DE10141746C1 - Reinigung von Wasser mittels Hohlfaser-Membranbündeln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Wasser mittels Hohlfaser-Membranen. Weiterhin betrifft sie eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser mittels Hohlfaser-Membranen. DOLLAR A Durch ins Innere des Rohres und quer zur Strömungsrichtung hineinragende Hohlfaser-Membranbündel können sich einzelne Hohlfäden praktisch frei bewegen und daher bereits durch eine geringfügige Anströmung frei von Ablagerungen gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Wasser mittels Hohlfaser- Membranen. Weiterhin betrifft sie eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser mittels Hohlfaser-Membranen.

Bei derartigen Verfahren zur biologischen und gegebenenfalls (durch Zusatz von Ad­ ditiven, wie Adsorbentien, Ionenaustauscher, Fällungsmittel etc.) physikochemischen Wasserreinigung wird das verunreinigte Wasser in einem Behälter unter Zuhilfenah­ me von Mikroorganismen und/oder Additiven gereinigt und das gereinigte Wasser über Hohlfasermembranen aus dem Behälter ausgetragen.

Unter Wasserreinigung ist im vorliegenden Fall sowohl die Reinigung von Abwasser in aeroben und anaeroben Kläranlagen als auch die Reinigung von Oberflächenwas­ ser zu verstehen.

Konventionelle aerobe Kläranlagen arbeiten, begrenzt durch die Leistungsfähigkeit des Nachklärbeckens, mit Biomassekonzentrationen von ca. 3-5 g TS/l. Der Grund für diese niedrige Biomassekonzentration ist das ständige Ausschwemmen der Mik­ roorganismen. Dadurch wird ein Großteil des im Abwasser als Verunreinigung ent­ haltenen Kohlenstoffs und damit auch des eingetragenen Sauerstoffs in Schlamm umgewandelt, der letztlich entsorgt werden muss.

Ein weiterer Nachteil der heutigen Technologie besteht in der schlechten Nutzung des in der Belebungsstufe eingetragenen Sauerstoffs, was erhebliche Energiever­ luste bedeutet. Als Belebungsstufe wird der Teil der Kläranlage verstanden, in dem die mit Sauerstoff (bzw. Luft) versorgten Mikroorganismen (die sog. Biomasse) die Schmutzstoffe, insbesondere Kohlenstoff, verwerten und damit abbauen.

Diese beiden Nachteile führen dazu, dass man über Alternativen zur konventionellen aeroben Abwasserreinigung nachgedacht hat.

So wird in der EP 0 510 328 A1 vorgeschlagen, die Biomasse am Verlassen der Be­ lebungsstufe dadurch zu hindern, dass man dort senkrecht angeordnete poröse Membranen (Porendurchmesser 0,2-0,4 µm) einbringt, durch die das biologisch gereinigte Wasser permeieren kann, während die Mikroorganismen zurückgehalten werden. Dadurch können in der Belebungsstufe Biomassekonzentrationen bis 15 g TS/l. erzielt werden.

Diese hohe biologische Beladung des zu reinigenden Wassers hat allerdings zur Folge, dass sich Proteine und Mikroorganismen auf der Membranoberfläche nieder­ schlagen, bzw. aufwachsen. Dieses unter dem Begriff "Biofouling" in der Literatur beschriebene Phänomen ist gefürchtet, weil dadurch die Poren der Membran ver­ stopft und damit der Permeatfluss des gereinigten Wassers durch die Membran drastisch reduziert wird.

In der EP 0 510 328 A1 wird daher vorgeschlagen, die porösen Membranen als Flachmembranen senkrecht in der Belebungsstufe mit einem gewissen Abstand zu­ einander anzuordnen und sie von unten mit Luft anzuströmen. Dadurch sollen die Mirkoorganismen am Aufwachsen auf der Membranoberfläche gehindert werden.

Da dies offensichtlich nicht zufriedenstellend gelingt, wird vorgeschlagen (1. Aache­ ner Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, 30.06.-01.07.1997, Beitrag B3 von Dipl.-Ing. H. Möslang, Zeon GmbH), statt Flachmembranen Hohlfa­ sermembranen zu verwenden. Werden diese ebenfalls von unten mit Luft ange­ strömt, so bewegen sie sich im Luftstrom und schütteln praktisch die aufwachsende Biomasse ab. Außerdem wird in der DE 197 34 759 C1 des Anmelders vorgeschla­ gen, den Permeatstrom, der normalerweise die Hohlfaser von außen nach innen durchströmt, kurzfristig umzukehren, so dass das durch die Poren zurückströmende Wasser den Biofilm absprengt.

Die genannten Verfahren haben aber den Nachteil, dass die zur Reinigung der senk­ recht angeordneten und oben und unten eingespannten Membranen einzutragende Luft mit einem hohen Energieverbrauch verbunden ist und sich an den unteren Ein­ spannstellen dennoch Sedimente ablagern, die die aktiv verfügbare Membranfläche reduzieren.

Aus der DE 100 04 863 A1 ist es des Weiteren bekannt, einseitig gebündelte Hohlfa­ ser in einer vertikalen Strömung längs der Strömungsrichtung anzuordnen. Da die Hohlfasern längs angeströmt werden, ist ein sehr hoher Energieaufwand notwendig, um sie von Ablagerungen freizuhalten. Es ist darüber hinaus zu erwarten, dass sich sedimentierendes Material in den Hohlfaserbündeln ablagert.

Aus der US 5 716 689 ist ein teppichartiger aus Hohlfaserschlaufen bestehender Belag bekannt, der auch auf oder in Rohren angeordnet werden kann. Dieser Belag ragt nur in die Grenzschicht einer Rohrströmung in der die Strömungsgeschwindig­ keit bekanntlich gegen null geht. Eine schnelle Membranbelegung kann insbesonde­ re bei partikelhaltigem Wasser auch hier nicht vermieden werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Wasserreinigung gemäß dem Oberbegriff zu schaffen, bei dem die geschilderten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 3 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Durch die weit ins Innere des Rohres und quer zur Strömungsrichtung hineinragen­ den Hohlfaser-Membranbündel können die einzelnen Hohlfäden sich praktisch frei bewegen und daher bereits durch eine geringfügige Anströmung frei von Ablagerun­ gen gehalten werden.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass zur Erzeugung des erforderlichen trans­ membranen Druckes die hydrostatische Höhe des zu behandelnden Wassers aus­ reicht (< 1 m WS).

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird eine pulsierende Axial­ strömung erzeugt, wodurch die Hohlfaserbündel in eine schwingende Bewegung versetzt werden. Hierdurch werden Ablagerungen noch besser vermieden.

Eine Ausbildung dieser Vorrichtung besteht darin, dass Hohlfaser-Membranen an ihrem einen Ende gebündelt und in einer Behälterwand fixiert sind, wobei ein Flüs­ sigkeitsdurchtritt durch die Behälterwand nur im Inneren der Hohlfaser-Membranen möglich ist, und dass das jeweils andere, freie Ende der Hohlfaser-Membranen ver­ schlossen ist.

Eine andere Ausbildung der Vorrichtung besteht darin, dass die Hohlfaser- Membranen an beiden Enden gebündelt sind und beide Enden der so gebildeten Schlaufe in einer Behälterwand fixiert sind, wobei ein Flüssigkeitsdurchtritt durch die Behälterwand jeweils nur im Innern der Hohlfaser-Membranen möglich ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in einem Kanal hinter der Behälterwand und in den Hohlfaser-Membranen ein geringerer Druck als außerhalb der Hohlfaser- Membranen erzeugt wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen im wesentlichen darin, dass durch eine erhöhte Beweglichkeit der lediglich im Endbereich fixierten Hohlfaser-Membranen Anlagerun­ gen im wesentlichen vermieden werden können. Dies bringt beachtliche Energieein­ sparungen bzw. eine Verminderung des Reinigungsaufwandes mit sich. Zudem ist aufgrund der hohen Packungsdichte der Holfaser-Membranen insbesondere bei ver­ setzter Anordnung eine hohe Förderleistung möglich.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben:

Es zeigen

Fig. 1 eine eingeschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 2a und Fig. 2b geschnittene Darstellungen (Draufsicht und Seitenansicht) einer ande­ ren erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden die Hohlfaser-Membranen 1 wie bei einem Bü­ schel einseitig eingespannt und senkrecht zur Strömungsrichtung 3 angeordnet. Sie sind am frei schwebenden Ende verschlossen. Das gereinigte Wasser permeiert auf­ grund von Druckdifferenzen durch die Hohlfaser-Membranen 1 und durch die innere Behäl­ terwand 4 hindurch in einen Kanal 2, wo es abgeführt wird. Die äußere Behälterwand ist in der Fig. 1 nicht dargestellt. Die Hohlfaser- Membranen 1 weisen vorzugsweise Innendurchmesser von 0,5 mm bis 2 mm und freie Längen von 150 mm bis 350 mm auf. Die gegenüberliegenden Büschel von Hohlfaser-Membranen 1 sind vorzugsweise versetzt angeordnet, um eine möglichst große Beweglichkeit zu gewährleisten.

Aufgrund des frei beweglichen Endes der Hohlfaser-Membranen 1 genügt eine sehr geringe Anströmung 3, um die Hohlfaser-Membranen 1 äußerlich sauber zu halten, d. h., Biofouling zu vermeiden. Bei der biologischen Abwasserreinigung wird die An­ strömung 3 bereits durch die für die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen not­ wendige feinblasige Belüftung erreicht. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Anströmung durch einen Injektor oder Impeller zu unterstützen oder allein zu erzeu­ gen. Die in dem Stand der Technik notwendige grobblasige und mit hohem Energie­ bedarf verbundene Belüftung ist nicht notwendig; sie ist sogar unerwünscht. Aller­ dings kann es zweckmäßig sein, den Permeatstrom von Zeit zu Zeit zu invertieren, um sicherzustellen, dass sich kein Biofouling einstellt, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Eine besonders günstige Variante der Erfindung ist in Fig. 2a und Fig. 2b dargestellt. Die Behälterwand 4, in der Bündel von Hohlfaser-Membranen 1 fixiert sind, bildet einen Zylinder, so dass die beiden Enden eines solchen bündelförmigen Moduls von Hohlfaser-Membranen 1 - nebeneinander fixiert - als Schlaufe in den zylindrischen Innenraum ragen und dort von der die Hohlfaser-Membranen 1 senkrecht anströ­ menden Flüssigkeit 3 von Ablagerungen bewahrt werden. Der Vorteil dieser beidsei­ tig eingespannten Anordnung besteht darin, dass die frei schwebenden Enden der Hohlfaser-Membran 1 nicht verschlossen werden müssen, weil sie eine geschlosse­ ne Schlaufe bilden. Gut zu erkennen ist auch, dass die Bündel von Hohlfaser- Membranen 1 sowohl in der Ebene angeordnet (Fig. 2a) als auch vertikal versetzt (Fig. 2b) angeordnet sein können um eine möglichst große Beweglichkeit bei mög­ lichst hoher Packungsdichte zu erreichen.

In beiden Varianten gibt es keine Membran-Modulköpfe, auf denen sich Sedimente ablagern könnten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reinigung von Wasser, insbesondere Reinigung von Abwasser, mittels einseitig bündelförmig eingespannter Hohlfaser-Membranen, die in einem Rohr (4) angeordnet sind, wobei das Rohr (4) vertikal in das zu behandelnde Wasser eingebracht ist und mittels Gaseintrag, Injektor o. ä. eine Axialströmung im Rohr erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasernbündel in der Rohrwand befestigt sind und orthogonal angeströmt werden und Hohlfaserbündel eingesetzt werden, deren Länge 25-90% des Abstands zur gegenüberliegenden Wand aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine pulsierende Axialströmung derart erzeugt wird, dass die Hohlfasern in eine schwingende Bewegung versetzt werden.

3. Membranvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Rohr mit einseitig gebündelten Hohlfasern, die in der Rohrwand befestigt sind und 25-90% des Abstands zur gegenüberliegenden Wand orthogonal in das Rohr hineinragen.

4. Membranvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrquerschnitt kreisförmig oder rechteckig ausgebildet ist.

5. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (1) an ihrem einen Ende gebündelt und in der Rohrwand (4) fixiert sind und das jeweils andere, freie Ende der Hohlfaser-Membran verschlossen ist.

6. Membranvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (1) an beiden Enden gebündelt sind und beide Enden in der Rohrwand (4) so befestigt sind, dass sie eine Schlaufe bilden.