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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Betreiben einer Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung in Hausinstallationen, bei dem Rohwasser durch zumindest ein Filtermodul geleitet wird, und einem Ultrafiltrationsanlage für Trinkwasser als solche.
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Bei der kommunalen oder industriellen Wasseraufbereitung werden Ultrafiltrationsanlagen zur Abtrennung von Feststoffen, Trübstoffen und Mikroorganismen eingesetzt. Eine Ultrafiltrationsanlage entfernt dabei die Feststoffpartikel, Bakterien und andere Keime nahezu vollständig aus dem Wasser. Dazu wird Rohwasser, z. B. Oberflächenwasser, mit Druck durch in Filtermodulen angeordnete, röhrchenförmige Filterelemente gepresst, die üblicherweise einen Innendurchmesser von ca. 0,5 bis 2 mm haben. Der eigentliche Filtrationsprozess findet in feinporigen Wandungen der Filterelemente statt, die eine Porenweite von ca. 0,01 bis 0,05 μm besitzen und dadurch Feststoffe ab einer Größe von ca. 0,05 μm zurückhalten. Keime, wie Bakterien, Viren oder Pilze, sind wesentlich größer als 0,05 μm und können daher eine Ultrafiltrationsmembran nicht passieren und werden aus dem Wasser entfernt. Während des Betriebs einer Ultrafiltrationsanlage werden somit die im Rohwasser enthaltenen Feststoffpartikel und Keime als Filterrückstände zurückgehalten. Dadurch lagert sich auf den Wandoberflächen der Filterelemente ein Belag aus organischen und anorganischen Feststoffen ab, das sogenannte „Fouling”. Die Ablagerungen auf den Filterelementen erhöhen den Filtrationswiderstand und verringern den Durchsatz von Rohwasser und damit auch die Leistungsfähigkeit der Ultrafiltrationsanlage. Daher müssen die Ablagerungen regelmäßig entfernt werden, um ein Zusetzen und damit ein Verschließen der Filterelemente zu verhindern. Dieses Entfernen erfolgt durch das sogenannte „Rückspülen”.
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Bei dem Rückspülen wird zwischen einem Filtrierbetrieb und einem Rückspülbetrieb umgeschaltet. Dazu werden mechanisch und elektromagnetisch betriebene Ventile, die in Leitungen zu und von den Filtermodulen vorgesehen sind, schlagartig umgeschaltet. Dadurch wird ein schnelles Umschalten zwischen den Betriebsarten erreicht. Nachteilig dabei ist das Auftreten von Druckschlägen, die die Membrane der Ultrafiltrationsanlagen belasten oder zerstören können.
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Die Rückspülung von Ultrafiltrationsmembranen wird häufig durch die Zugabe von Chemikalien unterstützt. Dazu werden zur Unterstützung des Rückspülens diskontinuierlich Biozide und Reinigungsmittel in hohen Konzentrationen eingesetzt, die anschließend aufwendig aus den Filterelementen ausgespült werden müssen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Ultrafiltrationsanlage und einer Ultrafiltrationsanlage als solche bereitzustellen, die eine Verbesserung der Trinkwasserqualität in der Hausinstallation und einen Einsatz der Filterelemente über einen längeren Zeitraum ermöglicht und dadurch die gesundheitliche Vorsorge und die Energieeffizienz bei der Warmwasserbereitung verbessert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches und eine Ultrafiltrationsanlage mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Figur aufgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung in der Hausinstallation, bei dem Rohwasser durch zumindest ein Filtermodul geleitet wird, sieht vor, dass Chlordioxid als chemisches Desinfektionsmittel mengenproportional dosiert zugegeben wird. Durch die mengenproportionale Dosierung des chemischen Desinfektionsmittels ist es möglich, über eine Dosierpumpe das Desinfektionsmittel dem Rohwasser oder dem Rückspülwasser in einer exakten Dosierung zuzuführen, so dass es möglich ist, die Vorgaben der jeweils gültigen Trinkwasserverordnung einzuhalten, so dass die Standzeiten der Filterelemente verlängert werden können und nach dem Rückspülen die Vorgaben der jeweiligen Trinkwasserverordnung eingehalten werden, so dass Rückstände des Desinfektionsmittels in den Filtermodulen die Trinkwasserqualität nicht beeinträchtigt.
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Es ist vorgesehen, dass der Rückspülbetrieb automatisch auf der Grundlage von Sensorwerten, Durchflussmengenerfassung und/oder einer Zeitschaltung eingeleitet wird. Durch das „Fouling” vergrößert sich der Differenzdruck zwischen dem Filtereingang und dem Filterausgang. Bei Überschreiten eines festgelegten Grenzwertes kann automatisch der Rückspülbetrieb eingeleitet werden. Dazu wird das jeweilige Filtermodul aus dem Filtrationsbetrieb durch Schließen der jeweiligen Ventile abgekoppelt. Anschließend wird das chemische Desinfektionsmittel zugeführt und kann ggf. für einen festgelegten Zeitraum in dem Filtermodul belassen werden, um die vorhandenen Keime abzutöten und Ablagerungen abzulösen. Nach der vorgegebenen Verweilzeit innerhalb des Filtermoduls kann dann ein Auslassventil geöffnet und das Rückspülwasser wird aus dem Filterelement entfernt werden. Mit dem Rückspülwasser werden die Ablagerungen aus dem Filtermodul ausgespült.
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Neben einer druckbasierten Einleitung des Rückspülbetriebes ist es möglich, eine Zeitschaltung und/oder eine Schaltung nach einer Durchflussmengenerfassung vorzusehen, so dass nach einem festgelegten Betriebszeitraum und/oder einer festgelegten Wasserdurchflussmenge unabhängig von dem Zustand der Ablagerungen in dem Filtermodul eine Reinigung und Rückspülung durchgeführt wird. Durch die Sensor oder Zeit basierte Initialisierung des Rückspülbetriebes kann ein vollautomatischer Betrieb der Ultrafiltrationsanlage über einen langen Zeitraum ohne manuellen Eingriff des Benutzers gewährleistet werden. Bei der Zeit basierten Initialisierung des Rückspülbetriebes wird durch die automatische, mengenproportionale Beimischung des Desinfektionsmittels Chlordioxid bei jeder Zeit gesteuerten Rückspülung ein Aufkeimen in den Filterelementen auch bei längeren Zeiten ohne Wasserentnahme des Betreibers verhindert.
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In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Desinfektionsmittel während des Rückspülbetriebes dem Rückspülwasser in einer gegenüber einem Filtrationsbetrieb erhöhten Konzentration zugegeben wird. Dabei ist vorgesehen, dass nur die für Trinkwasser maximal zulässige Menge des Desinfektionsmittels dem Rückspülwasser zugegeben wird, um bei der erneuten Inbetriebnahme im Filtrationsbetrieb eine Grenzwertüberschreitung zu vermeiden.
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Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass das Desinfektionsmittel während des Filtrationsbetriebes dem Rohwasser kontinuierlich zugegeben wird, um eine effektive Qualitätsverbesserung des Trinkwassers zu erreichen.
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Vorteilhafterweise wird als Desinfektionsmittel Chlordioxid zugegeben, wobei während des Rückspülbetriebs maximal 0,4 mg/l des Desinfektionsmittels dem Rückspülwasser zugegeben werden. Das Chlordioxid wird unter kontrollierten Bedingungen nach dem Säure-Chloridverfahren in einer Chlordioxiderzeugungsanlage als wässrige Lösung hergestellt und dem Rückspülwasser zugesetzt. Durch die Zugabe des Chlordioxids zum Rückspülwasser werden vorhandene Keime abgetötet und die Ablagerungen werden besser abgelöst und aus dem System ausgespült. Dadurch werden die Intervalle zwischen den Rückspülungen vergrößert und die Standzeiten der jeweiligen Filtrationsmembrane verlängert. Darüber hinaus wird insgesamt weniger Rückspülwasser aufgrund der Verlängerungen der Intervalle und der Standzeiten der Ultrafiltrationsmembrane benötigt.
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Während des Filtrationsbetriebes ist vorgesehen, dass maximal 0,2 mg/l des Desinfektionsmittels dem Rohwasser zugegeben werden, so dass die maximal zugelassene Konzentration für eine kontinuierliche, chemische Desinfektion nicht überschritten wird. Durch den Einsatz von Chlordioxid entstehen keine Chloramine oder Trihalogenmethane, die das Abwasser belasten könnten.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Umstellung zwischen dem Filtrationsbetrieb und dem Rückspülbetrieb durch ein sukzessives Öffnen und Schließen von Ventilen erfolgt, so dass ein schlagartiges Öffnen und Schließen der jeweiligen Ventile vermieden wird. Die Ventile werden somit langsam geöffnet bzw. langsam geschlossen, so dass ein kontinuierlicher, stetiger Druckabfall und Druckanstieg innerhalb des Filtermoduls erfolgt. Druckspitzen werden nicht aufgebaut, so dass die feinporigen Membranen der Ultrafiltrationsanlage nicht mit hohen Druckgefällen beaufschlagt werden. Durch das langsame Ansteigen und Abfallen der Drücke werden die Standzeiten der Filtermodule signifikant vergrößert. Um das langsame oder sukzessive Öffnen und Schließen der Ventile zu erreichen, sind diese vorteilhafterweise motorisch, insbesondere elektromotorisch angetrieben, beispielsweise als motorbetriebene Kugelhähne ausgebildet, über die langsam, beispielsweise über einen Zeitraum von 20 bis 30 Sekunden, ein vollständiges Öffnen oder Schließen der jeweiligen Leitung erfolgt. Dadurch wird ein weicher Übergang oder Wechsel der Betriebszustände ohne Druckschläge ermöglicht.
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Das Desinfektionsmittel kann nach der Zugabe im Rückspülbetrieb für einen festgelegten Zeitraum in dem Filtermodul verbleiben und wird erst nach Ablauf des festgelegten Zeitraums aus dem Filtermodul entfernt.
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Vorteilhafterweise sind mehrere Filtermodule parallel zueinander angeordnet, so dass der Rückspülbetrieb in einem Filtermodul durchgeführt werden kann, während in dem anderen Filtermodul oder in den anderen Filtermodulen der Filtrationsbetrieb fortgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Ultrafiltrationsanlage für Trinkwasser zur Durchführung eines oben beschriebenen Verfahrens sieht zumindest zwei Filtermodule vor, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei Ventile an den Filtermodulen, in den die Filtermodule verbindenden Leitungen sowie eine Desinfektionsmittelzugabeeinrichtung angeordnet sind, wobei die Ventile einer Steuereinrichtung zugeordnet sind, über die die Ventile in Abhängigkeit von Sensor-, Durchflussmengen- und/oder Zeitwerten geöffnet oder geschlossen werden. Durch die Anordnung einer Steuereinrichtung, die Abhängigkeit von Sensorwerten, beispielsweise Drucksensorwerten, Durchflussmengenwerten und/oder eines Zeitablaufs die Ventile automatisch öffnet und schließt, kann eine vollautomatische, chemische Desinfektion der Ultrafiltrationsanlage während des Betriebs durchgeführt werden. Der Betrieb der Ultrafiltrationsanlage kann parallel zu der automatischen Rückspülung in den jeweils zu reinigenden Filtermodulen fortgesetzt werden. Ebenfalls ist es möglich, dass der Einfahrbetrieb und die Rückspülung unter Zusatz eines chemischen Desinfektionsmittels, insbesondere von Chlordioxid, vollständig automatisiert erfolgen können. Teil der Anlag ist zudem eine Chlordioxiderzeugungsanlage, die mit der Desinfektionsmittelzugabeeinrichtung, z. B. eine Dosierpumpe, gekoppelt ist. Dadurch wird die wässrige Chlordioxidlösung in der Anlage erzeugt, ohne dass der Betreiber mit Chemikalien umgehen muss.
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Die Ventile sind bevorzugt elektromotorisch angetrieben und können als motorbetriebene Ventile, z. B. Kugelhähne oder Motorklappen ausgebildet sein. Drucksensoren zur Erfassung des Differenzdruckes an einem Filtermodul können vorgesehen sein, ebenso kann eine Zeitschaltuhr oder ein Zeitmessglied und/oder ein Wasserzähler zur Erfassung der Wasserdurchflussmenge der Steuereinrichtung zugeordnet sein, um nach Ablauf eines festgelegten Zeitraumes eine automatische Wartung und Reinigung der jeweiligen Filtermodule durchzuführen.
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Sämtliche Elemente der Anlage, also die Filtermodule, die Steuereinrichtung, die Ventile, die Chlordioxiderzeugungsanlage und die Desinfektionsmittelzugabeeinrichtung und ggf. die Leitungen und Sensoren oder Zeitschaltglieder, können als ein Modul mit Anschlüssen an ein Hausleitungsnetz zusammengefasst sein, so dass eine Installation, Inbetriebnahme und Betrieb der Hausanlage leicht erfolgen kann. Das Modul muss lediglich an das Haustrinkwassernetz und die Stromversorgung angeschlossen werden.
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Anhand der einzigen Figur, die ein vereinfachtes Schaltschema einer Ultrafiltrationsanlage zeigt, wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
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Die Ultrafiltrationsanlage gemäß der Figur sieht zwei Filtermodule 1, 2 vor, die über Rohrleitungen 20 miteinander gekoppelt sind. Eine Zufuhrleitung 10 für Rohwasser ist vorgesehen. Die Filtermodule 1, 2 sind parallel zueinander geschaltet, Eingangsventile 11, 12 sind vor den Filtermodulen 1, 2 angeordnet. Parallel zu den Filtermodulen 1, 2 sind Bypassleitungen 20 vorgesehen, die ebenfalls mit als Bypassventilen 41, 42 bezeichneten Absperrventilen versehen sind. Eine Verbindungsleitung 20 mit darin angeordneten Absperrventilen 31, 32 mündet in eine Entnahmeleitung 30, durch die das gefilterte und wahlweise auch desinfizierte Wasser abgeleitet wird.
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An den Filtermodulen 1, 2 sind darüber hinaus Auslassventile 21, 22 angeordnet, die das Rückspülwasser durch Spülwasserleitungen 23, 24 ableiten.
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Das Desinfektionsmittel wird in einer Chlordioxiderzeugungsanlage 60 vollautomatisch erzeugt und in die Rohwasserleitung 10 mit Hilfe der Desinfektionsmittelzugabeeinrichtung 40, die als eine Dosierpumpe ausgebildet sein kann, mengenproportional dosiert.
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Sämtliche Ventile 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 44 sind mit einer Steuereinrichtung 50 gekoppelt, die die motorisch verstellbaren Ventile 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 44 verstellen kann. Im Auslieferungszustand sind sämtliche Ventile 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 44 geschlossen. Während des Einfahrbetriebs werden zunächst die Auslassventile 21, 22 an den Filtermodulen 1, 2 für einen bestimmten Zeitraum geöffnet. Anschließend werden die Einlassventile 11, 12 für die Filtermodule 1, 2 für einen festgelegten Zeitraum geöffnet, um die Filter 1, 2 zu fluten und durchzuspülen. Anschließend werden die Auslassventile 21, 22 geschlossen und die Absperrventile 31, 32 für die Verbindungsleitung geöffnet, so dass das filtrierte Wasser aus der Entnahmeleitung 30 herausströmen kann.
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Die Stellung mit den geöffneten Einlassventilen 11, 12 und den geöffneten Absperrventilen 31, 32 ist auch diejenige, die während der Entnahme oder im Filtrationsbetrieb eingenommen wird.
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Zum Rückspülen eines Filtermoduls 1, 2 während der weiterhin durchgeführten Entnahme wird zunächst ein Absperrventil 31, 32 geschlossen. Soll zunächst das erste Filtermodul 1 für eine Rückspülung vorgesehen sein, wird das linke Absperrventil 31 geschlossen. Anschließend wird das linke Auslassventil 21 geöffnet und danach das Einlassventil 11 geschlossen. Schließlich wird das Bypassventil 41 für einen bestimmten Zeitraum geöffnet, so dass durch die Bypassleitung 20 Rückspülwasser dem Filtermodul 1 zugeführt wird. Anschließend wird das Einlassventil 11 geöffnet und zur Entnahme zusätzlich das Absperrventil 31 erneut geöffnet. Die Ventilstellungen für die Ventile 12, 22, 32, 42 des zweiten Filtermoduls 2 bleiben unverändert.
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Zur anschließenden Rückspülung im zweiten Filtermodul 2 wird zunächst das geöffnete Absperrventil 32 geschlossen, anschließend wird das Auslassventil 22 geöffnet, das Einlassventil 12 geschlossen und anschließend zur Rückspülung das Bypassventil 42 geöffnet. Nach der Rückspülung im zweiten Filtermodul 2 wird das Einlassventil 12 geöffnet, die übrigen Ventile 22, 32, 42 werden oder bleiben geschlossen. Zur erneuten Entnahme im Parallelbetrieb werden das Auslassventil 22 und das Bypassventil 42 geschlossen, das Einlassventil 12 und das Absperrventil 32 geöffnet.
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Die Desinfektionsmittelzugabeeinrichtung 40 dosiert dabei eine vorab festgelegte, mengenproportionale Dosierung von Chlordioxid in das Rückspülwasser oder in das Rohwasser. Ist eine erhöhte Dosierung des Desinfektionsmittels vorgesehen, kann auch eine Leitung von der Desinfektionsmittelzugabeeinrichtung 40 zu der Bypassleitung 20 nach den Bypassventilen 41, 42 erfolgen, so dass für die Rückspülung eine separate Dosierung des Desinfektionsmittels erfolgen kann.
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Die Ventile 11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42 werden dabei langsam, beispielsweise innerhalb eines Zeitraumes von ca. 30 Sekunden geöffnet oder geschlossen, um Druckschläge zu vermeiden.
