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