DE102010019505A1

DE102010019505A1 - Filtrationsvorrichtung mit interner Rezirkulation

Info

Publication number: DE102010019505A1
Application number: DE102010019505A
Authority: DE
Inventors: Dr. Krause Stefan; Dr. Meyer-Blumenroth Ulrich
Original assignee: Microdyn Nadir GmbH
Current assignee: Microdyn Nadir GmbH
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: EP2566605A1; US10040030B2; CN102917774B; DE102010019505B4; WO2011137990A1; CN102917774A; US20130043189A1

Abstract

Eine Vorrichtung für Mikro-, Ultra- oder Nanofiltration umfasst ein oder mehrere Flachfiltermodule aus parallel und voneinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen und Gasinjektoren eines oder mehrerer Gashebersysteme zum Erzeugen einer zirkulierenden, tangential zur Oberfläche der Flachfilterelemente gerichteten Crossflow-Strömung mit mindestens einem Steigbereich, in dem die Crossflow-Strömung im Wesentlichen vertikal noch oben fließt, und mindestens einem Fallbereich, in dem die Crossflow-Strömung im Wesentlichen vertikal noch unten fließt, wobei der Steigbereich 10 bis 100% und der Fallbereich 10 bis 100% eines Vorlaufvolumens des mindestens einen Flachfiltermoduls durchsetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren für Mikro-, Ultra- oder Nanofiltration, umfassend ein oder mehrere Flachfiltermodule aus parallel und voneinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen und Gasinjektoren eines Gashebersystems zum Erzeugen einer zirkulierenden, tangential zur Oberfläche der Flachfilterelemente gerichteten Crossflow-Strömung.
In einer Vielzahl industrieller und kommunaler Anwendungen, wie Abwasserreinigung und Meerwasserentsalzung werden seit Jahrzehnten Membran-gestützte Filtrationsverfahren, insbesondere die Crossflow-Filtration eingesetzt. Hierbei werden flächenhaft ausgebildete poröse Membranen tangential zur Membranoberfläche von einer zu reinigenden Flüssigkeit – weiterhin als Feed bezeichnet, überströmt. Die Porengröße der Membranen liegt je nach Anwendung im Bereich von etwa 10 Nanometer bis zu einigen Mikrometern. Das von dem Feed durchströmte Volumen, üblicherweise als Vorlauf bezeichnet, ist durch die Membran von einem Permeatraum getrennt. Zwischen Vorlauf und Permeatraum wird ein Differenzdruck von etwa 0,1 bar bis zu 100 bar angelegt, der einen Stofftransport vom Vorlauf zum Permeatraum bewirkt, wobei Permeat (bzw. Filtrat) in den Permeatraum gelangt. Für die Abwasserbehandlung eingesetzte Membranbioreaktoren (MBR) werden vorzugsweise mit einem Differenzdruck im Bereich von 0,02 bis 0,4 bar betrieben.
Die Membran ist üblicherweise als zweilagiger Verbund aus einem Trägervlies und einer porösen Membranschicht ausgebildet. Vorzugsweise besteht die poröse Membranschicht aus Polyethersulfon, Polysulfon, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Polyamid, Polyetherimid, Celluloseacetat, Regeneratcellulose, Polyolefin oder Fluorpolymer. Die poröse Membranschicht wird beispielsweise erzeugt, indem ein Vlies oder Gewebe mit Polymerlösung beschichtet und das Polymer in einem nachfolgenden Phaseninversionsschritt ausgefällt wird. Alternativ hierzu wird eine Polymerfolie in geeigneter Weise verstreckt, wobei in der Polymerfolie Poren entstehen. Die verstreckte Polymerfolie wird dann zur mechanischen Stabilisierung auf ein Trägervlies auflaminiert. Nach diesen Methoden hergestellte Filtrationsmembranen sind kommerziell erhältlich, z. B. unter der Bezeichnung NADIR^® Membranen (MICRODYN-NADIR GmbH, Wiesbaden) oder Celgard^® Flat Sheet Membranes (Celgard Inc., Charlotte, NC, USA).
In dem Feed enthaltene Komponenten, deren Durchmesser zu groß ist, um die Membranporen zu passieren, werden auf der Membranoberfläche zurück gehalten und bleiben teilweise haften. Bei der Crossflow-Filtration wird die Membranoberfläche permanent mit Feed überströmt, um die zurückgehaltenen Komponenten (Retentat) von der Membranoberfläche abzutransportieren. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Filtrationsbetrieb mit konstantem Permeatfluss möglich. Die Crossflow-Betriebsweise resultiert in der typischen Bauform von Membranmodulen mit drei Anschlüssen bzw. Durchgängen für Feed, Retentat und Permeat. Membranmodule sind mit einem geschlossenen oder einem ein- oder mehrseitig offenen Gehäuse bzw. Rahmen ausgestattet, in welchem Flachfilterelemente oder in seltenen Fällen Wickelfilter gehaltert sind. Je nach Bauart weist ein Membranmodul zusätzlich zu Durchgängen zwischen den Filterelementen bzw. Durchgängen zwischen den Windungen des Wickelfilters ggf. an den Wänden des Gehäuses angeordnete Anschlüsse für Feed, Retentat und Permeat auf.
In einem Flachfilterelement wird der Permeatraum durch zwei separate Membranen oder durch zwei Teilflächen einer einstückigen Membran begrenzt. Zwischen den beiden Membranen bzw. Teilflächen ist ein poröser Permeatspacer angeordnet, der zum Einen als Stützstruktur für die empfindlichen Membranen dient, auf denen ein transmembraner Differenzdruck von bis zu 100 bar lastet, und zum Anderen Durchgänge bereitstellt, durch welche das Permeat entlang der Innenseiten der Membranen/Teilstücke abfließt. In einem Membranmodul mit mehreren Flachfilterelementen setzt sich der Permeatraum zusammen aus der Gesamtheit der Permeaträume aller Flachfilterelemente.
In Flachfiltermodulen ist eine Vielzahl von planaren Flachfilterelementen parallel zueinander in einem Stapel angeordnet. Zwischen jeweils zwei benachbarten Flachfilterelementen sind Abstandshalter angeordnet, die einen Durchgang freihalten, durch den Feed und Retentat zu- und abfließen können. Die Abstandshalter bestehen beispielweise aus Unterlegscheiben aus einem polymeren Werkstoff, die zwischen den Randbereichen bzw. Kanten, insbesondere den Ecken jeweils zwei benachbarter Flachfilterelemente angeordnet sind. Alternativ hierzu kann ein Rahmen oder Gehäuse verwendet werden, das mit äquidistanten Nuten zur Aufnahme der Ränder der Flachfilterelemente ausgestattet ist.
Ein wichtiges Einsatzgebiet von Filtrationsvorrichtungen mit Flachfiltermodulen stellen Membranbioreaktoren (MBR) für die Abwasserbehandlung dar. Bei MBR-Verfahren wird das Abwasser in mehreren Schritten physikalisch, chemisch und biologisch behandelt, bis es die Membran erreicht. Durch mechanisch-physikalische Vorbehandlungen wird das Abwasser von Partikeln, Fasern und Grobstoffen befreit. Bei der Grobfiltration werden große Partikel, welche Schäden an den Membranen verursachen können, durch Rechen und Siebe entfernt. Beim MBR-Verfahren werden üblicherweise Feinsiebe in einem Größenbereich von 0,05–3 mm zur Vorfiltration eingesetzt. Das Abwasser wird zudem durch einen Sand- und Fettfang von schweren Partikeln (z. B. Sand) und Ölen und Fetten befreit.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Abwasser biologisch und chemisch behandelt. In einem Belebungsbecken befindet sich Schlamm (Biomasse) mit Mikroorganismen, die hochmolekulare organische Schadstoffe enzymatisch umsetzen und eliminieren. Die nach der enzymatischen Umsetzung verbleibenden Stoffe werden von den Mikroorganismen entweder zum Zellaufbau oder zur Energiegewinnung unter Sauerstoffverbrauch genutzt. Der resultierende Sauerstoffverbrauch ist durch eine ausreichende Sauerstoffzufuhr abzudecken, weshalb Belebungsbecken mit Belüftungseinrichtungen versehen sind. Voraussetzung für die Funktion des Verfahrens ist das Verbleiben der Biomasse im System. Daher wird die Biomasse durch eine Membranfiltration vom gereinigten Abwasser abgetrennt und in das Belebungsbecken zurückgeführt. Zugewachsener belebter Schlamm wird als Überschussschlamm entfernt. Bevor die Biomasse vom Wasser getrennt wird, werden weitere chemische Behandlungen vorgenommen. Dabei werden in Verbindung mit einer Filtrationsstufe üblicherweise verschiedene Fällungs- und Flockungsmittel wie beispielsweise Eisenchlorid oder Polymere zur Entfernung von kolloidal und partikulär gelösten Flüssigkeitsinhaltsstoffen eingesetzt.
Wesentlicher Vorteil von MBR-Anlagen ist der feststofffreie Ablauf. Das bedeutet, dass sich keine Bakterien im Ablauf der Membranbelebungsanlage befinden und durch Sorptionseffekte ggf. sogar Viren abgetrennt werden. Dadurch wird die organische Restverschmutzung stark reduziert. Die hygienisch relevanten Leitwerte der EU-Badegewässerrichtlinie [75/160/EWG, 1975] werden mit MBR eingehalten. Ferner bietet der feststofffreie Ablauf sowohl im kommunalen als auch im industriellen Bereich ein großes Potenzial zur Abwasserwiederverwendung. Hier können durch Wasserrecycling bis hin zur Wasserkreislaufschließung große Wassereinsparungen erzielt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieses Verfahren aufgrund des einstellbaren hohen TS-Gehaltes und des Wegfalls der Nachklärbecken nur einen geringen Platzbedarf hat. Aufgrund der Unabhängigkeit vom Sedimentationsverhalten kann die Belebtschlammkonzentration (Biomassekonzentration, ausgedrückt als TS-Trockensubstanz) gegenüber konventionellen Verfahren erhöht werden. Membranbioreaktoren werden üblicherweise mit TS-Konzentrationen von 8 bis 15 g/l betrieben. Im Vergleich mit konventionellen Belebungsverfahren kann das Reaktorvolumen eines Membranbioreaktors reduziert werden, so dass höhere Raumbelastungen möglich sind.
Ein Problem beim Einsatz von Membranfiltern auf dem Gebiet der Abwasserreinigung stellt das sogenannte ”Membranfouling” dar, das darin besteht, dass sich auf den Membranen Beläge bilden, die den Durchfluss der zu reinigenden Flüssigkeit herabsetzen.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von Filtrationsvorrichtungen mit Flachfiltermodulen und Gashebersystemen bekannt.
EP 1 445 240 beschreibt einen biologischen Membranreaktor mit einem zyklisch betriebenen Belüftungssystem. Der Reaktor umfasst einen mit Feed gefüllten Tank mit einem oder mehreren Membranmodulen, die ggf. Flachfiltermodule aus vertikal und zueinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen aufweisen. Dem Feed wird mittels eines zyklisch betriebenen Belüftungsystems Luft zugeführt. Das Belüftungssystem weist Belüftungsdüsen auf, die in dem Tank unterhalb der Flachfiltermodule angeordnet sind.
Die im Stand der Technik bekannten Filtrationsvorrichtungen weisen einige Nachteile auf:

– um eine gute Filtrationseffizienz zu erzielen, wird ein Feedvolumen benötigt, das mindestens doppelt so groß wie das freie Vorlaufvolumen der Filtermodule der Filtrationsvorrichtung ist; dementsprechend haben die Filtrationsvorrichtungen einen Platz- bzw. Flächenbedarf der in etwa dem Doppelten ihrer Grundfläche entspricht;
– zum Erzeugen einer hinreichend intensiven Crossflow-Strömung wird ein großes Flüssigkeitsvolumen umgewälzt, so dass im laufenden Filtrationsbetrieb beträchtliche Mengen an Energie verbraucht werden;
– die mechanische in-situ Reinigung der Filtrationsmembranen mittels Granulaten ist problematisch, weilein erheblicher Teil des Granulats durch die Crossflow-Strömung in dem die Filtrationsvorrichtung umgebenden Klärbecken/Filtrationstank sedimentiert und/oder daraus abfließt und nachgeordnete Pumpen langfristig beschädigt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorstehenden Nachteile zu überwinden und eine Filtrationsvorrichtung mit erhöhter Filtrationseffizienz und reduziertem Energie- und Platzbedarf zu schaffen. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, den Energiebedarf eines oder mehrerer für die Erzeugung der Crossflow-Strömung eingesetzten Gashebersysteme zu senken. Im Weiteren soll eine Filtrationsvorrichtung bereit gestellt werden, bei der die Oberflächen der Filtrationsmembranen in-situ während des laufenden Filtrationsbetriebes gereinigt werden und der Permeatdurchsatz auf hohem Niveau erhalten bleibt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung für Mikro-, Ultra- oder Nanofiltration, umfassend ein oder mehrere Flachfiltermodule aus parallel und voneinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen und Gasinjektoren eines oder mehrerer Gashebersysteme zum Erzeugen einer zirkulierenden, tangential zur Oberfläche der Flachfilterelemente gerichteten Crossflow-Strömung mit mindestens einem Steigbereich, in dem die Crossflow-Strömung im Wesentlichen vertikal noch oben fließt, und mindestens einem Fallbereich, in dem die Crossflow-Strömung im Wesentlichen vertikal noch unten fließt, und der Steigbereich 10 bis 100% und der Fallbereich 10 bis 100% eines Vorlaufvolumens des mindestens einen Flachfiltermoduls durchsetzt.
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dadurch gekennzeichnet, dass:

– der Steigbereich 10 bis 80%, bevorzugt 30 bis 60%, und insbesondere 45 bis 55% und der Fallbereich 90 bis 20%, bevorzugt 70 bis 40%, und insbesondere 55 bis 45% des Vorlaufvolumens der Flachfiltermodule durchsetzt;
– Gasauslässe der Gasinjektoren eines Gashebersystems zum Abgeben eines Gases, wie Luft unterhalb des mindestens einen Flachfiltermoduls angeordnet sind und vertikale Projektionen der Gasauslässe 10 bis 80%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55% einer horizontalen Querschnittsfläche AF des mindestens einen Flachfiltermoduls durchsetzen;
– Gasauslässe der Gasinjektoren eines weiteren Gashebersystems zum Abgeben eines Gases, wie Luft unterhalb des mindestens einen Flachfiltermoduls angeordnet sind und vertikale Projektionen der Gasauslässe 90 bis 20%, vorzugsweise 70 bis 40% und insbesondere 55 bis 45% einer horizontalen Querschnittsfläche AF des mindestens einen Flachfiltermoduls durchsetzen;
– die Vorrichtung m Flachfiltermodule umfasst, von denen n Flachfiltermodule mit Gasinjektoren eines Gashebersystems ausgerüstet sind, wobei m und n natürliche Zahlen sind mit m ≥ 2 und m > n ≥ 1, die Gasinjektoren mit Gasauslässen ausgestattet sind und vertikale Projektionen der Gasauslässe 10 bis 100%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55% einer horizontalen Querschnittsfläche AF jedes der n Flachfiltermodule durchsetzen;
– (m – n) Flachfiltermodule mit Gasinjektoren eines weiteren Gashebersystems ausgerüstet sind, wobei die Gasinjektoren mit Gasauslässen ausgestattet sind und vertikale Projektionen der Gasauslässe 10 bis 100%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55% einer horizontalen Querschnittsfläche AF jedes der (m – n) Flachfiltermodule durchsetzen;
– die Vorrichtung ein Gehäuse mit Seitenwänden und gegebenenfalls einer Bodenwand aufweist;
– das Gehäuse mindestens eine Zuleitung zum Zuführen von Feed und mindestens eine Ableitung zum Abführen von Feed und/oder Retentat aufweist;
– die mindestens eine Ableitung siphonartig ausgebildet ist, so dass vom Inneren des Gehäuses durch die Ableitung nach außen fließender Feed und/oder Retentat mindestens eine Teilstrecke in vertikaler Richtung nach oben strömt;
– die mindestens eine Ableitung in einem oberen Drittel einer Seitenwand angeordnet ist und vorzugsweise eine Blende zum Rückhalten von Feststoffen im Inneren des Gehäuses umfasst;
– die mindestens eine Ableitung in der Bodenwand angeordnet ist und vorzugsweise eine Haube zum Rückhalten von Feststoffen im Inneren des Gehäuses umfasst;
– die mindestens eine Zuleitung siphonartig ausgebildet ist, so dass von außen durch die Zuleitung in das Innere des Gehäuses fließender Feed mindestens eine Teilstrecke in vertikaler Richtung nach unten strömt;
– die Vorrichtung ein Untergestell umfasst; und
– das Gehäuse ein Granulat zum Reinigen der Oberflächen der Flachfilterelemente, insbesondere ein Granulat aus Partikeln aus einem polymeren Werkstoff mit einer spezifische Dichte von 1,0 bis 1,5 kg/dm³, enthält.

Im Sinne der Erfindung bezeichnet der Begriff ”Flachfiltermodul” ein einzelnes Flachfilterelement oder einen Stapel aus parallel und voneinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen. Ein erfindungsgemäßes Flachfiltermodul ist mit einem geschlossenen oder einem ein- oder mehrseitig offenen Gehäuse bzw. Rahmen ausgestattet, in welchem das/die Flachfilterelement(e) gehaltert sind. Im Weiteren sind Flachfiltermodule ohne Rahmen vorgesehen, wobei benachbarte Flachfilterelemente jeweils durch ein verbindendes Permeatrohr und/oder durch Abstandshalter mechanisch gekoppelt sind. Die Abstandshalter sind vorzugsweise als zylindrische oder rechteckige Distanzstücke aus einem polymeren Werkstoff ausgebildet und im Randbereich und insbesondere an den Ecken zweier benachbarter Flachfilterelemente angeordnet. Zweckmäßig sind die Abstandshalter mittels Klemmen (Clips) oder Klebeverbindungen mit den Flachfilterelementen gekoppelt. Das Gehäuse, der Rahmen oder die Abstandshalter verleihen dem Flachfiltermodul mechanische Stabilität und schützen die empfindlichen Membranen der Flachfilterelemente bei Zug- oder Druckbelastung vor Rissbildung.
Erfindungsgemäß bezeichnet der Begriff ”Vorlaufvolumen” den freien, d. h. von einer Flüssigkeit durchströmbaren Volumenanteil eines Flachfiltermoduls. Die Größe des Vorlaufvolumens ist gleich dem Produkt aus der Anzahl und Fläche der Flachfilterelemente mit dem Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Flachfilterelementen gemäß der mathematischen Relation: Vorlaufvolumen = Anzahl × Fläche × Abstand. Hierbei wird für die beiden äußeren Flachfilterelemente des Flachfiltermoduls ein freier Volumenanteil der Größe Fläche × Abstand/2 angesetzt. Die Größe des Vorlaufvolumens entspricht in etwa dem Außenvolumen des Flachfiltermoduls abzüglich des Produkts aus Anzahl, Fläche und Dicke der Flachfilterelemente.
Die Begriffe ”Steigbereich” und ”Fallbereich” bezeichnen vorgegebene Teilvolumina des Vorlaufvolumens der Flachfilterelemente, wobei die Steigbereiche mittels der Gasinjektoren eines oder mehrerer Gashebersysteme mit einem Gas, wie Luft beaufschlagt werden. Als Gashebersystem werden bevorzugt Mammutpumpen eingesetzt. Im Stand der Technik werden Mammutpumpen vor Allem häufig zum Umwälzen von Flüssigkeiten mit Feststoffgehalt, insbesondere von belebtem Schlamm in Kläranlagen verwendet.
Bei einem Gashebersystem, wie einer Mammutpumpe wird durch lokalisiertes Einblasen eines Fördergases in eine zu fördernde Flüssigkeit eine aufwärts gerichtete Strömung erzeugt. Zum Einblasen des Gases umfasst das Gashebersystem ein oder mehrere als Hohlkörper, insbesondere als Rohre ausgebildete Gasinjektoren mit einem oder mehreren, bevorzugt flächenhaft angeordneten Gasauslässen bzw. Gasdüsen. Durch das eingeblasene Gas wird die Dichte der Flüssigkeit lokal verringert, wobei aufgrund des archimedischen Prinzips eine der Schwerkraft entgegen, d. h. nach oben gerichtete Auftriebskraft wirkt. Als Fördergas wird bevorzugt Luft verwendet, die mittels einer druckerzeugenden Einrichtung, beispielsweise eines Gebläses, eines Kompressors oder dergleichen unter geringem Überdruck in die Flüssigkeit eingeblasen wird. In der Regel umfassen Gashebersysteme ein Rohr bzw. eine Steigleitung mit einer unteren Ansaugöffnung und einer oberen Auslassöffnung. Die Auslassöffnung ist zur umgebenden Atmosphäre belüftet, so dass das Fördergas, welches zwischen der Ansaugöffnung und der Auslassöffnung in die Flüssigkeit eingeblasen wird, entweichen kann. Die Steigleitung grenzt den Förder- bzw. Steigbereich, in dem die Flüssigkeit nach oben gefördert wird, von einem umgebenden Flüssigkeitsvolumen ab. Um das Prinzip der Gashebersysteme anzuwenden, ist eine Steigleitung jedoch nicht zwingend erforderlich. Zum Umwälzen von Flüssigkeiten, insbesondere von belebtem Schlamm bzw. Feed in einem Klärbecken werden zumeist Gashebersysteme ohne Steigleitung eingesetzt. Hierbei wird an vorgegebenen Stellen innerhalb des Klärbeckens Luft in den belebtem Schlamm bzw. Feed eingeblasen, wobei sich in dem oberhalb der Einblasstellen befindlichen Flüssigkeitsvolumen Steigbereiche mit aufwärts strömender Flüssigkeit ausbilden. Der Querschnitt bzw. die laterale Ausdehnung der Steigbereiche ist bestimmt durch die jeweilige laterale Anordnung der Gasauslässe bzw. Gasdüsen der Gasinjektoren des/der Gashebersystems/e. Das in die Steigbereiche eingeblasene Fördergas steigt bis zur Oberfläche der Flüssigkeit auf und wird an die Atmosphäre abgegeben, wobei die Dichte der oberflächennahen Flüssigkeit wieder auf ihren Normalwert ansteigt. In einem den Steigbereich umgebenden Volumen sinkt Flüssigkeit nach unten, um die im Steigbereich nach oben geförderte Flüssigkeit zu ersetzen. Das von der abwärts strömenden bzw. sinkenden Flüssigkeit durchsetzte Volumen wird im Weiteren als Fallbereich bezeichnet. Neben der Strömungsrichtung unterscheidet sich das Flüssigkeitsvolumen im Steigbereich von dem Flüssigkeitsvolumen im Fallbereich durch einen erhöhten Gehalt an Gasblasen.
Um die Gasinjektoren eines ersten Teils der Flachfiltermodule unabhängig von den anderen Flachfiltermodulen mit Gas zu versorgen, ist die Verwendung von zwei Gashebersystemen bzw. druckerzeugenden Einrichtungen, wie Gebläsen oder Kompressoren vorgesehen. Im Weiteren wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, die Gasversorgung der Flachfiltermodule mittels separat stellbarer Ventile ein- und auszuschalten. Hierzu sind die stellbaren Ventile in den Zuleitungen des Gashebersystems oder auch in den Flachfiltermodulen angeordnet. Bei Verwendung stellbarer Zweiwege-Ventile kann auf den Einsatz eines weiteren Gebläses/Kompressors verzichtet werden. Mit einem Gebläse/Kompressor kann je nach Ventilstellung ein erster Teil der Flachfiltermodule mit Gas beaufschlagt werden, während ein zweiter Teil von der Gasversorgung abgekoppelt ist. Nach Umschalten des/der Zweiwege-Ventile wird der zweite Teile der Flachfiltermodule mit Gas versorgt, während der erste Teil von der Gasversorgung abgekoppelt ist. Dementsprechend kann ein erster und zweiter Teil der Flachfiltermodule wechselweise mit Gas beaufschlagt werden.
Im Weiteren wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Mikro-, Ultra- oder Nanofiltrieren von Flüssigkeiten mittels einer Vorrichtung, umfassend ein oder mehrere Flachfiltermodule aus parallel und voneinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen und Gasinjektoren eines oder mehrerer Gashebersysteme, wobei eine zirkulierende, tangential zur Oberfläche der Flachfilterelemente gerichtete Crossflow-Strömung erzeugt wird mit mindestens einem Steigbereich, in dem die Crossflow-Strömung im Wesentlichen vertikal noch oben fließt, und mindestens einem Fallbereich, in dem die Crossflow-Strömung im Wesentlichen vertikal noch unten fließt, und der Steigbereich 10 bis 100% und der Fallbereich 10 bis 100% eines Vorlaufvolumens des mindestens einen Flachfiltermoduls durchsetzt.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen (Figuren) näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Klärbecken mit mehreren miteinander verbundenen Filtrationsvorrichtungen;
2 eine bekannte Filtrationsvorrichtung;
3 eine erste erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung;
4–5 perspektivische Teilansichten der Filtrationsvorrichtung der 3;
6–8 weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen von Filtrationsvorrichtungen;
9 Zuleitungen und Ableitungen für Feed und Retentat;
10 eine Filtrationsvorrichtung mit Flachfiltermodulen, wobei ein Teil der Flachfiltermodule mit Gasinjektoren ausgestattet ist; und
11 eine Filtrationsvorrichtung mit Flachfiltermodulen, in die wechselweise Gas injiziert werden kann.
1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein mit belebtem Schlamm bzw. Feed 2 gefülltes Klärbecken 1 mit mehreren über Permeatleitungen 6 miteinander verbundenen Filtrationsvorrichtungen 3, die jeweils einen oder mehrere stapelförmige Flachfiltermodule 4 aus Flachfilterelementen 5 enthalten. Der Permeatraum jedes Flachfilterelements 5 ist derart mit einer der Permeatleitungen 6 verbunden, dass Permeat aus dem Permeatraum über die Permeatleitungen 6 abfließen und, wie durch Richtungspfeile 7 angedeutet, abgeleitet werden kann. Im Stand der Technik gebräuchliche Filtrationsvorrichtungen 3 haben typischerweise einen kastenförmigen, an der Unter- und Oberseite offenen Rahmen, der als tragende Struktur für die Flachfiltermodule 4 dient. Der Rahmen kann als Gehäuse mit 1 bis 4 Seitenwänden ausgebildet sein. 2 zeigt eine Schnittansicht einer bekannten Filtrationsvorrichtung 3 mit einem Flachfiltermodul 4 aus Flachfilterelementen 5 und Seitenwänden 300. Ein Abstand zwischen je zwei benachbarten Flachfilterelementen 5 ist mit D bezeichnet. Unterhalb des Flachfiltermoduls 4 sind Gasinjektoren 100 eines Gashebersystems angeordnet. Die Gasinjektoren 100 sind über Leitungen (nicht gezeigt) mit einem Gebläse oder einem Kompressor verbunden, durch welchen ein Gas, insbesondere Luft unter geringem Druck und mit einer vorgegebenen Fördermenge (m³/h) zugeführt wird. An ihrer den Flachfilterelementen 5 zugewandten Oberseite sind die Gasinjektoren 100 mit Gasauslässen ausgestattet, durch welche das Gas in Form von Blasen 110 in den belebten Schlamm bzw. Feed 2 abgegeben wird. Durch die Gasblasen 110 wird die lokale Dichte des Feeds 2 verringert, so dass dieser gemäß dem archimedischen Prinzip verdrängt wird bzw. einer vertikal nach oben gerichteten Auftriebskraft ausgesetzt ist. Als Folge bildet sich eine kontinuierliche vertikal nach oben und tangential zur Oberfläche der Flachfilterelemente 5 gerichtete Crossflow-Strömung aus, die in 2 durch Richtungspfeile 200 angedeutet ist. Der nach oben strömende Feed 2 wird durch ”frischen” mehr oder minder gasfreien Feed 2 ersetzt, welcher aus dem Bereich unterhalb der Gasinjektoren 100 nachströmt. Dementsprechend bildet sich eine zirkulierende Strömung aus mit aufwärts gerichteten Crossflow-Anteilen 200 und abwärts gerichteten Rückströmungen 210. Im Stand der Technik sind die Gasinjektoren 100 bzw. die Gasauslässe derart unterhalb der Flachfiltermodule 4 angeordnet, dass die aufwärts gerichtete Crossflow-Strömung 200 das gesamte Vorlaufvolumen des Flachfiltermoduls 4 durchsetzt, während die abwärts gerichtete Rückströmung 210 außerhalb, d. h. in dem die Filtrationsvorrichtung 3 umgebenden Feed 2 lokalisiert ist. Das Vorlaufvolumen des Flachfiltermoduls 4, dessen Größe sich aus dem Produkt
(Anzahl der Flachfilterelemente 5) × (Fläche eines Flachfilterelements 5) × (Abstand D zwischen je zwei benachbarten Flachfilterelementen 5)
ergibt, dient als Steigbereich des Gashebersystems. Der die Filtrationsvorrichtung 3 umgebende Volumenbereich fungiert dementsprechend als Fallbereich des Gashebersystems. Der Fallbereich ist in der Draufsicht der 1 durch die schraffierte Fläche 8 gekennzeichnet. Üblicherweise sind das Klärbecken 1 oder die Filtrationsvorrichtungen 3 relativ zueinander so dimensioniert, dass die Summe der Durchgangsvolumina aller Flachfiltermodule 4 in etwa der Hälfte des im Klärbecken 1 enthaltenen Feedvolumens 2 entspricht. Ist dieses Volumenverhältnis in etwa eingehalten, so wird der Feed 2 bei der Crossflow-Rezirkulation 200, 210 im Verhältnis 1:1 umgewälzt. Dieser Sachverhalt ist in 1 maßstäblich wiedergegeben, wobei die Fläche 8 in etwa so groß ist wie die Querschnittsfläche eines Flachfiltermoduls 4 und die Summe aus den Querschnittsflächen aller Flachfiltermodule 4 und der sie umgebenden Flächen 8 der Querschnittsfläche des Klärbeckens 1 entspricht.
3 zeigt eine erste erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung 10 mit einem Gehäuse mit Seitenwänden 11, einem Flachfiltermodul 4 mit Flachfilterelementen 5 und Gasinjektoren 13, die anein Gashebersystem angeschlossen sind. Die druckerzeugende Einrichtung des Gashebersystems, bei der es sich vorzugsweise um ein Gebläse handelt sowie die Versorgungsleitungen von der druckerzeugenden Einrichtung zu den Gasinjektoren 13 sind in 3 nicht gezeigt, um die Darstellung übersichtlich zu halten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine oder mehrere Filtrationsvorrichtungen von einer oder mehreren, insbesondere von zwei druckerzeugenden Einrichtungen versorgt werden. Dementsprechend betrifft die Erfindung zum Einen Filtrationsvorrichtungen mit Gasinjektoren 13 und Anschlüssen zum Verbinden der Gasinjektoren 13 mit einem Leitungsnetzwerk einer oder mehrerer druckerzeugender Einrichtungen und zum Anderen Filtrationsvorrichtungen, die neben den Gasinjektoren 13 auch eine dedizierte druckerzeugende Einrichtung aufweisen.
Der Abstand zwischen je zwei benachbarten Flachfilterelementen 5 ist in 3 mit D bezeichnet. Die Filtrationsvorrichtung 10 unterscheidet sich von bekannten Vorrichtungen dadurch, dass eine zirkulierende Crossflow-Strömung 50, 60 im Wesentlichen auf das Innenvolumen der Filtrationsvorrichtung 10 beschränkt ist, wobei ein Steigbereich des Gashebersystems 10 bis 80% des Vorlaufvolumens des Flachfiltermoduls 4 und ein Fallbereich des Gashebersystems 90 bis 20% des Vorlaufvolumens des Flachfiltermoduls 4 durchsetzt.
Außerdem zeigt 3 optionale Gasinjektoren 13' (mit gestrichelten Linien gezeichnet), die an ein weiteres Gasheberssystem anschließbar sind und unabhängig von den Gasinjektoren 13 mit Gas versorgt werden können. Die Gasinjektoren 13 und 13' sind für einen wechselweisen Betrieb vorgesehen, der es gestattet, die Richtung der zirkulierenden Crossflow-Strömung 50, 60 umzukehren. Eine Umkehrung der Richtung der zirkulierenden Crossflow-Strömung 50, 60 ist vorteilhaft bei der Verwendung eines Granulates zur mechanischen Reinigung der Membranoberflächen. Derartige Granulate, die vorzugsweise aus polymeren Partikeln mit einer spezifische Dichte im Bereich von 1,0 bis 1,5 kg/dm³ bestehen, werden von der rezirkulierenden Crossflow-Strömung 50, 60 mitgeführt, wobei sie auf den Membranoberflächen kontinuierlich gebildete Foulingbeläge sanft abrasiv entfernen. Aufgrund der auf die Granulatpartikel wirkenden Schwerkraft unterscheiden sich die Geschwindigkeiten der Granulatpartikel relativ zur Membranoberfläche in den Steig- und Fallbereichen, d. h. in der aufwärts bzw. abwärts fließenden Crosflow-Strömung erheblich voneinander. Dementsprechend unterscheidet sich auch ihre Reinigungswirkung, wobei die in den Fallbereichen höhere Relativgeschwindigkeit der Granulatpartikel eine effektivere Entfernung der Foulingbeläge bewirkt. Durch Umkehrung der Richtung der zirkulierenden Crossflow-Strömung 50, 60 in regelmäßigen Zeitabständen gelingt es, über das gesamte Vorlaufvolumen der Filtrationsvorrichtung eine gleichmäßige Reinigung der Membranoberflächen zu gewährleisten.
4 gibt eine perspektivische Teilansicht der Filtrationsvorrichtung 10 wieder. Die Gasinjektoren 13 weisen an ihrer dem Filtrationsmodul 4 zugewandten Oberseite Gasauslässe 14 auf. Vertikale Projektionen 140 der Gasauslässe 14 durchsetzen definierte Bereiche des Vorlaufvolumens des Flachfiltermoduls 4. Jede der vertikalen Projektionen 140 entspricht dem ”idealen” Pfad einer Gasblase, die von einem der Gasauslässe 14 ohne seitliche Ablenkung zu dem Flachfiltermodul 4 aufsteigt. Aufgrund von Turbulenzen in der Flüssigkeit 2 weicht der tatsächliche Pfad jeder aufsteigenden Gasblase von der vertikalen Projektion 140 ab. Aufgrund der zufälligen, statistisch normalverteilten seitlichen Ablenkungen (random walk) jeder aufsteigenden Gasblase durchsetzt die Gesamtheit der Pfade der aus einem Gasauslass 14 austretenden Gasblasen ein zur jeweiligen vertikalen Projektion 140 rotationssymmetrisches konusförmiges Volumen (Blasenkegel), dessen Ausgangspunkt bzw. Spitze der jeweilige Gasauslass 14 bildet. Erfindungsgemäß bevorzugt sind die Gasinjektoren 13 derart ausgebildet, dass ihre Gasauslässe 14 in horizontal ausgerichteten zusammenhängenden Flächenbereichen angeordnet und lateral voneinander gleichmäßig beabstandet sind. Der laterale Abstand benachbarter Gasauslässe 14 beträgt 0,2 bis 50 mm, so dass sich die zugehörigen Blasenkegel nach einer Aufstiegsstrecke von 1 bis 10 cm überlagern bzw. vereinigen. Erfindungsgemäß ist dieser Sachverhalt mit dem Begriff, der ”vertikalen Projektionen, die eine horizontal angeordnete Fläche vorgegebener Größe durchsetzen” bezeichnet.
In 5 ist die flächenhafte Anordnung der Gasauslässe 14 anschaulich dargestellt. Demnach sind die Gasauslässe 14 in zwei gleich großen Flächen, die jeweils eine Länge B und eine Breite G haben, angeordnet. Die von den Gasauslässen 14 mit Gas versorgte Fläche hat somit eine Größe von 2·B·G. Im Weiteren ist in 5 eine horizontale Querschnittsfläche AF des Flachfiltermoduls 4 mit einer Länge von A und einer Breite von F gezeigt, wobei die Querschnittsfläche AF lediglich durch eine kleine schraffierte Teilfläche angedeutet ist, um die perspektivische Sicht auf andere Teile der 5 nicht zu verdecken. Erfindungsgemäß beträgt der Anteil der von den vertikalen Projektionen 140 der Gasauslässe 14 durchsetzten Querschnittsfläche AF 10 bis 80%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55%. Gemäß der in 5 gezeigten Anordnung entsprechen diese Bedingungen den folgenden mathematischen Relationen:
0,1·A·F ≤ 2·B·G ≤ 0,8·A·F; und insbesondere
0,3·A·F ≤ 2·B·G ≤ 0,6·A·F
Allgemein können die Gasauslässe 14 in beliebiger Weise derart angeordnet sein, dass ihre vertikalen Projektionen 140 eine zusammenhängende Teilfläche oder mehrere, etwa 2 bis 4 voneinander getrennte Teilflächen beliebiger Gestalt durchsetzen. Erfindungsgemäß ist jedoch die in den 3 bis 5 gezeigte symmetrische Konfiguration mit zwei rechteckigen unterhalb der linken und rechten Seite des Flachfiltermoduls 4 angeordneten Teilflächen bevorzugt.
Zweckmäßig weisen die Gasinjektoren 13 eine im Stand der Technik übliche Bauweise auf und umfassen Leitungen bzw. Rohre, deren Wand zahlreiche Öffnungen aufweist und deren Außenseite von einer elastischen, für Flüssigkeit undurchlässigen Membran mit feinen Schlitzen umhüllt ist. Die elastische Membran ist derart vorgespannt, dass die feinen Schlitze, die als Gasauslässe 14 dienen, sich wie Einwegventile verhalten. Sobald der Gasdruck in dem Gasinjektor 13 und somit an der Innenseite der elastischen Membran den hydrostatischen Druck der umgebenden Flüssigkeit übersteigt, wird Gas durch die Schlitze hindurch gepresst und in Form von feinen Blasen in die umgebende Flüssigkeit abgegeben. Ist der Gasdruck in den Gasinjektoren 13 niedriger als der hydrostatische Druck der umgebenden Flüssigkeit sind die Schlitze in der Membran geschlossen, so dass kein Gas austreten und keine Flüssigkeit in die Gasinjektoren 13 gelangen kann.
Wie in 3 durch Richtungspfeile 80 angedeutet, bildet sich in dem die Filtrationsvorrichtung 10 umgebenden Flüssigkeitsvolumen 2 ein Nebenschluss-Kreislauf aus. Der Nebenschluss-Kreislauf 80 entsteht, weil zum Einen Permeat, welches aus den Flachfilterelementen 5 abfließt, durch Feed bzw. umgebende Flüssigkeit 2 ersetzt wird und zum Anderen, weil ein Teil der zirkulierenden Crossflow-Strömung 50, 60 mit dem die Filtrationsvorrichtung 10 umgebenden Flüssigkeitsvolumen 2 wechselwirkt.
Erfindungsgemäß ist das Gashebersystem der Filtrationsvorrichtung(en) derart ausgestaltet, dass es geeignet ist, einen Gasstrom von 0,1 bis 0,5 m³ je m² Membranoberfläche der Flachfilterelemente und Stunde in den belebten Schlamm bzw. Feed 2 abzugeben. Hierfür ist die druckerzeugende Einrichtung des Gashebersystems, wie beispielsweise ein Gebläse oder ein Kompressor mit einem regelbaren Antrieb ausgerüstet, der es gestattet, die pro Zeiteinheit geförderte Gasmenge (m³/h) zu steuern und auf den für die gesamte Membranoberfläche einer oder mehrerer der erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtungen erforderlichen Wert einzustellen. Im Weiteren ist die druckerzeugende Einheit so ausgelegt, dass sie auch bei hohen Förderraten den an den Gasinjektoren zur Gasabgabe benötigten Druck erzeugt, um den hydrostatischen Druck des Feeds 2 und den Öffnungswiderstand der Gasauslässe zu überwinden.
Im Betrieb stehen die in der Filtrationsvorrichtung umgesetzen Volumenströme der verschiedenen Flüssigkeiten in etwa in folgendem Verhältnis:

(i) rezirkulierender Crossflow = 100x bis 300x Permeatfluss
(ii) Feedzulauf = 4x bis 6x Permeatfluss

(iii) Feedvolumen = Retentatvolumen + Permeatvolumen

Hierbei ist zu beachten, dass sich aufgrund der Konstruktionsweise der Flachfiltermodule sowie des in einem (offenen) Kreislauf geführten Crossflows die Feed- und Retentatströme kontinuierlich vermischen und praktisch nicht trennbar sind.
In 6 ist ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung 10' dargestellt, die auf dem in den 3 bis 5 gezeigten Konstruktionsprinzip basiert, wobei ein Steigbereich 10 bis 80%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55% des Vorlaufvolumens eines Flachfiltermoduls 4 und ein Fallbereich 90 bis 20%, vorzugsweise 70 bis 40% und insbesondere 55 bis 45% des Vorlaufvolumens des Flachfiltermoduls 4 durchsetzt. Der Steigbereich ist dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Flachfilterelemente 5 des Flachfiltermoduls 4 Gasinjektoren 13 mit Gasauslässen angeordnet sind. Die Filtrationsvorrichtung 10' umfasst ein Gehäuse mit vier im Wesentlichen geschlossenen Seitenwänden 11 und ist an einer oberen Seite mit Blenden 17 ausgestattet, die eine Ableitung 16 für Feed und/oder Retentat begrenzen. Die Blenden 17 verhindern, dass Feststoffe, wie ein optional verwendetes Granulat zum Reinigen der Oberflächen der Flachfilterelemente 5, aus dem Innenraum der Filtrationsvorrichtung 10' ausgeschwemmt werden. Die spezifische Dichte des optional eingesetzten Granulats ist größer als die spezifische Dichte von Wasser, die 1 kg/dm³ beträgt. Dementsprechend werden Granulatpartikel in der Flüssigkeit 2 lediglich in dem Steigbereich der Crossflow-Strömung 50, 60 suspendiert bzw. nach oben mitgeführt. Nahe der Oberfläche der Flüssigkeit an den Umkehrpunkten der Crossflow-Strömung 50, 60 werden die Granulatpartikel nach unten mitgeführt bzw. sinken aufgrund der Schwerkraft nach unten. Die Blenden 17, die bevorzugt in der in 6 gezeigten Weise als flache, horizontal angeordnete Wandelemente ausgebildet sind, stellen für die Granulatpartikel eine praktisch unüberwindbare Barriere dar. In einem Bodenbereich der Filtrationsvorrichtung 10' sind Gasinjektoren 13 angeordnet. Unterhalb der Gasinjektoren 13 ist eine Bodenwand 12 mit Zuleitungen bzw. Durchgängen 15 für Feed vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Filtrationsvorrichtung 10' ein Untergestell 18, das auf dem Boden 400 eines Behältnisses für die zu reinigende Flüssigkeit 2 ruht und die vertikale Position der Gasinjektoren 13 und des Flachfiltermoduls 4 in der Flüssigkeit 2 bestimmt. Die weiteren Bezugszeichen der 6 haben die gleiche Bedeutung, wie vorstehend im Zusammenhang mit 3 erläutert.
7 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung 20. Die Filtrationsvorrichtung 20 umfasst ein Gehäuse mit vier im Wesentlichen geschlossenen Seitenwänden 21 und einer Bodenwand 22. Die Filtrationsvorrichtung 20 wird bevorzugt derart in der zu filternden Flüssigkeit 2 angeordnet, dass die oberen Ränder der Seitenwände 21 über die Oberfläche der zu filternden Flüssigkeit 2 hinausragen und das Innenvolumen der Filtrationsvorrichtung 20 gegenüber dem umgebenden Flüssigkeitsvolumen 2 im Wesentlichen abgeschlossen ist. Um einen quantitativ einstellbaren Flüssigkeitsaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen, ist mindestens eine Zuleitung 25 und eine Ableitung 26 vorgesehen, die jeweils in einer oder mehreren der Seitenwände 21 angeordnet sind. Vorzugsweise ist die mindestens eine Zuleitung 25 in einem unteren Drittel der Filtrationsvorrichtung 20 in etwa in Höhe der Gasinjektoren 13 des Gashebersystems angebracht. Die Ableitung 26 hingegen ist vorzugsweise in einem oberen Drittel der Filtrationsvorrichtung 20 unterhalb und nahe der Oberfläche der Flüssigkeit 2 angeordnet. Über die Zuleitung 25 fließt pro Zeiteinheit ein Volumen in das Innere der Filtrationsvorrichtung das mindestens der als Permeat aus dem Flachfiltermodul 4 abgeführten Flüssigkeitsmenge entspricht. Darüber hinaus bildet sich ein Nebenschluss-Kreislauf 80 aus, dessen Stromstärke von der Intensität der internen Crossflow-Strömung 50, 60 und der Geometrie und Anordnung, insbesondere jedoch von dem Innenquerschnitt der Zu- und Ableitungen 25, 26 abhängt. Der Nebenschluss-Kreislauf 80 bestimmt das Flüssigkeitsvolumen, das pro Zeiteinheit zwischen dem Inneren der Filtrationsvorrichtung 20 und der umgebenden Flüssigkeit 2 ausgetauscht wird. Durch entsprechende Dimensionierung der Innenquerschnitte der Zuleitungen 25 und der Ableitungen 26 kann dieses Austauschvolumen geregelt werden.
Um einen Austrag von Feststoffen, insbesondere eines Granulats zum Reinigen der Oberflächen der Flachfilterelemente 5, aus dem Innenraum der Filtrationsvorrichtungen 20 zu vermeiden, ist die Ableitung 26 mit einer Blende 27 ausgestattet. Wie bereits im Zusammenhang mit 6 erläutert, ist die spezifische Dichte des Materials, aus dem die Granulatpartikel bestehen, größer als die spezifische Dichte von Wasser. Dementsprechend werden die Granulatpartikel in der Flüssigkeit 2 lediglich in dem Steigbereich der Crossflow-Strömung 50, 60 suspendiert bzw. nach oben mitgeführt. Nahe der Oberfläche der Flüssigkeit an den Umkehrpunkten der Crossflow-Strömung 50, 60 werden die Granulatpartikel nach unten mitgeführt bzw. sinken aufgrund der Schwerkraft nach unten. Somit kann ein Austrag der Granulatpartikel in die Ableitung 26 effektiv verhindert werden mittels einer Blende 27, die bevorzugt in der in 7 gezeigten Weise als konkaves Element ausgebildet ist, welches den Durchgang der Ableitung 26 durch die Wand 21 umschließt und einen oberen Rand aufweist, der oberhalb des Durchgangs der Ableitung 26 angeordnet ist.
8 zeigt ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Filtrationsvorrichtung 30. Die Filtrationsvorrichtung 30 umfasst ein Gehäuse mit vier im Wesentlichen geschlossenen Seitenwänden 31 und einer Bodenwand 32. Die Filtrationsvorrichtung 30 wird bevorzugt derart in der zu filternden Flüssigkeit 2 angeordnet, dass die oberen Ränder der Seitenwände 31 über die Oberfläche der zu filternden Flüssigkeit 2 hinausragen und das Innenvolumen der Filtrationsvorrichtung 30 gegenüber dem umgebenden Flüssigkeitsvolumen 2 im Wesentlichen abgeschlossen ist. Um einen quantitativ einstellbaren Flüssigkeitsaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen, ist mindestens eine Zuleitung 35 und eine Ableitung 36 vorgesehen. Die mindestens eine Zuleitung 36 ist vorzugsweise rohrförmig ausgebildet mit einer Einlassöffnung nahe der Oberfläche der Flüssigkeit 2 und einem Durchgang zu der Filtrationsvorrichtung 30 in einem unteren Drittel einer der Seitenwände 31 nahe Gasinjektoren 13 eines Gashebersystems. Die Ableitung 36 ist in der Bodenwand 32 angeordnet. Zweckmäßig ist die Ableitung 36 siphonartig ausgebildet, so dass vom Inneren der Filtrationsvorrichtung 30 durch die Ableitung 36 nach außen fließender Feed und/oder Retentat mindestens eine Teilstrecke in vertikaler Richtung nach oben strömt. Insbesondere umfasst die Ableitung 36 eine Haube 37 zum Rückhalten von Granulat, so dass dieses aus der Filtrationsvorrichtung 30 nicht ausgetragen wird.
Zweckmäßig sind auch die Filtrationsvorrichtungen 10, 20 und 30, analog zu der in 6 gezeigten Filtrationsvorrichtung 10' mit einem Untergestell 18 ausgestattet.
Die in den 3 bis 8 dargestellten Gasinjektoren 13 sind rohrförmig ausgebildet, wobei die Längsachse jedes Gasinjektors 13 im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene und in einer zu den unteren Kanten der Flachfilterelemente 5 parallelen Richtung ausgerichtet ist. Abweichend von den beispielhaften Ausführungsformen der 3 bis 8 sind erfindungsgemäß auch Filtrationsvorrichtungen vorgesehen, bei denen die Längsachse jedes Gasinjektors 13 im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene und in einer senkrecht zu den unteren Kanten der Flachfilterelemente 5 verlaufenden Richtung ausgerichtet ist.
In 9 sind weitere erfindungsgemäße Beispiele von Zu- und Ableitungen für Feed und Retentat wiedergegeben.
In 9(a) ist eine siphonartig ausgebildete rohrförmige Zuleitung 250 dargestellt, die in einem unteren Drittel einer Seitenwand 21 einer Filtrationsvorrichtung der in 7 gezeigten Art angeordnet ist. Die Strömung von einem umgebenden Flüssigkeitsvolumen in das Innere der Filtrationsvorrichtung ist durch einen Richtungspfeil 81 angedeutet.
9(b) zeigt eine siphonartig ausgebildete rohrförmige Ableitung 260, die in einem oberen Drittel einer Seitenwand 21 einer analog zu 7 konstituierten Filtrationsvorrichtung angeordnet ist. Die Strömung vom Inneren der Filtrationsvorrichtung zum umgebenden Flüssigkeitsvolumen ist durch einen Richtungspfeil 82 angedeutet.
In 9(c) ist eine siphonartig ausgebildete rohrförmige Ableitung 360 dargestellt, die in einer Bodenwand 32 einer Filtrationsvorrichtung der in 8 gezeigten Art angeordnet ist. Die Strömung vom Inneren der Filtrationsvorrichtung zum umgebenden Flüssigkeitsvolumen ist durch einen Richtungspfeil 83 angedeutet.
Neben den in 9 gezeigten Beispielen sind erfindungsgemäß weitere Ausgestaltungen von Zu- und Ableitungen für Feed- und Retentat vorgesehen, bei denen ein Durchgang durch eine Seiten- oder Bodenwand der Filtrationsvorrichtung von einem Rückhaltekasten mit vier Wanden derart umgeben ist, dass eine Flüssigkeit die vom Inneren der Filtrationsvorrichtung nach außen zu einem umgebenden Flüssigkeitsvolumen fließt, eine vertikale Teilstrecke in einer zur Schwerkraft entgegengesetzten Richtung zurücklegt.
10 und 11 zeigen weitere Filtrationsvorrichtungen 40 und 41, die die Erfindungsidee in besonders zweckmäßiger Weise verkörpern. Die Filtrationsvorrichtung 40 umfasst m Flachfiltermodule 4, 4', wovon n Flachfiltermodule 4 mit Gasinjektoren 13 eines Gashebersystems ausgestattet sind. Die Buchstaben m und n bezeichnen natürliche Zahlen, die die folgenden Bedingungen

(a) m ≥ 2 und
(b) m > n ≥ 1

4

4'

13

4

70

4'

71

13

14

4

In der in 11 wiedergegebenen Filtrationsvorrichtung 41 sind die (m – n) Flachfiltermodule 4' mit Gasinjektoren 13' eines weiteren Gashebersystems verbunden. Diese Anordnung gestattet es, wechselweise vermittels der Gasinjektoren 13 oder 13' Gas in die Flachfiltermodule 4 oder 4' zu injizieren. Dementsprechend kann wechselweise in den Flachfiltermodulen 4 oder in den Flachfiltermodulen 4' eine aufwärts gerichtete Crossflow-Strömung 70 oder eine abwärts gerichtete Crossflow-Strömung 71 erzeugt werden.
In 10 und 11 sind die Flachfiltermodule 4 und 4' voneinander beabstandet, um den modularen Aufbau der Vorrichtungen 40 und 41 zu verdeutlichen. Erfindungsgemäß sind jedoch Ausführungsformen bevorzugt, in denen die Flachfiltermodule 4 und 4' unmittelbar, d. h. ohne zwischenliegenden Abstand angeordnet sind. Hierdurch wird der Platzbedarf, der Vorrichtung 40, 41 verringert und die abwärts fließende Feedflow-Strömung 71 auf die jeweils dafür vorgesehenen Flachfiltermodule konzentriert.
Vorzugsweise sind in den Filtrationsvorrichtungen 40 und 41 jeweils ein Flachfiltermodul 4 und ein Flachfiltermodul 4' nebeneinander angeordnet. Hierzu ist zweckmüßig die Anzahl der Flachfiltermodule 4 und 4' gleich groß, d. h. m = 2·n. Beispielsweise sind die Flachfiltermodule 4 und 4' in jeweils nebeneinender liegenden Reihen angeordnet, wobei eine Reihe aus Flachfiltermodulen 4 und eine hierzu benachbarte Reihe aus Flachfiltermodulen 4' zusammengesetzt ist. Im Weiteren sind Anordnungen vorgesehen, bei denen ein Flachfiltermodul 4 bzw. 4' an seinen vier Seiten von vier Flachfiltermodulen 4' bzw. 4 umgeben ist (schachbrettartige Anordnung).
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Filtrationsvorrichtungen 10', 20, 30, 40, 41 ein Granulat, das mit der Crossflow-Strömung 50, 60 im Inneren der Filtrationsvorrichtungen 10', 20, 30, 40, 41 zirkuliert und an den Oberflächen der Flachfilterelemente 5 anhaftende Rückstände, insbesondere eine biologische Foulingschicht (Membranfouling) mechanisch entfernt.
Das Granulat besteht aus nicht-porösen Partikeln aus einem polymeren Material mit einer Dichte von 1,0 bis 1,5 kg/dm³, vorzugsweise 1,0 bis 1,3 kg/dm³, und insbesondere 1,0 bis 1,1 kg/dm³. Das polymere Material ist gewählt aus einer Gruppe umfassend, Mineralpartikel enthaltendes Polypropylen, Polycarbonatblends, thermoplastische Polyurethanelastomere, Polymethylmethacrylat, Polybutylenterephthalat, Polyoximethylen, Polyethylen, und Polyvinylchlorid. Die Partikel des Granulats weisen einen mittleren Durchmesser kleiner 5 mm, insbesondere von 1,5 bis 3,5 mm auf. Die Partikel werden aus dem jeweiligen Polymermaterial mittels bekannter Granulat-Verfahren hergestellt. Beispielsweise wird ein ggf. mit Füllstoffen gemischtes Pulver des betreffenden Polymers bzw. Copolymers plastifiziert und durch eine Düse in ein Fällungsbad ausgespritzt. Hierbei werden im wesentlichen kugel-, linsen- oder zylinderförmige Polymerpartikel erzeugt, in die ggf. Füllstoffe eingebettet sind. Die erzeugten Polymerpartikel werden anschließend gesiebt und getrocknet. Die Größe und Oberflächenbeschaffenheit der Partikel ist über den Durchmesser der Düsenöffnungen, den Druck, die Zusammensetzung des Fällungsbades und die Prozesstemperatur in weiten Bereichen einstellbar. Erfindungsgemäß weisen die Partikel eine Oberfläche auf mit einer mittleren Rauheit Rtm von kleiner 40 μ, vorzugsweise von kleiner 30 μm, und insbesondere kleiner 20 μm. Die mittlere Rauheit Rtm der Partikel wird gemäß DIN EN ISO 4287 ermittelt. Zur Durchführung der Messung wird zunächst von mindestens 12 der Partikel mittels einer Formmasse ein halbseitiger Abdruck genommen. Als Form- bzw. Abdruckmasse wird ein Präzisionsabformmaterial auf Silikonbasis, z. B. hochviskoses kondensationsvernetzendes Polysiloxan gemäß DIN 13 913 A2, ISO 4823 oder Elastosil M1470 (Wacker-Chemie GmbH) verwendet. Nach dem Aushärten der Abformmasse wird an den halbseitigen konkaven Abdrücken der Partikel mittels eines DIN EN ISO 3274 konformen Tastschnittgerätes (z. B. Hommel Tester T 4000) ein Primärprofil aufgezeichnet. Um eine möglichst lange Messtrecke zu erhalten, wird die Messspitze des Tastschnittgerätes möglichst mittig durch den jeweiligen Abdruck eines Partikels gelegt. Die kugel-, linsen- oder zylinderförmige Oberflächenkontur und eine eventuell vorhandene langwellige Oberflächenstruktur der Partikel bzw. der entsprechenden Abdrücke in der Abformmasse wird durch softwaregestützte Filterung gemäß DIN EN ISO 11562 aus dem gemessenen Primärprofil entfernt, um ein Rauheitsprofil und dessen Gesamthöhe Rt (maximale Höhe zwischen der höchsten Spitze und dem tiefsten Tal) zu erhalten. Abschließend wird die mittlere Rauheit Rtm als Mittelwert der Rauheiten Rt der mindestens 12 abgeformten Partikel bestimmt.
Die Konzentration des Granulats in den Filtrationsvorrichtungen 10', 20, 30 beträgt, bezogen auf das Flüssigkeitsvolumen 1 bis 10 kg/m³, insbesondere etwa 3 bis 5 kg/m³.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1445240 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 4287 [0060]
DIN 13 913 A2 [0060]
ISO 4823 [0060]
DIN EN ISO 3274 [0060]
DIN EN ISO 11562 [0060]

Claims

Vorrichtung (10, 10', 20, 30, 40, 41) für Mikro-, Ultra- oder Nanofiltration, umfassend ein oder mehrere Flachfiltermodule (4, 4') aus parallel und voneinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen (5) und Gasinjektoren (13, 13') eines oder mehrerer Gashebersysteme zum Erzeugen einer zirkulierenden, tangential zur Oberfläche der Flachfilterelemente (5) gerichteten Crossflow-Strömung (50, 60, 70, 71) mit mindestens einem Steigbereich, in dem die Crossflow-Strömung (50, 60, 70) im Wesentlichen vertikal noch oben fließt, und mindestens einem Fallbereich, in dem die Crossflow-Strömung (50, 60, 71) im Wesentlichen vertikal noch unten fließt, und der Steigbereich 10 bis 100% und der Fallbereich 10 bis 100% eines Vorlaufvolumens des mindestens einen Flachfiltermoduls (4, 4') durchsetzt.
Vorrichtung (10, 10', 20, 30, 40, 41) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigbereich 10 bis 80%, bevorzugt 30 bis 60%, und insbesondere 45 bis 55% und der Fallbereich 90 bis 20%, bevorzugt 70 bis 40%, und insbesondere 55 bis 45% des Vorlaufvolumens der Flachfiltermodule (4, 4') durchsetzt.
Vorrichtung (10, 10', 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gasauslässe (14) der Gasinjektoren (13) eines Gashebersystems zum Abgeben eines Gases, wie Luft unterhalb des mindestens einen Flachfiltermoduls (4) angeordnet sind und vertikale Projektionen (140) der Gasauslässe (14) 10 bis 80%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55% einer horizontalen Querschnittsfläche AF des mindestens einen Flachfiltermoduls (4) durchsetzen.
Vorrichtung (10, 10', 20, 30) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gasauslässe (14) der Gasinjektoren eines weiteren Gashebersystems zum Abgeben eines Gases, wie Luft unterhalb des mindestens einen Flachfiltermoduls (4) angeordnet sind und vertikale Projektionen (140) der Gasauslässe (14) 90 bis 20%, vorzugsweise 70 bis 40% und insbesondere 55 bis 45% einer horizontalen Querschnittsfläche AF des mindestens einen Flachfiltermoduls (4) durchsetzen.
Vorrichtung (40, 41) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie m Flachfiltermodule (4, 4') umfasst, von denen n Flachfiltermodule (4) mit Gasinjektoren (13) eines Gashebersystems ausgerüstet sind, wobei m und n natürliche Zahlen sind mit m ≥ 2 und m > n ≥ 1, die Gasinjektoren (13) mit Gasauslässen (14) ausgestattet sind und vertikale Projektionen (140) der Gasauslässe (14) 10 bis 100%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55% einer horizontalen Querschnittsfläche AF jedes der n Flachfiltermodule (4) durchsetzen.
Vorrichtung (41) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass (m – n) Flachfiltermodule (4') mit Gasinjektoren (13') eines weiteren Gashebersystems ausgerüstet sind, wobei die Gasinjektoren (13') mit Gasauslässen (14) ausgestattet sind und vertikale Projektionen (140) der Gasauslässe (14) 10 bis 100%, vorzugsweise 30 bis 60% und insbesondere 45 bis 55% einer horizontalen Querschnittsfläche AF jedes der (m – n) Flachfiltermodule (4') durchsetzen.
Vorrichtung (10, 10', 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse mit Seitenwänden (11, 21, 31) und gegebenenfalls einer Bodenwand (12, 22, 32) aufweist.
Vorrichtung (10', 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens eine Zuleitung (15, 25, 35) zum Zuführen von Feed und mindestens eine Ableitung (16, 26, 36) zum Abführen von Feed und/oder Retentat aufweist.
Vorrichtung (20, 30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ableitung (26, 36) siphonartig ausgebildet ist, so dass vom Inneren des Gehäuses durch die Ableitung (26, 36) nach außen fließender Feed und/oder Retentat mindestens eine Teilstrecke in vertikaler Richtung nach oben strömt.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ableitung (26) in einem oberen Drittel einer Seitenwand (21) angeordnet ist und vorzugsweise eine Blende (27) zum Rückhalten von Feststoffen im Inneren des Gehäuses umfasst.
Vorrichtung (30) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ableitung (36) in der Bodenwand (32) angeordnet ist und vorzugsweise eine Haube (37) zum Rückhalten von Feststoffen im Inneren des Gehäuses umfasst.
Vorrichtung (20, 30) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zuleitung (25, 35) siphonartig ausgebildet ist, so dass von außen durch die Zuleitung (25, 35) in das Innere des Gehäuses fließender Feed mindestens eine Teilstrecke in vertikaler Richtung nach unten strömt.
Vorrichtung (10, 10', 20, 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Untergestell (18) umfasst.
Vorrichtung (10', 20, 30) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Gehäuses ein Granulat zum Reinigen der Oberflächen der Flachfilterelemente (5), insbesondere ein Granulat aus Partikeln aus einem polymeren Werkstoff mit einer spezifischen Dichte von 1,0 bis 1,5 kg/dm³, enthalten ist.
Verfahren zum Mikro-, Ultra- oder Nanofiltrieren von Flüssigkeiten mittels einer Vorrichtung (10, 10', 20, 30, 40, 41), umfassend ein oder mehrere Flachfiltermodule (4, 4') aus parallel und voneinander beabstandet angeordneten Flachfilterelementen (5) und Gasinjektoren (13, 13') eines oder mehrerer Gashebersysteme, wobei eine zirkulierende, tangential zur Oberfläche der Flachfilterelemente (5) gerichtete Crossflow-Strömung (50, 60, 70, 71) erzeugt wird mit mindestens einem Steigbereich, in dem die Crossflow-Strömung (50, 60, 70) im Wesentlichen vertikal noch oben fließt, und mindestens einem Fallbereich, in dem die Crossflow-Strömung (50, 60, 71) im Wesentlichen vertikal noch unten fließt, und der Steigbereich 10 bis 100% und der Fallbereich 10 bis 100% eines Vorlaufvolumens des mindestens einen Flachfiltermoduls (4, 4') durchsetzt.