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Die Erfindung betrifft eine Filtrationsvorrichtung mit mindestens einem Filtrationsmodul, welches eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen aufweist, sowie ein Verfahren zum Filtrieren eines Filtrationsmediums. Die Filtrationsvorrichtung kann beispielsweise in einem Membranbioreaktor zur Abtrennung von Feststoffpartikeln eingesetzt werden.
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Mit steigender Betriebszeit führen Ablagerungen in den Membranen und an den Membranoberflächen zu einem Rückgang des Flusses durch die Membranen (sogenanntes Fouling). Die Membranen werden daher regelmäßig mittels einer Rückspülung und/oder chemisch gereinigt.
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Zur Verminderung des Foulings ist es außerdem bekannt, die Membranen mit Luft zu überströmen. Die Überströmung verhindert eine zu schnelle Deckschichtbildung auf den Membranen. Die Luftüberströmung, auch Crossflow genannt, ist jedoch sehr energieintensiv.
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Eine bekannte Konfiguration eines Hohlfasermembrantrennmoduls ist in der
DE 697 30 104 T2 beschrieben. Die Hohlfasermembranen sind zwischen zwei plattenförmigen Wassersammelteilen angeordnet. Mit steigender Größe des Moduls steigt die Länge der Hohlfasermembranen, so dass sich der Weg des Permeates zu den Wassersammelteilen verlängert. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Flussverteilung in den Membranen führen.
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DE 101 41 746 C1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Wasser mittels Hohlfasermembranen. Die Hohlfasermembranen sind büschelförmig an einer Behälterwand eingespannt.
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DE 198 35 256 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Biomasse und Wasser aus einem bei der biologischen Abwasserreinigung anfallenden Biomasse-Wassergemisch mittels Membranfiltration. Die Filtermembranen sind als einseitig abgestützte, bewegliche Membranfahnen ausgebildet und erfahren durch eine Horizontalströmung des Biomasse-Wassergemisches die für ihren Betrieb erforderliche Schubspannung.
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Aus der
US 2008/0000832 A1 ist ein Membranmodul zur Wasserbehandlung bekannt. Das Modul umfasst eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen, welche sich von einer Mehrzahl von horizontalen Verteilern nach oben erstrecken.
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DE 101 61 095 C1 offenbart ein Verfahren zur Membranfiltration mit einem Membranfilter, welcher ein Faserbündel aus Kapillarmembranen umfasst, die an einem Ende verschlossen sind und an ihrer anderen Seite mit ihrem offenen Ende in ein Kopfstück des Membranfilters eingegossen sind.
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Die Herstellung eines Hohlfasermembranmoduls mit einem horizontalen Sammelraum und davon nach oben abstehenden Hohlfasermembranen ist der
JP 11319505 A beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtrationsvorrichtung und ein Verfahren zum Filtrieren anzugeben, die einen wirtschaftlichen Betrieb ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Filtrationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrationsmodul ein zentrales Permeatrohr zum Ableiten eines Permeates aufweist, um welches die Hohlfasermembranen verteilt angeordnet sind, wobei die Hohlfasermembranen jeweils mit einem Innenraum des Permeatrohres in Fluidverbindung stehen.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Filtrationsmedium unter Bildung eines Permeates durch eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen geleitet wird, die um ein zentrales Permeatrohr verteilt angeordnet sind, und dass das Permeat über das zentrale Permeatrohr, welches einen mit den Hohlfasermembranen in Fluidverbindung stehenden Innenraum aufweist, abgeleitet wird.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die einzelnen Hohlfasermembranen sternförmig um ein zentrales Permeatrohr beziehungsweise Filtrationsrohr anzuordnen. Die einzelnen Hohlfasermembranen sind über einen Außenumfang des Permeatrohrs verteilt, also in Längsrichtung und in Umfangsrichtung um das Permeatrohr herum angeordnet. Hierdurch entsteht ein etwa walzenförmiges oder ringbürstenförmiges Filtrations- oder Membranmodul.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine gleichmäßige Durchströmung der Membranen eine effektive Verminderung des Membranfoulings erreicht werden kann.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Hohlfasermembranen kann die Länge der einzelnen Membranen unabhängig von der Gesamtgröße des Filtrationsmoduls kurz gehalten werden. Hierdurch bleibt der Weg des Permeates zum Permeatrohr kurz, so dass auch bei großen Filtrationsmodulen ein weitgehend gleichmäßiger Fluss über die gesamte Membranfläche jeder einzelnen Hohlfasermembran erzeugt werden kann. Zudem können bei einer Rückspülung der Membranen die verwendeten Reinigungssubstanzen die gesamte Membranfläche erreichen und durchfließen, so dass ein guter Reinigungseffekt erzielt werden kann.
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Die Filtrationsvorrichtung ist insbesondere zum Einsatz in einem Membranbioreaktor zum Abtrennen von Schlamm aus einem Abwasserstrom geeignet und vorgesehen. Die Erfindung betrifft auch einen Membranbioreaktor mit einer Filtrationsvorrichtung.
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Die Hohlfasermembranen sind langgestreckte Hohlfasern und umfassen vorzugsweise eine Membranschicht, beispielsweise aus Kunststoff, die auf eine Stützschicht aufgebracht ist. Grundsätzlich kann es sich bei den Hohlfasermembranen um Porenmembranen oder um Löslichkeitsmembranen handeln. Für eine Anwendung in der Abwasserbehandlung weisen die verwendeten Membranen vorzugsweise sehr kleine Porendurchmesser auf, beispielsweise kleiner 0,1 Mikrometer, um auch Bakterien zurückzuhalten. Das Filtrationsmedium ist vorzugsweise eine Flüssigkeit oder eine Suspension, beispielsweise ein zu filtrierendes Abwasser.
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Die einzelnen Hohlfasermembranen sind, vorzugsweise gleichmäßig, um das Permeatrohr verteilt. Es ist bevorzugt, dass die einzelnen Hohlfasermembranen um das gesamte Permeatrohr, insbesondere um die gesamte Außenmantelfläche oder Umfangsfläche des Permeatrohres, herum verteilt angeordnet sind. Die Hohlfasermembranen sind an das Permeatrohr angeschlossen, so dass in den Hohlfasermembranen ausgebildete Hohlräume mit dem zentralen Innenraum des Permeatrohres kommunizieren. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Permeatrohr um ein zylinderförmiges Rohr mit einer zylinderförmigen Umfangsfläche.
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Eine Vergrößerung des Moduls beziehungsweise der Gesamtfläche der Membranen erfolgt vorzugsweise nicht, wie im Stand der Technik, durch eine Verlängerung der einzelnen Hohlfasermembranen, sondern durch eine Verlängerung und/oder Verbreiterung des Permeatrohres. Das Filtrationsmodul kann somit unter Beibehaltung einer vorgegebenen maximalen Länge der Hohlfasermembranen individuell an die Höhe beziehungsweise Breite eines das Filtrationsmodul aufnehmenden Filtrationsbeckens angepasst werden.
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Die erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung ermöglicht aufgrund des zentralen Permeatrohres ein Rückspülen von beiden Seiten des Permeatrohres. Das Permeatrohr kann hierzu an seinen beiden axialen Enden einen Anschluss zum Anschließen einer Rückspüleinrichtung aufweisen. Durch das zweiseitige Rückspülen kann eine besonders gleichförmige Reinigung der Hohlfasermembranen erzielt werden.
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Die Hohlfasermembranen weisen zumindest einen offenen axialen Endbereich auf, über welchen die in den Hohlfasermembranen ausgebildeten Hohlräume mit dem zentralen Innenraum des Permeatrohres in Fluidverbindung sind. Grundsätzlich können die Hohlfasermembranen auch mit beiden axialen Enden an das zentrale Permeatrohr angeschlossen und beispielsweise schlaufenförmig an dem Permeatrohr angeordnet sein.
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Eine besonders gute Reinigbarkeit wird jedoch dadurch erreicht, dass die Hohlfasermembranen einseitig verschlossen sind und frei, insbesondere sternförmig oder radial, von dem zentralen Permeatrohr abstehen. Ein inneres axiales Ende jeder Hohlfasermembran umfasst eine Öffnung, über welche der Hohlraum der Hohlfasermembran mit dem Innenraum des Permeatrohres in Fluidverbindung steht. Ein äußeres, dem Permeatrohr abgewandtes axiales Ende der Hohlfasermembranen ist versiegelt, so dass ein radial nach innen gerichteter Permeatfluss erzeugt werden kann. Vorzugsweise erstrecken sich die Hohlfasermembranen ausgehend von dem Permeatrohr radial nach außen. Die frei nach außen abstehenden oder nach außen zeigenden Hohlfasermembranen sind für Reinigungs- oder Austauschmaßnahmen gut zugänglich, so dass sich das Modul leicht reinigen und reparieren lässt.
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Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die um das zentrale Permeatrohr angeordneten Hohlfasermembranen gleiche Längen aufweisen. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Permeatfluss bereitgestellt.
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Vorzugsweise weisen die Hohlfasermembranen eine Länge von 5 bis 50 cm auf. Die Länge ist damit deutlich kürzer als bei bekannten Filtrationsmodulen. Durch diese vergleichsweise kurzen Hohlfasermembranen bleibt der Permeatweg zum Permeatrohr kurz. Die kurzen Hohlfasermembranen sind zudem weniger anfällig für Brüche. Die Hohlfasermembranen weisen vorzugsweise einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 10 mm auf.
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Die Deckschichtbildung beziehungsweise das Fouling der Hohlfasermembranen wird dadurch verringert, dass das zentrale Permeatrohr drehbar gelagert ist und dass eine Antriebseinrichtung zum drehenden Antreiben des zentralen Permeatrohres vorgesehen ist. Die Rotation bewirkt ein Überströmen der Hohlfasermembranen sowie eine verbesserte Durchmischung des zu filtrierenden Mediums.
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Eine weitere Verringerung des Membranfoulings kann dadurch erzielt werden, dass unterhalb des mindestens einen Filtrationsmoduls eine Belüftungseinrichtung zum Zuführen eines Gases vorgesehen ist. Bei einer Rotation des Filtrationsmoduls ist es ausreichend, nur einen Teil des Filtrationsmoduls gezielt zu belüften. Beispielsweise kann gezielt ein bestimmter Anteil, beispielsweise eine Hälfte, einer horizontalen Fläche oder Ausdehnung des Filtrationsmoduls belüftet werden. Hierdurch kann die benötigte Belüftungsenergie erheblich reduziert werden.
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Ein einfach herzustellendes Filtrationsmodul kann dadurch bereitgestellt werden, dass die Hohlfasermembranen in Bohrungen in dem zentralen Permeatrohr befestigt, insbesondere verklebt, sind. Hierzu kann das Permeatrohr in Längs- und in Umfangsrichtung verteilt eine Vielzahl von radialen Durchgangsbohrungen aufweisen, in welche die einzelnen Hohlfasermembranen eingesteckt sind. Die Befestigung kann mittels eines geeigneten Klebers oder Harzes erfolgen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Anzahl von Hohlfasermembranen mittels zumindest eines Verbindungsstreifens zu einer insbesondere linearen Membranfaserreihe verbunden. Die Hohlfasermembranen können beispielsweise in den Verbindungsstreifen eingebettet sein. Die einzelnen Membranfaserreihen können ringförmig angeordnet werden, so dass eine sternförmige Anordnung der Membranfasern um das Permeatrohr erzeugt wird.
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Zur Vergrößerung der Filtrationsleistung ist es bevorzugt, dass mindestens zwei Filtrationsmodule, insbesondere parallel, neben- oder übereinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Filtrationsmodule so zueinander positioniert, dass sich die Hohlfasermembranen angrenzender Filtrationsmodule zumindest teilweise überlappen. Hierdurch wird eine enge Anordnung der einzelnen Module erreicht, die eine besonders hohe Membranfläche pro Volumen bereitstellt.
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Insbesondere bei einer Rotation der einzelnen Filtrationsmodule ist es bevorzugt, dass sich die Hohlfasermembranen benachbarter Module gegenseitig berühren beziehungsweise überstreifen. Hierdurch wird ein zusätzlicher Reinigungseffekt erzielt, so dass die Deckschichtbildung an den Membranoberflächen verringert wird. Die Rotation der einzelnen Filtrationsmodule kann gleichgerichtet oder gegengerichtet erfolgen.
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Bei einer Überlappung der einzelnen Filtrationsmodule beziehungsweise der Hohlfasermembranen ist es besonders bevorzugt, lediglich den Überlappungsbereich, also die sich überschneidenden Membranflächen, gezielt zu belüften. Hierdurch kann der Luft- und Energiebedarf für die Belüftung erheblich reduziert werden. Unter einer gezielten Belüftung eines Überlappungsbereichs kann insbesondere verstanden werden, dass nicht die gesamten Filtrationsmodule, sondern nur der Überlappungsbereich und unmittelbar angrenzende Bereiche belüftet werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen weiter erläutert. Hierin zeigt:
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1: verschiedene Ansichten eines Filtrationsmoduls;
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2: Möglichkeiten einer Vergrößerung eines Filtrationsmoduls;
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3: Filtrationsmodule in vertikaler und horizontaler Anordnung mit einer Antriebseinrichtung;
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4: eine Filtrationsvorrichtung mit mehreren, sich überlappenden Filtrationsmodulen in vertikaler und horizontaler Anordnung;
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5: unterschiedliche Antriebsrichtungen einzelner Filtrationsmodule einer Filtrationsvorrichtung;
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6: eine Belüftung eines Filtrationsmoduls;
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7: eine weitere Belüftung eines drehend angetriebenen Filtrationsmoduls sowie einer Filtrationsvorrichtung mit mehreren drehend angetriebenen Filtrationsmodulen in vertikaler Anordnung;
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8: eine Belüftung einer Filtrationsvorrichtung mit mehreren drehend angetriebenen Filtrationsmodulen in horizontaler Anordnung;
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9: eine erste Ausführungsform eines Filtrationsmoduls;
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10: eine zweite Ausführungsform eines Filtrationsmoduls; und
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11: eine dritte Ausführungsform eines Filtrationsmoduls.
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In sämtlichen Figuren sind gleiche oder entsprechende Komponenten durchgehend mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. In den 1, 2, 6, 9, 10 und 11 ist die Antriebseinrichtung nicht dargestellt.
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1 zeigt auf der rechten Seite eine Frontansicht sowie zwei Seitenansichten eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls 12. Das Filtrationsmodul 12 umfasst ein mittiges Permeatrohr 20 und darum in Umfangsrichtung und in Längsrichtung, im Wesentlichen gleichmäßig verteilte Hohlfasermembranen 30. Die Hohlfasermembranen 30 sind sternförmig um eine Außenmantelfläche 24 beziehungsweise einen Umfang des Permeatrohrs 20 angeordnet. Die Hohlfasermembranen 30 sind weitgehend steife, langgestreckte Elemente mit einem Hohlraum und einer Membran oder Membranschicht als Mantelfläche. Der Hohlraum der Hohlfasermembranen 30 kommuniziert mit einem Innenraum 22 des Permeatrohrs 20.
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Auf der linken Seite der 1 ist schematisch die Verbindung einer Hohlfasermembran 30 mit dem Permeatrohr 20 dargestellt. Das Permeatrohr 20 umfasst für jede Hohlfasermembran 30 eine als Durchgangsbohrung ausgeführte Bohrung 26, in welcher die Hohlfasermembran 30 befestigt ist. Ein inneres Axialende 32 jeder Hohlfasermembran 30 ist offen und bildet einen Durchgang für Permeat von dem Hohlraum der Hohlfasermembran 30 in den Innenraum 22 des Permeatrohrs 20. Ein äußeres Axialende 34 ist durch eine Versiegelung 36 verschlossen.
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2 zeigt Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Filtrationsmodul 12 zu vergrößern, um die Kapazität zu erweitern oder das Modul an die Größe eines das Filtrationsmodul 12 aufnehmenden Filtrationsbeckens anzupassen. Die Vergrößerung kann beispielsweise durch Verlängerung des Permeatrohrs 20 und entsprechende Vergrößerung der Anzahl der Hohlfasermembranen 30 erfolgen, wie in der linksseitigen Abbildung der 2 dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Vergrößerung des Filtrationsmoduls 12 auch durch Vergrößerung des Durchmessers des Permeatrohrs 20 und entsprechende Vergrößerung der Anzahl der in Umfangsrichtung angeordneten Hohlfasermembranen 30 erfolgen, wie rechtsseitig in 2 gezeigt.
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3 zeigt ein Filtrationsmodul 12 mit einem relativ zu einer Basis drehbar gelagerten Permeatrohr 20 und einer Antriebseinrichtung 40 zum drehenden Antreiben des Permeatrohrs 20. Die Antriebseinrichtung 40 umfasst einen Antriebsmotor 42 und ein Getriebe 44 zum Übertragen einer Drehbewegung des Antriebsmotors 42 auf das Permeatrohr 20. Der Antriebsmotor 42 kann außerhalb des zu filtrierenden Mediums oder außerhalb eines das Filtrationsmodul 12 aufnehmenden Filtrationsbeckens angeordnet sein.
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In 4 ist eine Filtrationsvorrichtung 10 mit mehreren Filtrationsmodulen 12 gezeigt. Die Filtrationsmodule 12 sind vorzugsweise hinsichtlich Gestaltung und Größe gleich. Die einzelnen Filtrationsmodule 12 sind zueinander so angeordnet, dass sich ihre jeweiligen Hohlfasermembranen 30 in einem Überlappungsbereich 14 überlappen. Hierbei erfolgt vorzugsweise eine Berührung der einzelnen Hohlfasermembranen 30. Die Filtrationsmodule 12 können, wie mit Bezug auf 3 beschrieben, drehend angetrieben sein. Vorzugsweise erfolgt der Antrieb über eine gemeinsame Antriebseinrichtung 40.
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5 zeigt schematisch einen Antrieb aller Filtrationsmodule 12 in gleicher Richtung (obere Darstellung) und einen Antrieb jeweils benachbarter Filtrationsmodule 12 in entgegengesetzter Richtung (untere Darstellung). Zum Übertragen der Drehbewegungen zwischen den einzelnen Filtrationsmodulen 12 können beispielsweise Riemen, Ketten oder dergleichen vorgesehen sein.
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In 6 ist die Belüftung eines Filtrationsmoduls 12 mittels einer Belüftungseinrichtung 50 dargestellt. Die Belüftungseinrichtung 50 ist unterhalb des Filtrationsmoduls 12 angeordnet und umfasst beispielsweise einen Belüftungsring 52 mit Öffnungen, durch die Gas- beziehungsweise Luftblasen 54 austreten können. Der Belüftungsring 52 ist vorzugsweise konzentrisch zu dem Permeatrohr 20 angeordnet, so dass die Hohlfasermembranen 30 gleichmäßig belüftet werden.
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In 7 ist eine Filtrationsvorrichtung 10 mit einem beziehungsweise mehreren drehend angetriebenen Filtrationsmodulen 12 gezeigt. Aufgrund der Drehung der Filtrationsmodule 12 ist es ausreichend, gezielt nur eine Teilfläche der Gesamtheit der Hohlfasermembranen 30 von unten zu belüften. Die Belüftungseinrichtung 50 erstreckt sich hierzu beispielsweise nur entlang eines Teilumfangs um das Permeatrohr 20. Auf der rechten Seite der 7 ist eine gezielte Belüftung lediglich der Überlappungsbereiche 14 dargestellt. Zur Belüftung der vier dargestellten Filtrationsmodule 12 werden so lediglich zwei Belüftungseinrichtungen 50 benötigt. Die Belüftungseinrichtungen 50 sind gezielt unterhalb der Überlappungsbereiche 14 angeordnet.
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8 zeigt eine Belüftung einer Filtrationsvorrichtung 10 mit horizontal angeordneten Filtrationsmodulen 12, also horizontal angeordneten Permeatrohren 20. Auch hier ist aufgrund der Rotation der einzelnen Filtrationsmodule 12 lediglich eine gezielte Belüftung nur eines Teils der einzelnen Filtrationsmodule 12 erforderlich. Die Belüftungseinrichtung 50 kann hierzu beispielsweise lediglich einseitig schräg unterhalb der waagerecht angeordneten Permeatrohre 20 positioniert sein.
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In den 9 bis 11 sind beispielhafte Varianten der Herstellung eines Filtrationsmoduls 12 dargestellt. 9 zeigt ein Permeatrohr 20 mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung und in Längsrichtung verteilten Bohrungen 26, in die die einzelnen Hohlfasermembranen 30 eingesteckt und in welchen sie mittels einer Verklebung befestigt sind.
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Bei einer weiteren Herstellungsvariante, welche in 10 dargestellt ist, sind mehrere Hohlfasermembranen 30 jeweils mittels eines langgestreckten Verbindungsstreifens 38 zu einer linearen Membranfaserreihe 39 verbunden oder verklebt. Die einzelnen Membranfaserreihen 39 werden anschließend ringförmig zusammengesetzt. Hierzu können die Membranfaserreihen 39 zum Beispiel in Schlitze des Permeatrohrs 20 eingesetzt oder mittels keilförmiger Befestigungsstreifen 21 ringförmig zusammengesetzt werden. Die Verbindungsstreifen 38 und die Befestigungsstreifen 21 können beispielsweise miteinander verklebt werden.
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In 11 sind die einzelnen Verbindungsstreifen 38 keilförmig geformt, so dass durch ein Aneinandersetzen der einzelnen Membranfaserreihen 39 – ohne Einsatz von Zwischenkeilen – die sternförmige Anordnung der Hohlfasermembranen 30 erreicht werden kann.
