρB·(1-β·(TR-TB))
且β＝0,00031·(023+0,83·(TR/TB)0，06)
其中，作为上述说明的补充，ρ(TR)是在测量的温度TR下的密度，是在基础温度TB＝10℃下的密度。
在T0＝15℃的参考温度下，密度ρ0＝999，0kg/m3。
且
类似于上述公式，这也适用于体积流量QR和渗透率LP。
上述基于反向冲洗参考压力的标准化和关于温度的校正也可以累积地进行，其方式是，将确定的体积、由其计算出的体积流量或渗透率不仅与上述压力比PsP/PsP0或PsP0/PsP，而且与校正因子KT、Kρ相乘，然后再与相应的预期值进行比较。
有利的是，当超过期望值时，可以发出警告消息。这可以通过声学的、光学的或电子的警告信号实现。必要时也可以发送电子消息(SMS、电子邮件)。
本发明还涉及一种用于饮用水处理的超滤设备，包括至少一个具有超滤膜的过滤模块、原水流入部和滤液流出部，过滤模块位于所述原水流入部和滤液流出部之间，为了清洁膜，在反向冲洗运行中滤液可被引导至过滤模块的滤液侧，并且过滤模块的原水侧可通过回流液管路与用于分离回流液的出口连接。超滤设备还包括用于在反向冲洗运行期间监测超滤膜的完整性的监测单元，该监测单元设置用于实施上述方法。
监测单元可以是SPS(Speicherprogrammierbare Steuerung，可编程逻辑控制器)或微型计算机。
过滤模块可以具有一个、两个或更多滤膜，优选具有多个中空纤维膜。此外，超滤设备可以具有一个、两个或更多并联的过滤模块，其中一个或更多过滤模块产生滤液，该滤液直接被引导至一个或更多其它过滤模块。因此，可以对一个或多个过滤模块进行反向冲洗，而其它过滤模块继续提供经过滤的饮用水。优选过滤模块联接成组。因此，例如可以存在并联的两个、三个或更多组，每个组具有两个、三个或更多并联的过滤模块。设备的原水流入部同时是组或过滤模块的原水流入部。此外，设备的滤液流出部同时是组或过滤模块的滤液流出部。因此，滤膜、过滤模块或组总是位于原水流入部和滤液流出部之间。
下面借助实施例和附图阐述本发明的其它特征、优点、特性和效果。相同或等效的、尤其是功能相同的元件在附图中具有相同的附图标记。附图标记在附图之间保持其有效性。
不言而喻，在本说明书的范围中，术语“具有”、“包括”或“包含”不排除其它特征的存在。此外，对一个物体使用不定冠词并不排除其复数。
附图说明
附图如下：
图1示出根据本发明的超滤设备；
图2示出该方法的第一种实施变型方案的流程；
图3示出具有由温度引起的体积校正的方法的第二种实施变型方案的流程；
图4示出具有体积校正和标准化的方法的第三种实施变型方案的流程。
具体实施方式
图1示出使用三个并联的超滤模块3a、3b、3c的用于饮用水处理的超滤设备1。在另一种变型方案中，也可以仅存在一个超滤模块，或者可以存在两个或多于三个的并联的超滤模块。此外，这些超滤模块3a、3b、3c中的每一个都可以代表一个由两个或更多个并联的超滤模块形成的组。每个组可以理解为一个超滤单元。为了实现相同的过滤和反流冲洗特性，所有超滤单元优选具有相同数量的超滤模块3a、3b、3c。同一超滤单元的超滤模块可以在结构上组合在一个共同的支架(也称为Rack)中。根据滤液需求或待同时供应的消耗器，超滤设备1在一种实施变型方案中可以具有两个、三个或更多超滤单元或支架，它们彼此并联地液压连接。有意义的是，所有超滤模块3a、3b、3c结构相同。
超滤设备1由源20供给原水。该源20可以是本地供水方或本地储水器、如水箱或蓄水池。在此形成原水流入部的中央供应管路2将超滤模块3a、3b、3c与源20连接，在供应管路2中设置有增压装置21，以便在超滤设备1的输入侧提供例如10bar的输入压力Pzu。后者主要在高层建筑物和/或建筑物内长距离延伸的饮用水分配网络中是必要的，因为由可能的供应方提供的供应压力自身不足以确保在最高或最远的取水点或消耗器处有足够的流动压力、例如2bar。增压装置在此仅通过泵21象征性表示。
局部供应管路2a、2b、2c从中央供应管路2通向每个超滤模块3a、3b、3c，在每个局部供应管路中分别存在一个进水阀Za、Zb、Zc。局部供应管路2a、2b、2c分别终止于流入接口4au、4ao，所述流入接口通入相应超滤模块3a、3b、3c的原水侧5a中。代替两个流入接口4au、4ao，在另一种实施变型方案中也可以存在仅一个流入接口。原水侧5a通过至少一个超滤膜6与滤液侧5b分开，从滤液侧引出一个流出接口4bo。超滤模块3a、3b、3c从流出接口4bo通过相应的局部滤液管路8a、8b、8c与中央滤液管路8连接，该中央滤液管路通向消耗器40。滤液管路8因此形成滤液流出部。消耗器40例如可以是盥洗台配件、马桶、淋浴器、浴缸等。
在过滤运行中，超滤模块3a、3b、3c通过使原水穿过膜6并使原水中的颗粒保持附着在原水侧5a或膜6上而由原水产生滤液。渗透到滤液侧5b的水或滤液通过局部滤液管路8a、8b、8c被引导至中央滤液管路8，该中央滤液管路将滤液进一步引导至消耗器40。
为了分离附着在膜6表面上的颗粒，每个超滤模块3a、3b、3c可以独立于其它超滤模块3a、3b、3c在反流冲洗运行中运行，在反流冲洗运行中滤膜6被反向、即从滤液侧5b向原水侧5a穿流。为此所使用的滤液来自至少一个其它超滤模块3a、3b、3c。为了在反流冲洗运行中将穿过膜6的水从原水侧5a排出，每个超滤模块3a、3b、3c的原水侧5a通过一个局部回流液管路7a、7b、7c与中央回流液管路7连接，各一个回流液阀Ra、Rb、Rc位于局部回流液管路7a、7b、7c中，所述中央回流液管路通向自由出口40，在该出口处分离回流液。
确定在某一时刻哪个超滤模块应过滤以及哪个超滤模块应通过反流冲洗清洁通过调节进水阀Za、Zb、Zc和回流液阀Ra、Rb、Rc来进行，所述阀就每个超滤模块3a、3b、3c而言被反向操控。这意味着，分配给一个超滤模块3a、3b、3c的进水阀Za、Zb、Zc打开，而分配给其的回流液阀Ra、Rb、Rc关闭，反之亦然。根据图1中所示的运行状态的瞬间记录，两个第一超滤模块3b、3c提供滤液，而一个第二超滤模块3a(右侧)在当前被反向冲洗，滤液一方面用于消耗器30，但另一方面也用于反向冲洗第二超滤模块3a。两个第一超滤模块3b、3c因此处于过滤运行中，而第二超滤模块3a处于反向冲洗运行中。不同管路上和超滤模块3a、3b、3c内的箭头指示相应的流动方向。因此，阀状态如下：
如在图1中可见并在下文中作为惯例使用的那样，填充的阀符号表示关闭的阀并且未填充的阀符号表示打开的阀。
这种超滤设备1的优点在于，各个超滤模块3a、3b、3c的反向冲洗可以在超滤设备1的运行中进行，即在向消耗器30提供滤液期间进行，从而这些消耗器不会或至少不会受到很大影响。因此不停止或中断向消耗器30提供滤液。此外，根据本发明的超滤设备1不需要反向冲洗容器和反向冲洗泵，由此降低了其制造花费和成本。
图1中的根据本发明的超滤设备的一个特征在于：每个超滤模块3a、3b、3c不仅通过局部滤液管路8a、8b、8c，而且附加地通过与其并联的第二管路8'、8a'、8b'、8c'与中央滤液管路8连接。在此第二管路分别包括模块相关的第一区段8a'、8b'、8c'，这些第一区段合并为一个共同的第二区段8'，该第二区段随后通入中央滤液管路8中。换句话说，第二管路8'、8a'、8b'、8c'包括与滤液管路8连接的共同的区段8'和从其通向各个超滤模块3a、3b、3c的单个管路8a'、8b'、8c'。局部滤液管路8a、8b、8c用于在过滤运行中输出滤液，而第二管路8'、8a'、8b'、8c'设置用于在反向冲洗运行中输入滤液。因此，例如来自两个超滤模块3b、3c的滤液可以经由滤液侧5b的相应第二管路8'、8a'供应给第三超滤模块3a的滤液侧5b。这通过关闭通向第三超滤模块3a的进水阀Za并打开分配给第三超滤模块3a的回流液阀Ra来实现。滤液通过滤液侧5b上的另一接口4bu供应给第三超滤模块3a。
为了限制待反向冲洗的超滤模块3a、3b、3c上的压力并且因此保护相应的膜6，在第二管路8'、8a'、8b'、8c'的共同的区段8'中设置有减压元件、尤其是减压器10。
在该布置结构中需要在单个管路8a'、8b'、8c'中分别设置冲洗阀Sa、Sb、Sc，以便将提供滤液的超滤模块3b，3c的未经减压的滤液侧5b与待反向冲洗的超滤模块3a的滤液侧5b分开，因为否则将绕过减压元件10。冲洗阀Sa、Sb、Sc可以与进水阀Za、Zb、Zc、回流液阀Ra、Rb、Rc和/或滤液阀Fa、Fb、Fc相同地构造。在图1所示的实施变型方案中，冲洗阀Sa、Sb、Sc通过止回阀形成。这些止回阀这样设置在单个管路8a'、8b'、8c'中，使得其相应的输入侧与共同的区段8'连接并且其相应的输出侧与相应的超滤模块3a、3b、3c连接。
在一种实施变型方案中，进水阀Za、Zb、Zc和/或回流液阀Ra、Rb、Rc可以是受控的、尤其是可切换的(开/关)或可调节(0…100％)的调节阀，其例如被电气、电磁或气动地操作。调节阀例如是可操控的马达阀(Motorventile)。
根据本发明，滤液阀Fa、Fb、Fc通过止回阀形成。这具有如下优点，即不需要主动操控滤液阀Fa、Fb、Fc。此外，该实施方式利用了如下事实：局部滤液管路8a、8b、8c和第二管路8a'、8b'、8c'分别仅在一个方向上被穿流或者说仅允许在一个方向上被穿流，更确切地说，根据运行情况“过滤”或“反向冲洗”而被交替地被穿流。由于止回阀Fa、Fb、Fc基于其方向限制性仅允许在一个方向上的流动，因此它们特别适合于根据本发明的超滤设备1。在此它们这样设置在局部滤液管路8a、8b、8c中，使得其输入侧与相应的超滤模块3a、3b、3c连接并且其输出侧与中央滤液管路8连接。
如果从输入侧到输出侧施加在止回阀Fa、Fb、Fc上的压力高于一定的开启压力PRFV，则相应的止回阀Fa、Fb、Fc与体积流量无关地打开。该开启压力PRFV即使在最小的体积流量下也例如为大约0.3bar。由这个在专业领域中被视为缺点的特性却在本发明的范围内变成了优点，即止回阀Fa、Fb、Fc可以用作流动指示器。常规止回阀的开启压力高于简单且便宜的压力传感器的测量公差并且因此可以被可靠地识别，而最小体积流量却只能用特殊且昂贵的体积流量传感器来测量。但通过在超滤模块3a、3b、3c与中央滤液管路8之间使用止回阀Fa、Fb、Fc，就不需要检测体积流量来指示流动。更确切地说，由超滤模块3a、3b、3c和所属的止回阀Fa、Fb、Fc组成的串联管路上的压差可以对止回阀Fa、Fb、Fc的打开或不打开作出说明并且因此也可以对滤液的流动或不流动作出说明，即使在最小的体积流量下。这进而开启了识别超滤膜6是否以及何时受损或者说它是否已经丧失其完整性的可能性。
图1中的线的粗细表示相应输水管路上的压力，压力越大，则线就越粗。与之相反，虚线管路在所示运行情况下不输送水，因为相应的阀是关闭的。
在该实施变型方案中，超滤模块3a、3b、3c具有长形的、大致圆柱形的壳体。它们分别在原水侧5a和滤液侧5b之间具有多个中空纤维膜6，在该实施变型方案中，中空纤维膜的内部属于原水侧5a并且中空纤维膜6之外的空间区域属于滤液侧5b。这两侧5a、5b的每一侧都具有已经提到的两个接口，所述接口分别设置在壳体的相对置的轴向端部上。因此，在超滤模块3a、3b、3c的符合规定的垂直布置中，每个超滤模块3a、3b、3c具有分别朝向原水侧5a的下部流入接口4au和上部流入接口4ao以及分别朝向滤液侧5b的上部流出接口4bo和下部流入接口4bu。
超滤设备1还包括用于测量供应管路2中的输入压力Pzu的输入压力传感器11以及用于测量中央滤液管路8中的输出压力Pab的输出压力传感器12。此外，另一压力传感器14与第二管路8'、8a'、8b'、8c'的共同的区段8'连接，以便测量反向冲洗压力PSP。在中央回流液管路7中设置有体积计17，俗称水表或水计量器。体积计17为流过其的每个体积单位输出一个脉冲。此外，温度传感器18与第二管路8'、8a'、8b'、8c'的共同的区段8'连接，以便测量反向冲洗用的滤液的温度TR。
这些压力传感器11、12、14、体积计17和温度传感器18的测量信号被传输给设备控制装置9。该设备控制装置包括功能单元形式的评估单元13和监测单元16。评估单元13由体积计17的脉冲计算出在测量时间段内流过体积计17的回流液体积VR。此外，评估单元13可根据测量的温度TR校正确定的回流液体积VR并且根据反向冲洗压力PSP标准化回流液体积VR。接着将回流液体积VR或经校正和标准化的回流液体积VR_corr传输给监测单元16，该监测单元对其进行检查，以判断经反向冲洗的过滤模块3a的膜6是否已丧失完整性。这借助图2至4中的流程图来说明。
图2示出用于检查膜完整性的方法的第一种实施变型方案。按照本发明的方法在反向冲洗运行期间使用。因此，该方法在反向冲洗运行中开始，步骤S1。在图1所示的示例中，当前借助两个第一过滤模块3b、3c的滤液反向冲洗第二过滤模块3a。两个第一过滤模块的滤液因此通过局部第一滤液管路8b、8c流至中央滤液管路8，从那里经由减压器10流入第二管路8'、8a'、8b'、8c'的共同的区段8'中并且通过单个管路8a'和第二过滤模块3a的止回阀Sa流入第二过滤模块的滤液侧5b。在那里滤液穿过膜6流至原水侧5a，从原水侧滤液通过局部回流液管路7a和中央回流液管路7、回流液阀Ra并且通过体积计17被引导至出口40。
测量时间段tm——在其期间对体积计17的脉冲计数——相应于反向冲洗的持续时间，该持续时间以例如5至10秒是相对短的。测量时间段tm因此同样是已知的并且相应地是这5s至10s。因此，随着反向冲洗运行的开始，测量时间段tm也开始并且与其同时结束。对在测量时间段tm期间出现的脉冲进行计数并且将其数量与体积单位——对于该体积单位体积计17分别输出一个脉冲——相乘，以便确定在测量时间段tm期间分离的回流液体积VR。这在步骤S2中在评估单元13中进行。
随后，在步骤S5中在监测单元16中检查所确定的回流液体积VR是否大于特定的期望值V0。如果是这种情况，则在被反向冲洗的过滤模块3a中存在完整性丧失，步骤S6，并且输出缺陷通知，步骤S7。相反，如果所确定的回流液体积VR不大于期望值V0，则情况正常并且滤膜6完好。
在此可以这样选择期望值V0，使得其相应于在清水(浊度＜0.2NTU且淤泥密度指数SDI<1)的情况下在膜6完好且完全干净时在由减压器10规定的反向冲洗压力下在测量时间段tm期间流过中央回流液管路7的最大体积。因此，在膜6完好的情况下所确定的回流液体积VR始终低于期望值V0。但如果存在完整性缺陷，即过滤模块3a中的滤膜6或至少一个滤膜6破裂，则在测量时间段tm期间大得多的体积流过过滤模块3a或水表17。
图3示出用于检查膜完整性的方法的第二种实施变型方案，其与第一种变型方案的区别仅在于附加的步骤S3和S4。在步骤S3中，借助温度传感器18测量用于反向冲洗的滤液的温度TR并且在步骤S4中将其用于校正确定的回流液体积VR。这根据以下公式进行：
其中，VR是确定的回流液体积，VR_corr是回流液体积的校正值，KT是与T0＝15℃的参考温度相关的校正因子并且TR是测量的反向冲洗温度，即回流液的温度。
通过对确定的回流液体积VR进行与温度相关的校正来校正体积确定中的误差，该误差基于15℃的恒定平均温度或水的粘度的认定。但由于水的粘度与温度之间存在复杂的关系，所以实际温度与认定的15℃参考温度的显著偏差可能导致显著的误差。在第一种实施变型方案中，这种不确定性可以通过相应地选择期望值V0加以考虑，例如通过将期望值与在超滤设备的安装地点预期的原水温度相关，例如25℃，因此温度校正不是强制必需的。但温度校正改善了故障安全性和完整性丧失的识别准确性，因为在前述示例中在低温下不再发现完整性缺陷。
在步骤S5中，将校正值VR_corr与期望值V0进行比较。
图4示出用于检查膜完整性的方法的第三种实施变型方案，其与第二种变型方案的区别仅在于，在步骤S3中借助压力传感器14附加地测量反向冲洗压力PsP并且在步骤S4中将反向冲洗压力用于标准化回流液体积VR。由温度相关的校正和标准化得到的校正值根据以下公式来计算：
其中，设定的、确定期望值V0所基于的反向冲洗压力PSP0为1bar并且PSP是测量的反向冲洗压力。这种标准化考虑了这样的情况，即工厂侧认定的且通过减压器设定的反向冲洗压力在用户侧可能会改变或随着时间漂移。在此情况下步骤S5中的比较将是不符合实际情况的，因为期望值V0与反向冲洗参考压力PSP0相关。通过标准化避免了因用户侧或由漂移引起的反向冲洗压力PSP变化而导致错误地识别完整性丧失的风险。
在考虑在通过运动粘度计算时与温度相关的密度变化的情况下，可以对温度为15℃时测得的回流液体积VR进行如下校正：
应指出，上述描述仅作为示例用于说明目的并且不以任何方式限制本发明的范围。被说明为“可以”、“示例性”、“优选”、“可选的”、“理想的”、“有利的”、“必要时”或“适合的”的本发明的特征被视为纯粹可选的并且也不限制保护范围，所述保护范围仅通过权利要求限定。只要在上述说明中提到的元件、部件、方法步骤、数值或信息具有已知的、显而易见的或可预见的等同物，则这些等同物也包括在本发明中。本发明还包括对实施例的任何改变、改动或修改，这些改变、改动或修改涉及元件、部件、方法步骤、数值或信息的替换、增加、改变或省略，只要保持本发明的基本思想即可，不管该改变、改动或修改导致实施例的改进还是劣化。
尽管本发明的上述说明关于一种或多种具体实施例提到了多个物理、非物理或方法相关的特征，但这些特征也可以脱离具体实施例单独使用，至少在它们不要求其它特征强制存在的情况下。相反，关于一种或多种具体实施例提到的这些特征可以任意彼此组合并且可与实施例的示出或未示出的其它公开或未公开的特征组合，只要这些特征不相互排斥或导致技术上的不兼容。
附图标记列表
1 超滤设备
2 原水流入部，中央供应管路
2a、2b、2c局部供应管路
3超滤单元
3a、3b、3c超滤模块
4ao 上部流入接口
4au 下部流入接口
4bo 上部流出接口
4bu 下部流入接口
5a 原水侧
5b 滤液侧
6 滤膜
7 中央回流液管路
7a、7b、7c局部回流液管路
8滤液流出部，中央滤液管路
8a、8b、8c局部第一滤液管路，用于滤液输出的第一管路
8a'、8b'、8c'局部第二滤液管路，用于滤液输入的第二管路
8' 第二滤液管路的共同的区段
9 设备控制装置
10 减压元件
11 输入压力传感器
12 输出压力传感器
13 评估单元
14 反向冲洗压力传感器
15 公差带
16 监测单元
17 体积计
18 温度传感器
20 原水源
30 消耗器
40 自由出口
Za、Zb、Zc进水阀
Ra、Rb、Rc回流液阀
Fa、Fb、Fc滤液阀
Sa、Sb、Sc反向冲洗阀

Claims (14)

1.用于在反向冲洗运行期间监测用于饮用水处理的超滤设备(1)的过滤模块(3a、3b、3c)中的超滤膜(6)的完整性的方法，在反向冲洗运行中，为了清洁膜(6)，将滤液引导至过滤模块(3a、3b、3c)的滤液侧(5b)，并且过滤模块(3a、3b、3c)的原水侧(5a)通过回流液管路(7、7a、7b、7c)与用于分离回流液的出口(40)连接，其特征在于，确定在一时间段(tM)内分离的回流液的体积(VR)并将该体积(VR)或由该体积计算出的值(VR_corr、QR、QR_corr、LP、LP_corr)与预期值(VO、QO、LO)进行比较，其中，当所述体积(VR)或由所述体积计算出的值(VR_corr、QR、QR_corr、LP、LP_corr)高于预期值(VO、QO、LO)时，认定完整性丧失。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间段(tM)包括反向冲洗运行的整个持续时间并且确定在反向冲洗运行期间分离的回流液的体积(VR)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间段(tM)仅包括反向冲洗运行的持续时间的一部分并且位于反向冲洗运行的末端。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助回流液管路(7)中的体积计(17)确定所述体积(VR)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述体积计(17)具有脉冲发生器，并且对所述时间段期间的脉冲数量进行计数并乘以每脉冲的体积值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述体积(VR)计算出的值是在时间段(tM)中的平均回流液体积流量(QR)或膜(6)的平均渗透率(LP)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述体积(VR)计算出的值(VR_corr、QR、QR_corr、LP、LP_corr)是通过基于反向冲洗参考压力(PSP0)的标准化而获得的校正值(VR_corr、QR_corr、LP_corr)，其中，测量在滤液侧(5a)上的反向冲洗压力(PSP)并在标准化时使用所述反向冲洗压力。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过将所述体积(VR)或由所述体积计算出的体积流量(QR)乘以反向冲洗参考压力(PSP0)与在滤液侧上测量的反向冲洗压力(PSP)的比值或者通过将由所述体积(VR)计算出的膜(6)的渗透率(LP)乘以在滤液侧上测量的反向冲洗压力(PSP)与反向冲洗参考压力(PSP0)的比值来计算校正值(VR_corr、QR_corr、LP_corr)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述体积(VR)计算出的值是校正值(VR_corr、QR_corr、LP_corr)，其中，确定回流液的温度(TR)并在计算校正值(VR_corr、QR_corr、LP_corr)时使用所述回流液的温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述校正值(VR_corr、QR_corr、LP_corr)的计算如下进行：由回流液的温度(TR)计算至少一个与参考温度(T0)相关的校正因子(KT、Kρ)，将体积(VR)、由体积计算出的体积流量(QR)或由所述体积流量计算出的膜(6)的渗透率(LP)乘以所述校正因子。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述时间段(tM)在5秒至60秒之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，期望值相应于在参考温度(T0)和反向冲洗参考压力(PSP0)下用干净的水对干净的过滤模块进行反向冲洗时能达到的最大体积。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当超过所述期望值时，发出警告消息。
14.用于饮用水处理的超滤设备(1)，所述超滤设备包括至少一个具有超滤膜(6)的过滤模块(3a、3b、3c)、一个原水流入部(2)和一个滤液流出部(7)，所述过滤模块(3a、3b、3c)位于所述原水流入部(2)和滤液流出部(7)之间，为了清洁膜(6)，在反向冲洗运行中滤液能被引导至过滤模块(3a、3b、3c)的滤液侧(5b)，并且过滤模块(3a、3b、3c)的原水侧能通过回流液管路(7、7a、7b、7c)与用于分离回流液的出口(40)连接，其特征在于，设有用于在反向冲洗运行期间监测超滤膜(6)的完整性的监测单元(16)，该监测单元设置用于实施根据权利要求1至13之一所述的方法。
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