DE102007007894A1

DE102007007894A1 - Verfahren zur Wiederherstellung optimaler Durchströmungseigenschaften von Membranfiltern

Info

Publication number: DE102007007894A1
Application number: DE102007007894A
Authority: DE
Inventors: Anja Dr.-Ing. Drews; Jana Dipl.-Ing. Schaller; Matthias Prof. Dr.-Ing. Kraume; Harvey Dipl.-Ing. Arellano-Garcia; Günter Prof. Dr.-Ing. Wozny; Jan SCHÖNEBERGER
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-08-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederherstellung optimaler Durchströmungseigenschaften von Membranfiltern (5) bei der Wasseraufbereitung, insbesondere für Membranbelebungsreaktoren (1). Um einen verbesserten wirtschaftlichen Betrieb solcher Membranbelebungsreaktoren zu erreichen und dabei insbesondere unnötige Unterbrechungen zu vermeiden, wird während des Betriebes des Membranfilters (5) kontinuierlich oder in kurzen zeitlichen Abständen die Permeabilität durch den Membranfilter (5) erfasst, um so aufgrund der im Betrieb abfallenden Permeabilität auf die Art der Verschmutzung schließen zu können. Auf der Basis der so ermittelten Verschmutzung kann die jeweils geeignete Reinigungsprozedur zu einem optimalen Zeitpunkt ausgelöst werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederherstellung optimaler Durchströmungseigenschaften von Membranfiltern bei der Wasseraufbereitung, insbesondere für Membranbelebungsreaktoren, bei dem zeitweise eine geeignete Reinigungsprozedur durchgeführt wird.
Ein solches Verfahren wird in der Praxis beispielsweise in der Abwasserreinigung bei Membranbelebungsreaktoren eingesetzt. Solche Membranbelebungsreaktoren werden aufgrund ihrer Vorteile, wie insbesondere eine kompakte Bauweise und verbesserte Ablaufqualitäten, zunehmend in der Abwasserreinigung eingesetzt. Durch den Einsatz von Membranbelebungsreaktoren können viele der bislang vor allem in der Nachklärung auftretenden Probleme der biologischen Abwasserreinigung mit dem Belebungsverfahren gelöst werden. Die Nachklärung durch Sedimentation wird dabei durch Mikro- oder Ultrafiltrationsmodule ersetzt. Diese ermöglichen aufgrund der definierten Porengröße einen weitestgehenden Rückhalt von Bakterien und Viren, so dass das gereinigte Wasser eine sehr hohe Qualität erlangt.
In der Abwasserreinigung kommen zwei verschiedene Prozessvarianten mit extern oder intern angeordneten Membranmodulen zum Einsatz. Der Prozess mit externen Modulen wird bei hohen Überströmgeschwindigkeiten und Überdrücken von bis zu 5 bar betrieben. Diese Variante liefert sehr hohe Permeatflüsse, ist aber sehr energieintensiv, und es treten hohe Scherbeanspruchungen der Biomasse auf.
Der Prozess mit internen Modulen wird auch als Niedrig-Energie-Verfahren bezeichnet und wurde speziell für die kommunale Abwasserreinigung entwickelt. Die Module werden direkt in die Belebungsstufe getaucht, wobei die Überströmung durch eine Airlift-Strömung entlang der Membranmodule realisiert wird. Die anliegenden Druckdifferenzen und damit die Permeatflüsse sind sehr niedrig.
Im Betrieb kommt es neben der Ausbildung einer partikulären Deckschicht aus Mikroorganismen zu einer Anlagerung kolloider Substanzen an der Oberfläche und in den Poren der Membran.
Die auftretenden Filtrations-/Fouling-Mechanismen sind jedoch wegen der Komplexität der Biosuspension, der Verschiedenheit der Abwässer und der Interaktionen zwischen den Betriebsbedingungen und der Suspensionseigenschaften bislang weitgehend ungeklärt.
Diese Membranfilter verschmutzen im Gebrauch, so dass der Durchlass vermindert wird. Zu erkennen ist die zunehmende Verschmutzung als verminderter Volumenstrom bzw. Flux oder aber, sofern die Anlage bei einem konstanten Durchfluss betrieben wird, an der zunehmenden Druckdifferenz zwischen dem (Belebt-)Schlamm und dem durch den Filter hindurchtretenden Permeat.
Aufgrund empirisch ermittelter Erkenntnisse wird nach einer entsprechenden Gebrauchsdauer eine zeitlich auf wenige Minuten beschränkte Reinigungsprozedur durchgeführt. Zur Reinigung werden die Membranmodule üblicherweise belüftet, um durch Scherkräfte und Turbulenzen einen effektiven Abtrag von Deckschichten zu erzielen. Die Auslegung von Geometrie und Belüftungsintensität erfolgt dabei empirisch. Aus dem Stand der Technik ist es außerdem bekannt, die Membranmodule von Zeit zu Zeit zurückzuspülen oder zu entspannen.
Bei der US 58 88 401 A wird die Verschmutzung der Membrane durch die Erhöhung des Drucks auf der Permeatseite der Membrane verringert, vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen während der Filtration, beispielsweise durch eine Druckerhöhung für ungefähr eine Minute jede halbe Stunde. Die Druckerhöhung kann mit oder ohne Zusatz eines Reinigungsmittels erfolgen.
Beim Stand der Technik erweist es sich als nachteilig, dass die genauen Zusammenhänge des Verschmutzungsprozesses unbekannt sind. Die Reinigung erfolgt daher, insbesondere hinsichtlich der Häufigkeit und Art der eingesetzten Chemikalien oder der Bedingungen, rein empirisch in vordefinierten Intervallen gesteuert und führt zu unnötigen Reinigungsfrequenzen oder sogar zum Austausch von Membranfläche.
Dabei kommt es bei zu häufigen Rückspülintervallen zu einem unerwünschten Permeatverlust, während eine zu seltene oder ineffektive Durchführung der Rückspülintervalle ebenso wie eine falsche Methode zu einem hartnäckigen oder sogar irreversiblen Fouling führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zum Betrieb von Membranbelebungsreaktoren zu schaffen. Insbesondere sollen dadurch unnötige Unterbrechungen vermieden und der Betrieb wesentlich zuverlässiger gestaltet werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem während des Betriebes des Membranfilters kontinuierlich oder in kurzen zeitlichen Abständen die Steigung und/oder der Kurvenverlauf der sinkenden Permeabilität des Membranfilters, beispielsweise als verminderter Volumenstrom durch den Membranfilter als Messgröße erfasst und bei Erreichen vorbestimmter Grenzwerte ein Signal für eine Reinigungsprozedur ausgelöst wird. Hierdurch wird es erstmals möglich, den Reinigungsprozess aufgrund einer unter einen vorbestimmten Grenzwert abfallenden Permeabilität sowie aufgrund der Art und Weise des Abfalls variabel durchzuführen, so dass insbesondere ein bedarfsgerechter und damit wirtschaftlicher Reinigungszyklus realisiert wird. Die Reinigungsprozedur wird dabei ausgehend von der erfassten verminderten Permeabilität einerseits und der reinigungsbedingten Ausfallzeiten sowie des damit verbundenen Energiebedarfs andererseits optimiert, so dass eine erheblich verbesserte Prozessführung erreicht werden kann. Die Permeabilität wird demnach also als Regelgröße für das Signal eines vollautomatisiert durchzuführenden Reinigungsprozesses genutzt.
Als Messwerte zur Bestimmung der veränderlichen Permeabilität könnte beispielsweise der Druckanstieg bei der Einhaltung eines im Wesentlichen konstanten Volumenstroms herangezogen werden. So kann in einfacher Weise auf den Grad der Verschmutzung der Membran geschlossen werden. Mittels entsprechender Sensoren können dabei auch örtliche Abweichungen der Verschmutzung erfasst werden, um so die Reinigungsprozedur gegebenenfalls auf einzelne Bereiche des Membranfilters beschränken zu können.
Dabei ist es besonders praxisgerecht, wenn die Art, der Umfang, die Dauer, die Kombination oder die Beimischung von Reinigungssubstanzen während der Reinigungsprozedur aufgrund des erfassten zeitlichen Verlaufs der sinkenden Permeabilität bestimmt werden, um so auf der Basis der über die Betriebsdauer zwischen aufeinander folgenden Reinigungsprozeduren abfallenden Permeabilität nicht nur auf die Notwendigkeit einer erneuten Reinigungsprozedur, sondern auch auf die Art der Verschmutzung zu schließen, und aus der ermittelten Verschmutzung die jeweils geeignete Reinigungsprozedur auslösen zu können. Dadurch wird die Effizienz bei der Reinigungsprozedur wesentlich verbessert und die Wirtschaftlichkeit beim Betrieb des Membranfilters weiter verbessert. Selbstverständlich sind auch Kombinationen von verschiedenen Reinigungsprinzipien sowohl zeitgleich als auch nacheinander durchführbar.
Zur Reinigung kann auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, wobei die Reinigungsprozedur mittels Luftzuführung, mittels Umkehrung der Durchströmungsrichtung, mittels Relaxation und/oder mittels Einsatz von Reinigungssubstanzen, insbesondere chemischer Substanzen, durchgeführt wird und insbesondere auch beliebige Kombinationen umfassen kann.
Bei dem Verfahren könnte aufgrund der Zeitdauer bis zum Erreichen des Grenzwertes in Bezug auf die erfasste Permeabilität auf die jeweils geeignete Reinigungsprozedur geschlossen und ein dementsprechendes Signal ausgelöst werden. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Steigung oder der Kurvenverlauf des Durchflusses, insbesondere des Volumenstroms oder des Druckverlaufs, erfasst wird. Hierdurch wird bereits vor Erreichen des vorbestimmten Grenzwertes aufgrund des charakteristischen Verlaufs des Durchflusses, insbesondere also des Volumenstromverlustes oder des Differenzdruckanstieges, die Verschmutzungsart ermittelt. Auf diese Weise kann auf den weiteren Verlauf der zunehmenden Verschmutzung geschlossen und daraus eine Prognose für die geeignetste Prozedur abgeleitet werden.
Darüber hinaus könnten gemäß einer anderen Erfolg versprechenden Ausgestaltung unstetige Veränderungen der sinkenden Permeabilität erfasst werden, um so einen möglichen Schadensfall, beispielsweise ein Durchbruch in der Membranfläche, durch einen sprunghaften Anstieg des Durchflusses frühzeitig zu erkennen, so dass die Wasseraufbereitung unverzüglich unterbrochen werden kann. Im Vergleich zu dem Stand der Technik, bei dem ein solches Schadensereignis lediglich aufgrund der Untersuchung des Permeats oder Reinwassers erfasst wird, kann erfindungsgemäß eine frühzeitiger Eingriff und damit eine Beschränkung des Schadens in einfacher Weise erreicht werden.
Weiterhin ist es besonders sinnvoll, wenn die Art, der Umfang, die Dauer, die Kombination oder die Beimischung von Reinigungssubstanzen während der Reinigungsprozedur aufgrund eines Datenbankmodells bestimmt werden, um so typische Muster des Verschmutzungsverlaufes durch eine vergleichende Betrachtung mit dem insbesondere für eine individuelle Anlage bestimmten Datenbankmodell der weiteren Regelung des Reinigungsprozesses zugrunde zu legen.
Dabei erweist es sich zudem als besonders praxisnah, wenn der Zeitpunkt zur Durchführung des Reinigungsverfahrens aufgrund des Datenbankmodells bestimmt wird, um so nicht nur den optimalen Zeitpunkt für die Durchführung des Reinigungsverfahrens zu ermitteln, sondern auch den Betrieb der Anlage auf den erforderlichen Reinigungsprozess abstimmen zu können. Hierdurch wird eine weitere Verbesserung der Wirtschaftlichkeit im Betrieb der Anlage sichergestellt.
Vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn aufgrund der erfassten zeitlichen Änderung der sinkenden Permeabilität bei der Verschmutzung eine Porenverengung, eine Porenverblockung und/oder eine Kuchenbildung erfasst und die jeweils geeignetste Reinigungsprozedur ausgelöst wird, so dass grundsätzlich eine Unterscheidung typischer Verschmutzungen erfolgen kann, um so die Betriebs- und Reinigungsparameter entsprechend einstellen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei nicht auf die Abwasserbehandlung beschränkt. Vielmehr eignet sich das Verfahren ebenso zur Behandlung von Trinkwasser, Brauchwasser oder anderen zu filtrierenden Flüssigkeiten.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine Prinzipdarstellung eines Membranbelebungsreaktors;
2 eine stark vergrößerte Schnittdarstellung eines Membranfilters des in 1 gezeigten Membranbelebungsreaktors.
1 zeigt einen Membranbelebungsreaktor 1 in einer Prinzipdarstellung, welcher mit einer Abwasserzuführung 2 ausgestattet ist. Ein Rührwerk 3 dient dabei der Durchmischung des Abwassers 4. In einem Bereich des Membranbelebungsreaktors 1 sind mehrere Membranfilter 5 im Wesentlichen parallel zueinander vertikal angeordnet. Jeder Membranfilter 5 ist in dem gezeigten Beispiel derart doppelwandig aus zwei beabstandeten Filterplatten 6 aufgebaut, dass das Permeat zwischen den Filterplatten 6 mittels einer Pumpe 7 als gereinigtes Wasser 8 abgesaugt werden kann. Zur zyklischen Reinigung ist der Membranbelebungsreaktor 1 mit einer Luftzuführung 9 ausgestattet, um die im Betrieb unvermeidliche Verschmutzung bedarfsweise entfernen zu können.
Solche Verschmutzungen sind in der 2 zu erkennen, die eine stark vergrößerte Schnittdarstellung eines Membranfilters 5 des in 1 gezeigten Membranbelebungsreaktors 1 ausschnittsweise zeigt. Während in der 2 im oberen Bereich die Filterplatte 6 in einem gereinigten Zustand gezeigt ist, sind im unteren Bereich der Filterplatte 6 Verschmutzungen verschiedener Art, insbesondere Aufhäufungen von Schmutzpartikeln oder Mikroorganismen in Form eines Filterkuchens 10 erkennbar. Eine andere Art der Verschmutzung stellen im Öffnungsbereich 11 oder Innenwandbereich 12 der Poren 13 der Filterplatte 6 anhaftende Substanzen dar, die ebenfalls den transmembranen Fluss teilweise oder vollständig verhindern können. Die verschiedenen Arten der Verschmutzung können in optimaler Weise durch verschiedene Reinigungsprozeduren entfernt werden, insbesondere mittels der in 1 gezeigten Luftzuführung 9, einer Umkehrung der Durchströmungsrichtung mittels der ebenfalls in 1 gezeigten Pumpe 7, einer Filtrationspause oder durch Beimischung von Reinigungssubstanzen. Hierzu wird in kurzen zeitlichen Abständen der Durchfluss durch den Membranfilter 5 erfasst, um so aufgrund des im Betrieb abfallenden Durchflusses auf die Art der Verschmutzung schließen zu können. Auf der Basis der so ermittelten Verschmutzung kann die jeweils geeignete Reinigungsprozedur zu einem optimalen Zeitpunkt ausgelöst werden. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit beim Betrieb des Membranfilters 5 wesentlich verbessert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 5888401 A [0009]

Claims

Verfahren zur Wiederherstellung optimaler Durchströmungseigenschaften von Membranfiltern bei der Wasseraufbereitung, insbesondere für Membranbelebungsreaktoren, bei dem zeitweise eine geeignete Reinigungsprozedur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes des Membranfilters kontinuierlich oder in kurzen zeitlichen Abständen die Steigung und/oder der Kurvenverlauf der sinkenden Permeabilität des Membranfilters als Messgröße erfasst und bei Erreichen vorbestimmter Grenzwerte ein Signal für eine Reinigungsprozedur ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sinkende Permeabilität als veränderlicher Volumenstrom und/oder als transmembrane Druckdifferenz erfasst wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Art, der Umfang, die Dauer, die Kombination und/oder die Beimischung von Reinigungssubstanzen während der Reinigungsprozedur aufgrund des erfassten zeitlichen Verlaufs der sinkenden Permeabilität bestimmt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsprozedur mittels Luftzuführung, mittels Umkehrung der Durchströmungsrichtung, mittels Relaxation und/oder mittels Beimischung von Reinigungssubstanzen, insbesondere chemischer Substanzen, oder geeigneter Kombinationen hieraus durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung und/oder der Kurvenverlauf des Durchflusses, insbesondere des Volumenstroms und/oder der Druckdifferenz, erfasst wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unstetige Veränderungen der sinkenden Permeabilität erfasst werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art, der Umfang, die Dauer, die Kombination und/oder die Beimischung von Reinigungssubstanzen während der Reinigungsprozedur aufgrund eines Datenbankmodells bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt zur Durchführung des Reinigungsverfahrens aufgrund eines Datenbankmodells bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsprozedur aufgrund der erfassten zeitlichen Änderung der sinkenden Permeabilität bei der Verschmutzung eine Porenverengung, eine Porenverblockung und/oder eine Kuchenbildung erfasst und die Reinigungsprozedur ausgelöst wird.