-
Stand der Technik
-
Im Bereich der physikalisch-chemischen Trennverfahren sind verschiedene Membran-Trennverfahren bekannt. Dabei werden mit Hilfe einer selektiv durchlässigen Membran einzelne Komponenten einer Lösung bzw. gelöste oder kolloidale Bestandteile abgetrennt bzw. im Konzentrat oder Retentat abgeführt. Die anderen Lösungsbestandteile, welche die Membran durchdringen bilden das Permeat. Die Rückhaltung der Komponenten beruht weitgehend auf einem Siebeffekt.
-
Für den Trennvorgang bei der Membranfiltration wird die Lösung z. B. ein Flüssigkeitsgemisch unter Druck entlang der Membran geführt, wobei die Membran dem Durchtritt der verschiedenen Komponenten unterschiedliche Widerstände entgegensetzt.
-
Bei der Mikrofiltration können kolloidale und fein suspendierte Bestandteile abgetrennt werden. Mit der Ultrafiltration bei einer transmembranen Druckdifferenz zwischen ca. 0,5 und 2 bar lassen sich noch kleinere Bestandteile mit einer Partikelgröße unter 10-2 µm zurückhalten.
-
Häufig werden die Membran-Trennverfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten zum Beispiel in der Wasseraufbereitung zur Gewinnung von Trinkwasser aus Rohwasser eingesetzt, meist in Kombination mit anderen Verfahren. Als Rohwasser dient beispielsweise Brunnen-, Uferfiltrat- oder Oberflächenwasser
-
Bei der Membranfiltration macht ein Blockieren bzw. Verstopfen der Membranporen und die Ablagerung der abgetrennten Komponenten auf der Membran bzw. die damit einhergehende Deckschichtbildung regelmäßig entsprechende Gegenmaßnahmen notwendig. Die Deckschichtbildung wird auch als Fouling bezeichnet.
-
Die
WO 2007/142068 A1 betrifft eine Reinigungsvorrichtung für Schiff-Ballastwasser. Die
JP 2000-167363 A thematisiert ein Wasserbehandlungsverfahren.
-
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die einleitend genannten Membran-Trennverfahren und die dafür eingesetzten Vorrichtungen bzw. Membrananlagen unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu verbessern.
-
Insbesondere wird bei dauerhaft hoher Trennleistung ein vergleichsweise geringer Ressourceneinsatz angestrebt, insbesondere soll der Aufwand für das Membran-Trennverfahren begleitende Maßnahmen minimiert bzw. der Einsatz von Energie und Betriebsmitteln vorteilhaft reduziert werden.
-
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
-
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte und zweckmäßige Varianten der Erfindung.
-
Die Erfindung geht zunächst aus von einem Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Abtrennung wenigstens einer Komponente einer Lösung mittels einem Membranmodul mit einer Membran, wobei in einer Filtrationsphase zur Abtrennung der wenigstens einen Komponente der Lösung das Membranmodul in einer Filtrationsrichtung durchströmt wird und in einer Rückspülphase zur Spülung der Membran das Membranmodul in einer der Filtrationsrichtung entgegengesetzten Rückströmrichtung durchströmt wird. Insbesondere geht es um die Membran-Trennverfahren der Mikro- und Ultrafiltration, zum Beispiel zur Trinkwasseraufbereitung aus Rohwässern.
-
Die eigentlich wirksame Membranschicht der porös ausgebildeten Membran sitzt an der der aufzubereitenden Lösung zugewandten Seite. Die Membran wird in der Praxis durch unterschiedliche Membranmodule bereitgestellt, z. B. als Platten- oder Hohlfasermodul.
-
Neben dem gefilterten Permeat bleibt mit den zurückgehaltenen Stoffen des Rohwassers angereichertes Konzentrat im Membranmodul zurück, welches separat ableitbar ist bzw. beim Rückspülvorgang mit der Rückspülflüssigkeit aus dem Membranmodul in Rückspülrichtung ausgeschleust wird.
-
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass eine Regenerationsphase zur Regeneration der Membran durchgeführt wird, in welcher das Membranmodul in Filtrationsrichtung von einer mit einem Oxidationsmittel beaufschlagten Regenerationsflüssigkeit durchströmt wird. Als Oxidationsmittel wird erfindungsgemäß Ozon bzw. O3 verwendet.
-
Dabei ist es grundlegend, dass im eigentlichen Filtrationsbetrieb kein Oxidationsmittel notwendig ist bzw. zugegeben wird, was insgesamt über den gesamten Verfahrensverlauf betrachtet vorteilhaft ist. Zunächst kann dadurch die eingesetzte Menge an Oxidationsmittel auf eine minimal notwendige Menge reduziert werden. Denn das Oxidationsmittel wird besonders effektiv nur jeweils in der Regenerationsphase zur Membranregeneration eingesetzt. Damit wird die Membran wieder in einen Zustand versetzt, in welchem ein vergleichsweise hoher Rohwasserdurchsatz bei einer akzeptablen transmembranen Druckdifferenz möglich ist.
-
Die Vorrichtung zur Abtrennung der wenigstens einen Komponente, die nachfolgend auch beispielhaft als Membrananlage bezeichnet ist, umfasst insbesondere eine Kontrolleinheit zur Betriebskontrolle der Membrananlage, wobei die Kontrolleinheit neben entsprechenden Betriebsprogrammen eine übergeordnete Einheit zum Beispiel eine Regel- oder Steuereinheit mit einem Rechner bzw. einem Computer aufweist. Die Kontrolleinheit dient insbesondere zur Kontrolle bzw. Ansteuerung von schaltbaren Elementen der Membrananlage wie beispielsweise Stellarmaturen, Pumpen, Kompressoren und dergleichen. Diese Elemente und ggf. weiter Einrichtungen der Membrananlage wie beispielsweise Sensormittel kommunizieren mit der Kontrolleinheit über entsprechende Verbindungen.
-
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt außerdem darin, dass gegenüber der Verwendung von Oxidationsmittel im Filtrationsbetrieb mit einer notwendigen Nachbehandlung des Permeats im Hinblick auf die Eliminierung von Restmengen an Oxidationsmittel im Permeat, auf eine solche Nachbehandlung verzichtet werden kann. Damit können mit der Erfindung zudem weitere aus dieser Nachbehandlung des Permeats begründete Nachteile vermieden werden.
-
Denn wird im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Vorgehen im Filtrationsbetrieb Oxidationsmittel eingesetzt, tritt dieses in Restmengen durch die Membran durch und wird im Permeat mitgeführt. Aufgrund der oxidierenden Wirkung des Restoxidationsmittels bzw. wenn das Permeat als Trinkwasser dient, muss im Permeat das Oxidationsmittel sicher eliminiert werden. Dies kann zum Beispiel mit einer Aktivkohlefilteranlage geschehen, was aufwändig ist und mit der Zeit aufgrund einer nicht zu vermeidenden Verkeimung des Aktivkohlefilters zu weiteren Maßnahmen bzw. zu einem Einsatz von Desinfektionsmitteln zur Desinfektion des Aktivkohlefilters führt. Diese technischen und wirtschaftlichen Nachteile werden mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise vermieden.
-
Eine nicht erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass vor einer Regenerationsphase eine Rückspülphase durchgeführt wird. Die Rückspülung dient insbesondere dazu, die an einer Seite der Membran zurückgehaltenen Komponenten bzw. Teilchen aus dem Rohwasser von der Membran zu entfernen, was mit einer Rückspülflüssigkeit erfolgt. Für den anschließenden Verfahrensschritt der oxidationsmittel- bzw. beispielsweise ozonunterstützten Regeneration der Membran ist die vorherige Rückspülung essentiell.
-
Bevorzugt wird eine luftunterstützte Rückspülung durchgeführt, sodass insbesondere durch Strömungs- bzw. Verwirbelungseffekte die Membran von den auf der Membran abgelagerten abgetrennten Komponenten wirkungsvoll befreit werden kann.
-
Nach der Rückspülung bzw. vor der nachfolgenden Regeneration der Membran sind die auf der Membran im Filtrationsbetrieb abgetrennten Komponenten zumindest im Wesentlichen entfernt, sodass die nachfolgende Membranregeneration mit dem Oxidationsmittel besonders effektiv erfolgen kann. Die notwendige Menge an Oxidationsmittel wird dadurch vergleichsweise gering gehalten. Das Oxidationsmittel kann außerdem optimal an der Membran insbesondere auch in den Porenstrukturen der porösen Membran wirken, insbesondere dort noch angelagerte Komponenten oxidieren bzw. zu niedermolekulareren Stoffen abbauen.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zeigt sich insbesondere im Vergleich zu einer Vorgehensweise, bei welcher ein Oxidationsmittel wie zum Beispiel Ozon dem Rohwasser bzw. dem Feed-Strom während des Filtrationsbetriebs vor der Membran zugemischt wird. Dies führt zu einer Reaktion bzw. Voroxidation des Oxidationsmittels mit den Rohwasserinhaltsstoffen, womit ein Abbau des Oxidationsmittels vor der Membran in Filtrationsrichtung einhergeht. Die Menge des Oxidationsmittels muss demnach soweit erhöht werden, bis auch auf der Zulauf- bzw. Feed-Seite der Membran noch genügend Oxidationsmittel zur Verfügung steht, um die Membran frei zu halten bzw. damit die Durchlässigkeit bzw. Permeabilität der Membran über eine vergleichsweise längere Dauer unverändert oder nahezu unverändert hoch bleibt.
-
Damit kann erreicht werden, dass sich nötige Rückspülzyklen vergleichsweise gering halten lassen bzw. ein sogenanntes Fouling, also Ablagerungen und/oder eine Besiedlung der Membranoberfläche durch Mikroorganismen, in einem akzeptablen Rahmen bleibt. Durch den Mikroorganismen-Bewuchs der Membran wird der Durchfluss durch die Membran gehemmt und Membranporen werden teilweise dauerhaft verstopft bzw. blockiert.
-
Nachteilig ist allerdings, dass in der Folge der notwendigen bzw. sich erhöhenden Konzentration des Oxidationsmittels auf der Zulaufseite der Membran, ein gewisser Anteil des Oxidationsmittels die Membran durchdringt. Für den Abbau dieses Restoxidationsmittels im Permeat wird eine nachgeschaltete Einheit benötigt, wie oben bereits unter Angabe der betreffenden Nachteile erläutert ist.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen werden diese Nachteile beseitigt.
-
Weiter ist es vorteilhaft, dass die Regenerationsflüssigkeit aus einer Flüssigkeit bereitgestellt wird, welche in der Filtrationsphase das Membranmodul durchströmt hat. Die Regenerationsphase, welche erfindungsgemäß zwischen der Rückspülung und der nächsten Filtrationsphase stattfindet, wird mit einer Regenerationsflüssigkeit durchgeführt, welche vorteilhafterweise im Wesentlichen oder vollständig aus einer Flüssigkeit gebildet ist, welche in einer vorherigen Filtrationsphase der Vorrichtung gefiltert und zwischengespeichert wurde. Die Regenerationsflüssigkeit weist daher eine hohe Qualität gemäß der Permeatqualität auf mit vergleichsweise geringen Anteilen an insbes. gelösten Stoffen. Dies bedingt vorteilhafterweise einen nur unwesentlichen Verbrauch an zugegebenem Oxidationsmittel durch die entsprechende Oxidation der in der Regenerationsflüssigkeit oxidierbaren Inhaltsstoffe. Das Oxidationsmittel steht somit nahezu vollständig für die Regeneration der Membran selbst zur Verfügung.
-
Eine vorteilhafte Variante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass nach einer Regenerationsphase in einer nachfolgenden ersten Teilphase der Filtrationsphase eine Flüssigkeitsmenge, welche in Filtrationsrichtung das Membranmodul passiert hat, in einen Vorlagebehälter geleitet wird. Das Aufnahmevolumen des Vorlagebehälters für die Flüssigkeit ist auf die dazugehörige Membrananlage abgestimmt gewählt. Die vorgelegte Flüssigkeit besteht aus mittels der Membran gefilterter Flüssigkeit bzw. aus Permeat mit entsprechend hoher Qualität bzw. niedrigem Gehalt an gelösten bzw. kolloidalen Stoffen. Mit der Zwischenlagerung im Vorlagebehälter steht diese Flüssigkeit dann in ausreichender Menge und jederzeit für durchzuführende Maßnahmen beim Betrieb der Membrananlage zur Verfügung.
-
Damit ist zum Anlagenbetrieb vorteilhafterweise keine zum Rohwasser zusätzliche Flüssigkeit notwendig. Über die Kontrolleinheit ist die im Vorlagebehälter vorgelegte Flüssigkeitsmenge, ein Zuführen in den Vorlagebehälter und eine Entnahme aus diesem vorgebbar.
-
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass nach der Regenerationsphase die Flüssigkeitsmenge, welche in der Membrananlage samt einem Membranmodul und entsprechenden im Regenerationsbetrieb durchströmten Leitungsbereichen verbleibt und demgemäß Oxidationsmittel aufweist, nicht aus der Anlage abfließt, sondern im Vorlagebehälter gespeichert wird. Dies ist im Hinblick auf eine vollständige Ausnutzung des eingesetzten Oxidationsmittels für die Regenerationsphase vorteilhaft. Denn das im Vorlagebehälter noch vorhandene Restoxidationsmittel wird im späteren Betrieb wiederverwendet bzw. dessen Wirkung wird vollständig ausgenutzt, zum Beispiel durch Oxidationsvorgänge der in der vorgelegten Flüssigkeit enthaltenen restlichen oxidierbaren Substanzen, was andernfalls eine wenn auch geringe Mehrdosierung an Oxidationsmittel in der späteren Regenerationsphase bedeuten würde.
-
Zudem wird mit der Zwischenspeicherung erreicht, dass kein Oxidationsmittel mit dem Permeatstrom aus der Membrananlage abfließt, was andernfalls eine entsprechende nachgeschaltete Einheit zum Eliminieren des Restoxidationsmittels erforderlich machen würde, wobei eine solche nachgeschaltete Einheit aus den oben erklärten Gründen gerade vermieden werden soll.
-
Auch kann vermieden werden, dass alternativ das Ableiten der betreffenden Flüssigkeitsmenge in eine Abwasserleitung erfolgt, was ebenfalls vorteilhaft ist. Eine Ableitung von Flüssigkeit mit Restoxidationsmittel z. B. in eine Abwasserbehandlung wäre ggf. dann zu wählen, wenn der Vorlagebehälter maximal gefüllt ist oder zumindest ein Teil der darin vorhandenen Flüssigkeit ausgeleitet werden soll. So kann immer sichergestellt werden, dass kein Restoxidationsmittel in den die Anlage verlassenden Permeatstrom gelangt.
-
Erfindungsgemäß wird in der Regenerationsphase die Regenerationsflüssigkeit im Kreislauf geführt. Dies erfolgt insbesondere unter Einbeziehen des Vorlagebehälters bzw. der darin vorhandenen Flüssigkeit. Insbesondere wird die gesamte notwendige Menge an Regenerationsflüssigkeit aus dem Vorlagebehälter bzw. der dort vorgehaltenen gefilterten Flüssigkeit gespeist und von der Ablaufseite des Membranmoduls wieder insbesondere der gesamte Volumenstrom vollständig in den Vorlagebehälter zurückgeführt. Damit lässt sich das in die Regenerationsflüssigkeit zugegebene bzw. darin bereits vorhandene Oxidationsmittel optimal nutzen. Denn nach dem Durchströmen der Membran gelangt die in der Regenerationsflüssigkeit noch nicht durch Oxidationsvorgänge verbrauchte Menge an Oxidationsmittel wieder zurück in den Zulaufstrom zur Membran und steht dort zur weiteren Oxidation an der Membran zur Verfügung. So kann ggf. mit einem geringen Überschuss an Oxidationsmittel im Zulaufstrom zur Membran, z. B. bezogen auf einen zugrundegelegten bzw. theoretisch notwendigen Mindest-Konzentrationswert von Oxidationsmittel, in Filtrationsrichtung gefahren werden, ohne dass die vermeintliche Mehrzugabe von Oxidationsmittel nachteilig ist.
-
Denn mit dem Kreislaufbetrieb findet kein Ausschleusen von Flüssigkeitsanteilen der Regenerationsflüssigkeit aus dem System statt.
-
Des Weiteren wird die zum Regenerieren der Membran benötigte Menge an Oxidationsmittel gegenüber einem Vorgehen mit einem Abführen bzw. Ausschleusen der aus dem Membranmodul austretenden Regenerationsflüssigkeit merklich verringert.
-
Auch ist es vorteilhaft, dass die Regenerationsphase abhängig von im Betrieb der Vorrichtung zur Abtrennung der wenigstens einen Komponente einer Lösung auftretenden Filtrationspausen und/oder in vorgebbaren Intervallen ausgelöst wird. Wird die Regeneration in Filtrationspausen gestartet und durchgeführt, die sich ohnehin regelmäßig ergeben bzw. nicht bedingt sind durch einen sich ändernden Zustand der Durchlässigkeit für Flüssigkeit durch die Membran bzw. deren Deckschicht, bleiben die zur eigentlichen Abtrennung bzw. Filtration vorgesehen Betriebszeiten ungekürzt erhalten, da die Regeneration nach der zeitlich vorgegebenen Filtrationsphase erfolgt. Dies ist insbesondere bei der Aufbereitung von Rohwasser mit vergleichsweise geringer Stoffbelastung problemlos möglich, da eine Regeneration der Membran ohnehin regelmäßig erst in größeren Zeitabständen notwendig wird und daher nicht membranbedingte Filtrationspausen existieren, welche dann für die Regeneration der Membran nutzbar sind.
-
Alternativ oder kombiniert mit einer Regeneration in Filtrationspausen kann es vorteilhaft sein, dass in vorgebbaren Intervallen die Regeneration ausgelöst wird. Die Regeneration in Intervallen, also in vorgebbaren zeitlichen Abständen zwischen zwei nacheinander folgenden Regenerationsvorgängen bzw. Regenerationsphasen, bezieht sich insbesondere auf die Dauer des Betriebs der Vorrichtung. Die Intervalle können allein durch eine Zeitdauer bzw. unabhängig von konkreten Gegebenheiten der Membran-Trennvorrichtung vorgegeben sein, oder von anderen Größen bzw. anlageninternen Bedingungen abhängig sein, zum Beispiel abhängig von einer transmembranen Druckdifferenz oder einem Gesamtdurchsatz von Rohwasser bzw. von gelösten Stoffen durch das Membranmodul, bezogen auf einen Filtrationsbetrieb seit der letzten Regeneration der Membran. Die Intervalle können zum Beispiel zudem auf theoretischen Annahmen basierend und/oder abhängig von Erfahrungswerten bestimmt sein.
-
Erfindungsgemäß wird die Regenerationsphase mit einem Rückspülvorgang abgeschlossen. Der Rückspülvorgang mit einer Durchströmrichtung der betreffenden Flüssigkeit entgegen der Durchströmrichtung bei der Regeneration ist vorteilhaft von vergleichsweise kurzer Dauer bzw. findet mit einer vergleichsweise geringen Flüssigkeitsmenge statt, insbesondere derart, dass jeder Strömungsquerschnitt des gesamten Membranmoduls genau einmal von Flüssigkeit in Rückströmrichtung durchspült wird. Der Rückspülvorgang findet insbesondere unmittelbar im Anschluss oder nur kurz nach dem Ende der Regenerationsphase statt. Die Rückspülung im Anschluss an den Regenerationsvorgang ist insbesondere nicht vergleichbar mit der Rückspülphase nach einer vorangegangenen Filtrationsphase, um die Beschichtung zu entfernen, die aus den aus dem Rohwasser abgetrennten Stoffen auf einer Zulaufseite der Membran gebildet ist.
-
Die an die Regenerationsphase anschließende kurze Rückspülung bewirkt zum Beispiel ein Ausspülen von gegebenenfalls an der Membran bzw. in den Poren der Membran noch vorhandenen Restmengen von durch Oxidation erhaltenen Abbauprodukten der Stoffe, die während der Filtration aus dem Rohwasser an der Membran abgetrennt wurden.
-
Auch ist es von Vorteil, dass die Dauer der Regenerationsphase in Abhängigkeit von während der Regenerationsphase erfassbaren Betriebsdaten erfolgt. Die Betriebsdaten betreffen zum Beispiel Größen, welche für den Betrieb der Vorrichtung zur Abtrennung der wenigstens einen Komponente einer Lösung erfasst und ggf. von der Kontrolleinheit verarbeitet werden, also für solche Daten, die ohnehin von der Vorrichtung bereitstellbar sind und damit keinen zusätzlichen Aufwand bedingen.
-
So kann die Regeneration ideal an technisch relevante bzw. tatsächlich herrschende Gegebenheiten angepasst werden. Für die Ermittlung der Betriebsdaten werden insbesondere Daten herangezogen, welche die Verhältnisse an bzw. in der Membran bzw. deren Deckschicht betreffen und aus denen damit eine Aussage im Hinblick auf die Durchlässigkeit der Membran bzw. deren Trennleistung ableitbar ist. Die Betriebsdaten können zum Beispiel eine transmembrane Druckdifferenz oder einen Volumenstrom durch das Membranmodul während des Regenerationsbetriebs umfassen.
-
Damit kann die Dauer der Regenerationsphase optimiert werden, ggf. unter Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlages zum Beispiel durch Zugabe einer Nachlaufzeit für den Regenerationsvorgang.
-
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Abtrennung wenigstens einer Komponente einer Lösung mit einem Membranmodul, das eine Membran aufweist, wobei in einer Filtrationsphase die Lösung das Membranmodul in einer Filtrationsrichtung von einer Zulaufseite des Membranmoduls zu einer Ablaufseite des Membranmoduls durchströmt, und wobei eine Kontrolleinheit zur Betriebskontrolle der Vorrichtung zur Abtrennung der wenigstens einen Komponente der Lösung vorgesehen ist.
-
Der wesentliche Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, einen Betrieb der Vorrichtung gemäß einem der oben diskutierten Verfahren zum Betrieb einer Abtrennvorrichtung zu realisieren.
-
Damit lassen sich die oben zum erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Abtrennvorrichtung bzw. einer Membrananlage erläuterten Vorteile für die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend erzielen.
-
Demgemäß gilt das oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abtrennvorrichtung Gesagte entsprechend für die erfindungsgemäße Abtrennvorrichtung zur Abtrennung wenigstens einer Komponente einer Lösung mit einem Membranmodul.
-
Insbesondere ist die Kontrolleinheit ausgebildet, eine Regenerationsphase zur Regeneration der Membran derart durchzuführen, dass eine mit einem Oxidationsmittel beaufschlagte Regenerationsflüssigkeit das Membranmodul in Filtrationsrichtung durchströmt. Dabei wird die Regenerationsflüssigkeit vorteilhafterweise im Kreislauf geführt.
-
Die Kontrolleinheit kontrolliert insbesondere nach einem vorgebbaren Funktionsablauf sämtliche einstellbaren Vorrichtungsteile der Abtrennvorrichtung wie angetrieben verstellbare Stellarmaturen bzw. Ventile, Fördereinrichtungen für Flüssigkeiten bzw. Luft, wie Pumpen und Verdichter, oder eine Dosiereinrichtung für das Oxidationsmittel. Außerdem verarbeitet die Kontrolleinheit für die Betriebskontrolle der Abtrennvorrichtung ggf. Sensordaten von vorhandenen Sensormittel, welche die Sensordaten im Betrieb der Abtrennvorrichtung erfassen und an die Kontrolleinheit weitergeben. Die Sensormittel können beispielsweise Drucksensoren, Durchflusssensoren, Sensoren zur Erfassung von Ventilstellungen oder Schaltzuständen der Fördereinrichtungen sein oder Sensoren zur Messung von Parametern einer Flüssigkeit wie z. B. des Rohwassers, des Permeats oder der Regenerationsflüssigkeit. Als Flüssigkeitsparameter kommen insbesondere klassische Wasserparameter in Frage bzw. im speziellen Fall die Konzentration des konkret zugegebenen Oxidationsmittels.
-
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Vorlagebehälter zur Vorlage eines aus dem Membranmodul in Filtrationsrichtung abfließenden Flüssigkeitsvolumens vorhanden, wobei der Vorlagebehälter über Leitungsmittel mit der Zulaufseite des Membranmoduls derart verbunden ist, dass das Membranmodul mit Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter in Filtrationsrichtung durchströmbar ist. Damit lässt sich die Regeneration der Membran bzw. des Membranmoduls in der Regenerationsphase erfindungsgemäß realisieren.
-
Dabei ist es möglich, in Filtrationsrichtung das Membranmodul durchfließende Flüssigkeit von der Ablaufseite anschließend in den Vorlagebehälter zu leiten. In der Filtrationsphase, wenn der Ablauf aus dem Vorlagebehälter geschlossen ist, kann damit Permeat aus dem Membranmodul in den leeren oder teilgefüllten Vorlagebehälter gelangen, bis das Permeat bzw. die Flüssigkeit im Vorlagebehälter ein vorgebbares Füllvolumen erreicht.
-
Bei gefülltem Vorlagebehälter fließt im Filtrationsbetrieb anfallendes Permeat über eine Permeatabflussleitung aus der Membrananlage ab. Hierfür ist der Zulauf zum Vorlagebehälter z. B. mittels eines von der Kontrolleinheit kontrollierbaren Absperrventils zu schließen.
-
Des Weiteren ist es erfindungsgemäß, dass der Vorlagebehälter über Leitungsmittel mit der Ablaufseite des Membranmoduls derart verbunden ist, dass das Membranmodul mit Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter entgegen der Filtrationsrichtung durchströmbar ist. Damit ist die Rückspülung des Membranmoduls mit der dafür vorgesehen Rückspülflüssigkeit möglich. Die Rückspülflüssigkeit wird nach dem Durchströmen des Membranmoduls mit den abgespülten Komponenten der Deckschicht der Membran aus der Anlage ausgeschleust.
-
Das im Vorlagebehälter vorgelegte Permeat kann damit jederzeit wahlweise als Rückspül- bzw. Regenerationsflüssigkeit herangezogen werden.
-
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Leitungsmittel derart ausgebildet sind, dass die Ablaufleitung aus dem Membranmodul eine Verbindung zu einem Zulauf in den Vorlagebehälter aufweist und ein Ablauf für Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter ist leitungsgebunden mit der Zulaufleitung zum Membranmodul verbunden. Darüber hinaus ist ein weiterer Leitungsabschnitt vorgesehen, so dass Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter bzw. aus dessen Behälterablaufleitung in die Ablaufleitung, die sich an die Ablaufseite des Membranmoduls anschließt, gepumpt werden kann und beim Rückspülvorgang entgegen der Filtrationsrichtung durch das Membranmodul strömen kann. Die vorhandene Leitung vom Ablauf des Vorlagebehälters zur Zulaufseite des Membranmoduls ist in der Rückspülphase geschlossen.
-
Auch ist es vorteilhaft, dass Dosiermittel zur Dosierung eines Oxidationsmittels in die Regenerationsflüssigkeit vorhanden ist, vorteilhafter Weise außerhalb des Vorlagebehälters. Die Dosierung erfolg bevorzugt, bezogen auf eine Strömungsrichtung in der Regenerationsphase, nach einer Pumpe zum Fördern der im Vorlagebehälter vorgelegten Flüssigkeit und vor der Zulaufseite des Membranmoduls, insbesondere in einen Leitungsabschnitt vor dem Übergang in die Zulaufleitung zum Membranmodul. Damit wird eine vorteilhafte Vermischung des Oxidationsmittels im Zulaufstrom in der Regenerationsphase realisiert.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Verbindungsleitung vorgesehen ist, welche zwischen der Pumpe, über welche Flüssigkeit aus dem Vorlagebehälter heraus förderbar ist, und der Zulaufleitung zum Membranmodul positioniert ist.
-
In diesem Zusammenhang ist es außerdem vorteilhaft, dass eine Stellarmatur in der Verbindungsleitung zwischen der Fördereinheit und der Zulaufleitung vorhanden ist, wobei über die Stellarmatur ein Durchfluss von Flüssigkeit aus der Verbindungsleitung in die Zulaufleitung beeinflussbar ist, insbesondere absperrbar oder freigebbar ist.
-
Figurenliste
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind anhand der einzigen Figur näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein schematisiertes Rohrleitungs- und Instrumentenfließbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abtrennung mindestens einer Komponente einer Lösung bzw. Flüssigkeit mit einem Membranmodul 2 ist hier als Membranfilteranlage 1 ausgebildet. Das Membranmodul 2 weist eine nur schematisch angedeutete Membran 2a zum Beispiel eine Polymer- oder Keramikmembran zur Aufbereitung der Flüssigkeit auf. In 1 ist eine Trinkwasserfiltrationseinheit einer Wasseraufbereitungsanlage dargestellt. Das Membranmodul 2 ist als Mikro- oder Ultrafiltrationsmembran-Einheit ausgebildet. Des Weiteren umfasst die Membranfilteranlage 1 einen Vorlagebehälter 3 für Flüssigkeit und außerdem Rohrleitungen und Armaturen sowie Fördereinrichtungen für Flüssigkeiten und Luft. Die Membranfilteranlage 1 arbeitet mit einer oxidationsmittelunterstützten Regenerationsstufe, mit Ozon als Oxidationsmittel, was weiter unten noch näher erläutert wird.
-
Die aufzubereitende Flüssigkeit bzw. ein Rohwasser fließt im Filtrationsbetrieb in Filtrationsrichtung F durch das Membranmodul 2. Dabei fließt das ankommende Rohwasser gemäß Pfeil P1 über eine Zulaufleitung 4 dem Membranmodul 2 an einer Zulaufseite Z zu, wobei in der Zulaufleitung 4 vor dem Membranmodul 2 ein motorisch verstellbares Absperrventil 5 zum Absperren bzw. Freigeben der Zulaufleitung 4 vorhanden ist. Auf der Konzentratseite K der Membran 2a werden in dem dem Membranmodul 2 zufließenden Rohwasser höhermolekulare gelöste Komponenten zurückgehalten. Wasser und niedermolekulare gelöste Komponenten treten unter Druck durch die Membran 2a durch und gelangen als Permeat auf die Permeatseite P der Membran 2a. Von einer Ablaufseite A des Membranmoduls 2 fließt das Permeat über eine Ablaufleitung 6 gemäß Pfeil P2 aus der Membranfilteranlage 1 ab.
-
In der Ablaufleitung 6 ist außerdem ein weiteres motorisch betätigbares Absperrventil 7 und eine Rückschlagarmatur 8 integriert.
-
In Fließrichtung P2 hinter dem Absperrventil 7 zweigt eine Behälterzuführleitung 9 von der Ablaufleitung 6 ab und führt in den Vorlagebehälter 3. Die Behälterzuführleitung 9 weist ebenfalls ein motorisch verstellbares Absperrventil 10 auf. Im Inneren des Vorlagebehälters 3 ist mit einem vorgebbaren Teilvolumen eine Flüssigkeit 11 vorgelegt.
-
Die Flüssigkeit 11 wird dadurch bereitgestellt, dass in einer ersten Phase eines Filtrationsvorgangs von Rohwasser mit einer freien bzw. regenerierten Membran 2a erzeugtes Permeat über die Ablaufleitung 6 und die Behälterzuführleitung 9 in den Vorlagebehälter 3 überführt wird. Die Flüssigkeit 11 weist damit Permeatqualität auf.
-
Zur Entnahme der Flüssigkeit 11 ist eine Flüssigkeitspumpe 12 vorgesehen, die über eine Behälterablaufleitung 13, die in einem Bodenbereich des Vorlagebehälters 3 anschließt, die Flüssigkeit 11 in Richtung P3 in eine Zwischenleitung 15 fördert. Die Zwischenleitung 15 mündet über ein motorisch verstellbares Absperrventil 16 in die Ablaufleitung 6, an einer Stelle zwischen der Ablaufseite A des Membranmoduls 2 und dem Absperrventil 7.
-
Von der Zwischenleitung 15 zweigt in Richtung P3 vor dem Absperrventil 16 eine Verbindungsleitung 14 ab, welche in die Zulaufleitung 4 kurz vor der Zulaufseite Z des Membranmoduls 2 mündet. Damit ergibt sich eine Fließrichtung P5 in der Verbindungsleitung 14 im Pumpbetrieb der Flüssigkeitspumpe 12. Die Verbindungsleitung 14 weist eine Dosieranordnung 17 zur Dosierung eines Oxidationsmittels gemäß des Pfeils P4 in die Verbindungsleitung 14 auf. In Fließrichtung P5 hinter der Dosieranordnung 17 befindet sich ein motorisch verstellbares Absperrventil 18 in der Verbindungsleitung 14.
-
Von der Zulaufleitung 4 zweigt eine Auslassleitung 29 in Fließrichtung P1 hinter dem Absperrventil 5 ab, in welcher ebenfalls ein motorisch betätigbares Absperrventil 30 integriert ist. Die Auslassleitung 29 führt zum Beispiel in einen Vorfluter bzw. eine Abwasserleitung.
-
Des Weiteren ist ein Kompressor bzw. Verdichter 19 zum Verdichten und Fördern von Luft vorhanden, um in einer Rückspülphase zum luftunterstützten Rückspülen des Membranmoduls 2 bzw. der Membran 2a verdichtete Luft durch eine Verdichterleitung 20, die in die Zulaufleitung 4 mündet, über die Zulaufseite K des Membranmoduls 2 in das Innere des Membranmoduls 2 zu fördern. In der Verdichterleitung 20 ist ein weiteres motorisch verstellbares Absperrventil 21 und eine Rückschlagarmatur 22 vorhanden. In der Rückspülphase wird über eine Abführleitung 23 mit einem Absperrventil 24 die entstehende verschmutzte Rückspülflüssigkeit von der Konzentratseite K des Membranmoduls 2 in eine Abwasserleitung 25 abgeleitet. Die Absperrventile 5, 7, 10, 18 und 30 sind dabei geschlossen.
-
Außerdem verfügt der Vorlagebehälter 3 über einen Entlüftungsanordnung 26 mit einem Katalysator 27 zur katalytischen Umsetzung z. B. von gasförmigem Ozon zu Sauerstoff, der nach außen gemäß Ausströmrichtung P6 entweichen kann. Die Entlüftungsanordnung 26 stellt dabei einen Gasübergang zwischen dem Teil oberhalb der Flüssigkeit 11 im Inneren des Vorlagebehälters 3 und einer Außenseite des Vorlagebehälter 3 bzw. der Atmosphäre bereit.
-
Des Weiteren verfügt der Vorlagebehälter 3 über einen Überlauf 28 mit einer Abführleitung.
-
Nicht dargestellt ist eine Kontrolleinheit zur Betriebsführung der Membranfilteranlage 1 über ebenfalls nicht dargestellte Verbindungen zu sämtlichen für den Betrieb relevanten Anlagenteilen der Membranfilteranlage 1, wie die Absperrventile 5, 7, 10, 16, 18, 21, 24 und 30, die Flüssigkeitspumpe 12 und der Verdichter 19.
-
Erfindungsgemäß erfolgt der Filtrationsbetrieb bzw. die Filtrationsphase grundsätzlich ohne Zugabe von Oxidationsmittel bzw. mit nicht ozonisiertem Rohwasser. Auch die im Regelbetrieb anschließende insbesondere luftunterstützte Rückspülphase erfolgt ohne Zugabe von Oxidationsmittel bzw. mit hierfür nicht gesondert ozonisierter Rückspülflüssigkeit.
-
In Filtrationspausen und/oder in fest definierten regelmäßigen Intervallen wird die Membranfilteranlage 1 in den Regenerationsbetrieb bzw. in die Regenerationsphase geschaltet. Vor der Regenerationsphase erfolgt eine luftunterstützte Rückspülung. In der Regenerationsphase wird die Membranfilteranlage 1 bzw. das Membranmodul 2 in Filtrationsrichtung F im Kreislauf mit der Flüssigkeit 11 aus dem Vorlagebehälter 3, der als Rückspül- bzw. Regenerationswasser-Vorlage dient, durchspült, wobei der Regenerationsflüssigkeit Ozon zugegeben wird. Die Dauer der Kreislaufbetriebs bzw. der Regenerationsphase orientiert sich beispielsweise an Druckverhältnissen in der Membranfilteranlage 1 bzw. in dem Membranmodul 2 und/oder an Betriebsverhältnissen.
-
Die Flüssigkeit 11 aus dem Vorlagebehälter 3 ist durch einen vorausgegangenen Filtrationsvorgang filtriert, sodass der Bedarf an Oxidationsmittel bzw. Ozon für eine gewünschte Ozonkonzentration darin vergleichsweise geringer ist. Auch durch den Kreislaufbetrieb wird der Bedarf an Oxidationsmittel minimiert und nahezu das gesamte in die Regenerationsflüssigkeit zugesetzte Ozon steht voll und ganz dem Abbau beilspielweise von Belägen auf bzw. in der Membran 2a bzw. deren Membranporen zur Verfügung. Der Regenerationsbetrieb bzw. die Regenerationsphase wird mit einer insbesondere vergleichsweise kurzen Rückspülung abgeschlossen.
-
Bei einem nachfolgenden Start der Filtrationsphase wird zuerst die noch etwas ozonhaltige Flüssigkeit im Membranmodul 2 bzw. in den im Kreislaufbetrieb durchströmten Leitungsabschnitten der Leitungen 4, 6 und 9 in den Vorlagebehälter 3 geleitet. Anschließend erfolgt wieder ein normaler Filtrationsbetrieb gemäß des Regelbetriebs.
-
Die verschiedenen Betriebszustände der erfindungsgemäßen Membranfilteranlage 1 bzw. des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zum Betrieb der Membranfilteranlage 1 sind nachfolgend in einer Funktionstabelle zur Betriebsführung aufgezeigt. Dabei sind die einzelnen von oben nach unten nacheinender ablaufenden Betriebsschritte in Zeilen aufgeführt, zu denen dahinter spaltenweise mit den jeweiligen Bezugszeichen aus 1 die Schaltzustände der Anlagenkomponenten bzw. der Absperrventile 5, 7, 10, 16, 18, 21, 24 und 30, der Flüssigkeitspumpe 12 und des Verdichters 19 angegeben sind.
-
Dabei wird für jede Anlagenkomponente zwischen zwei Schaltzuständen unterschieden, denen die Symbole „0“ und „1“ zugeordnet sind : Eine „0“ bedeutet bei der Flüssigkeitspumpe 12, dem Verdichter 19 und der Dosieranordnung 17 einen Schaltzustand „nicht fördern“ bzw. „aus“ und bei den Absperrventilen 5, 7, 10, 16, 18, 21, 24 und 30 „geschlossen“, wohingegen ein Schaltzustand „1“ bei der Flüssigkeitspumpe 12, dem Verdichter 19 und der Dosieranordnung 17 für einen Schaltzustand „fördern“ bzw. „ein“ und bei den Absperrventilen 5, 7, 10, 16, 18, 21, 24 und 30 für einen Zustand „geöffnet“ steht.
-
Der Betrieb der Membranfilteranlage 1 weist im Regelbetrieb die folgenden unterschiedlichen nacheinander ablaufenden Betriebsphasen auf:
- I: Filtrationsphase (Betriebszustände 1 und 2),
- II: Rückspülphase (Betriebszustände 3 und 4),
- III: Regenerationsphase (Betriebszustände 5 und 6),
- IV: Integritätstestphase (Betriebszustand 8) mit vorhergehender Entleerung (Betriebszustand 7).
-
Die Integritätstestphase mit einer Entleerung vor der Integritätstestphase erfolgt nur zur Prüfung der Membran, beispielsweise monatlich bzw. halbjährlich.
-
Erfolgt keine Integritätstestphase schließt sich dem Betriebszustand 6 der Betriebszustand 9 an.
-
Funktionstabelle
-
| Komponenten-Bezugszeichen |
12 |
19 |
21 |
5 |
24 |
7 |
10 |
18 |
16 |
30 |
17 |
| Betriebszustand |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 1. Filtration - Start |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 2. Filtration |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| (Vorlagebehälter 3 voll) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 3. Rückspülung |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
| (ohne Luftunterstützung) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 4. Rückspülung |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
| (zeitverzögert mit Luftunterstützung) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 5. Regeneration |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
| 6. Regeneration - Ende |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 7. Entleerung vor Integritätstest |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
| 8. Integritätstest |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 9. Entlüftung |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| anschließend |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
| Filtration - Start |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Membranfilteranlage
- 2
- Membranmodul
- 2a
- Membran
- 3
- Vorlagenbehälter
- 4
- Zulaufleitung
- 5
- Absperrventil
- 6
- Ablaufleitung
- 7
- Absperrventil
- 8
- Rückschlagarmatur
- 9
- Behälterzuführleitung
- 10
- Absperrventil
- 11
- Flüssigkeit
- 12
- Flüssigkeitspumpe
- 13
- Behälterablaufleitung
- 14
- Verbindungsleitung
- 15
- Zwischenleitung
- 16
- Absperrventil
- 17
- Dosieranordnung
- 18
- Absperrventil
- 19
- Verdichter
- 20
- Verdichterleitung
- 21
- Absperrventil
- 22
- Rückschlagarmatur
- 23
- Abführleitung
- 24
- Absperrventil
- 25
- Abwasserleitung
- 26
- Entlüftungsanordnung
- 27
- Katalysator
- 28
- Überlauf
- 29
- Auslassleitung
- 30
- Absperrventil
