DE102021120036B3

DE102021120036B3 - Filtrationsvorrichtung und Verfahren zu ihrem Rückspülen

Info

Publication number: DE102021120036B3
Application number: DE102021120036.9A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2041-08-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filtrationsvorrichtung zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch mit mindestens einem Filtrationsmodul (1), das ein zentrales Permeatrohr (2) zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen (3) aufweist, die in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres (2) verteilt um das Permeatrohr (2) angeordnet sind, wobei die Innenseiten der Hohlfasermembranen jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres (2) stehen, um mittels der Hohlfasermembranen (3) aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr (2) abzuleiten. Es wird vorgeschlagen, dass im Innenraum des Permeatrohres (2) ein Verdrängungskörper (6) angeordnet ist, der das im Innenraum des Permeatrohres (2) für Permeat zur Verfügung stehende Volumen reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Filtrationsvorrichtung zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch mit mindestens einem Filtrationsmodul, das ein zentrales Permeatrohr zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen aufweist, die in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres verteilt um das Permeatrohr angeordnet sind, wobei die Innenseiten der Hohlfasermembranen jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres stehen, um mittels der Hohlfasermembranen aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr abzuleiten. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Rückspülen der Filtrationsvorrichtung.
Eine derartige Filtrationsvorrichtung kann beispielsweise in einem Membranbioreaktor zum Abtrennen von Feststoffpartikeln eingesetzt werden, insbesondere zum Abtrennen von Schlamm aus einem Abwasserstrom. Ein Membranbioreaktor wird zum Reinigen von insbesondere kommunalem Abwasser mittels eines Belebungsbeckens verwendet, in dem Schmutzstoffe durch aerobe Stoffwechselprozesse von Mikroorganismen abbaubar sind. Im Zulauf des Belebungsbeckens ist eine Filtereinrichtung und in dem Belebungsbecken ist wenigstens ein Membranfilter zum Rückhalten der Mikroorganismen in dem Belebungsbecken angeordnet.
Schmutzstoffe sowie Kohlenstoff-, Phosphor oder Stickstoffverbindungen in Abwasser können in Abwasserbehandlungsanlagen durch Mikroorganismen abgebaut werden. Der Abbau dieser Verunreinigungen erfolgt üblicherweise in Belebungsbecken, die aufgrund der Zufuhr von (Luft-)Sauerstoff für die aeroben Stoffwechselprozesse häufig auch als Belüftungsbecken bezeichnet werden. Der dabei erzeugte Belebtschlamm kann dann in Nachklärbecken durch Sedimentation abgetrennt und in das Belebungsbecken zurückgeführt werden. Häufig sind darüber hinaus weitere Filtervorgänge erforderlich, bevor das derart gereinigte Abwasser in Flüsse oder dgl. eingeleitet werden kann.
Zum Durchführen derartiger Belebungsverfahren werden auch Membranbioreaktoren (auch Membranbelebungsreaktoren genannt) eingesetzt, bei denen Filtrationsmembranen in dem Belebungsbecken Schlamm, Feststoffe, Keime und Bakterien abfiltern, sodass diese nicht den gereinigten Ablauf gelangen können. Dadurch kann direkt in dem Belebungsbecken die Nachklärung sowie die Filtration und ggf. auch die Entkeimung erfolgen, sodass klares, gereinigtes Wasser aus dem Belebungsbecken abgeleitet werden kann. Derartige Anlagen sind in der Regel kompakter, und es entfallen zusätzliche Bauwerke für Nachklärbecken oder weitere Filtrationsstufen. Zudem können solche Belebungsbecken mit höheren Schlammkonzentrationen und einem höheren Schlammalter betrieben werden, sodass wesentlich kleinere Belebungsbecken erforderlich sind.
In der Praxis verstopfen die sehr kleinen Poren der Mikrofiltrations- oder Ultrafiltrationsmembranen häufig, wodurch ein verringerter Abtransport und ein Rückstau von Abwasser in dem Belebungsbecken auftreten kann. Mit steigender Betriebszeit führen Ablagerungen in den Membranen und an den Membranoberflächen zu einem Rückgang des Durchflusses durch die Membranen (sogenanntes Fouling). Die Membranen werden daher regelmäßig durch Rückspülen und/oder chemisch gereinigt. Zum Vermindern des Foulings ist es außerdem bekannt, die Filtermembranen mit Luft zu überströmen. Das Überströmen verlangsamt die Deckschichtbildung auf den Membranen.
Beim Betrieb einer derartigen Filtrationsvorrichtung ist es also erforderlich, nach einer bestimmten Filtrationszeit einen Rückspülprozess einzuleiten. Beim Rückspülen wird eine Flüssigkeit rückwärts durch das Filtrationsmodul gepumpt und dadurch die Ablagerungen von den Filtrationsmembranen abgespült. Der Rückspülprozess hat das Ziel, die Ablagerungen bzw. die Deckschicht auf den Membranen zu entfernen, um den Filtrationswiderstand zu verringern. Der Rückspülprozess wird gelegentlich durch die Zugabe von die Reinigung unterstützenden Chemikalien in die Rückspülflüssigkeit unterstützt, da ein Rückspülen nur mit Filtrat nicht immer den gewünschten Reinigungseffekt erzielt.
Eine gattungsgemäße Filtrationsvorrichtung ist aus der DE 10 2012 000 142 B4 bekannt. Dort wurde ein Filtrationsmodul mit einem zentralen Permeatrohr vorgeschlagen, bei dem die Mikrofiltrationsmembranen als Hohlfasermembranen ausgebildet sind. Mit dieser Filtrationsvorrichtung ist ein ökonomischer Betrieb eines Filtrationsmoduls möglich. Beim Rückspülen der Filtrationsvorrichtung unter Zugabe von Chemikalien bzw. beim chemischen Reinigen der Hohlfasermembranen besteht jedoch der Nachteil, dass zunächst das Volumen des im Innenraum des Permeatrohres vorhandenen Permeates von der mit Chemikalien angereicherten Rückspülflüssigkeit verdrängt werden muss, bevor die Chemikalie die Hohlfasermembranen erreicht und damit wirksam den Belag (Biofilm, Fouling) auf den Hohlfasermembranen entfernen kann.
Dieser Nachteil ist umso größer, je größer der Durchmesser bzw. das Volumen des Permeatrohres ist, denn mit zunehmendem Volumen des Permeatrohres erhöht sich bei gleicher Konzentration der Chemikalien in der Rückspülflüssigkeit die Menge an Reinigungslösung, die zum Reinigen des Filtrationsmoduls benötigt wird. Beim Vergrößern der Filtrationsleistung (des Volumendurchsatzes pro Zeiteinheit) eines Filtrationsmoduls mit Hohlfasermembranen durch Erhöhung der Anzahl der Hohlfasermembranen und damit der gesamten Membranfilterfläche ist es erforderlich, die Anzahl der Hohlfasermembranen des Filtrationsmoduls zu erhöhen und hierzu den Durchmesser des Permeatrohres zu vergrößern. Dadurch besteht der beschriebene Nachteil umso mehr, je größer die Filtrationsleistung des Filtrationsmoduls ist. Dies schränkt in der Praxis dessen Baugröße und ökonomischen Betrieb ein.
Aus der DE 10 2017 117 419 A1 ist eine Filtrationsvorrichtung bekannt, die einen Flussminderer aufweist, mit dem beim Spülen der Filtrationsvorrichtung zum Einsparen von Spülmedium der Volumenstrom verringert wird.
Die US 4096067 A offenbart eine Vorrichtung zum Filtern von Flüssigkeit mit einer rohrförmigen Membran, wobei im Innern der rohrförmigen Membran ein stabförmiger Verdrängungskörper angeordnet ist, um zu verhindern, dass der Strömungspfad verstopft.
In der EP 0 333 753 B1 wird ein Membranfilter mit rohrförmigen Strömungskanälen beschrieben, die von einem Sammelraum für Permeat umschlossen sind. Der Sammelraum ist mit Füllkörpern gefüllt, um die Strömung des Permeats zu behindern.
Die WO 2006/083686 A2 betrifft einen rückspülbaren Wasserfilter mit Hohlfasermembranen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Filtrationsvorrichtung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu ihrem Rückspülen zu schaffen, bei denen das Rückspülen der Filtrationsvorrichtung unter Zugabe von Chemikalien bzw. beim chemischen Reinigen der Hohlfasermembranen ökonomischer erfolgen kann und insbesondere bei großen Filtrationsmodulen bzw. Permeatrohren mit großem Durchmesser bzw. großem Volumen die zum Reinigen eines Filtrationsmoduls benötigte Menge an Reinigungslösung verringert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Filtrationsvorrichtung mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 bzw. des beigefügten Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Eine erfindungsgemäße Filtrationsvorrichtung zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch mit mindestens einem Filtrationsmodul, das ein zentrales Permeatrohr zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen aufweist, die in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres verteilt um das Permeatrohr angeordnet sind, wobei die Innenseiten der Hohlfasermembranen jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres stehen, um mittels der Hohlfasermembranen aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr abzuleiten, weist die Besonderheit auf, dass im Innenraum des Permeatrohres ein Verdrängungskörper angeordnet ist, der das im Innenraum des Permeatrohres für Permeat zur Verfügung stehende Volumen reduziert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Rückspülen einer Filtrationsvorrichtung, die zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch dient und mindestens ein Filtrationsmodul, das ein zentrales Permeatrohr zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen aufweist, die in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres verteilt um das Permeatrohr angeordnet sind, wobei die Innenseiten der Hohlfasermembranen jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres stehen, um mittels der Hohlfasermembranen aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr abzuleiten, weist die Besonderheit auf, dass beim Rückspülen des Filtrationsmoduls im Innenraum des Permeatrohres ein Verdrängungskörper angeordnet wird, der das im Innenraum des Permeatrohres für Permeat bzw. für Rückspülflüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen reduziert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Anordnen eines Verdrängungskörpers im Permeatrohr das im Innenraum des Permeatrohres für Permeat bzw. für Rückspülflüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen reduziert wird und diese Reduzierung des Volumens bedingt, dass beim Rückspülen des Filtrationsmoduls weniger Reinigungslösung benötigt wird als ohne Verdrängungskörper, da ein geringeres Volumen verdrängt werden muss, bis die Rückspülflüssigkeit bzw. die der Rückspülflüssigkeit zugesetzten Chemikalien die Hohlfasermembranen erreichen. Der Verdrängungskörper sorgt dafür, dass die Menge an beim Rückspülprozess benötigten Reinigungschemikalien bei gleicher Konzentration der Reinigungschemikalien in der Rückspülflüssigkeit verringert wird und somit Reinigungschemikalien eingespart werden.
Ein erfindungsgemäßes Filtrationsmodul bietet nicht nur den Vorteil einer Einsparung von Reinigungschemikalien beim Rückspülen, sondern bei vorteilhaften Ausgestaltungen des Verdrängungskörpers auch Vorteile hinsichtlich der Haltekraft des Reinigungsmoduls bzw. der Filtrationsvorrichtung im Betrieb, beim Transport des Reinigungsmoduls bzw. der Filtrationsvorrichtung, der Lagerung des Reinigungsmoduls im Betrieb und der Inspektion des Permeatrohres und der Hohlfasermembranen im Betrieb.
Ein erfindungsgemäßer Verdrängungskörper kann jeder Körper sein, der im Innenraum des Permeatrohres angeordnet ist, um das dort für Permeat bzw. für Rückspülflüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen durch das von ihm eingenommene bzw. verdrängte Volumen zu reduzieren. Der Verdrängungskörper kann ein zusätzlich in den Innenraum des Permeatrohres eingebrachtes Bauteil sein oder in abgewandelten Ausführungsformen dadurch gebildet werden, dass ein ohnehin im Innenraum des Permeatrohres vorhandenes konstruktives Element der Filtrationsvorrichtung, beispielsweise ein Halte-, Lagerungs-, Befestigungs- oder Fixierungsteil, in seiner Größe über das übliche, gebräuchliche oder erforderliche Maß hinaus vergrößert wird. Auch Mischformen dieser Varianten sind möglich. Der Verdrängungskörper kann prinzipiell jede beliebige Form haben und ein- oder mehrstückig sein. Aus strömungstechnischen oder konstruktiven Gründen kann es vorteilhaft sein, wenn der Verdrängungskörper stab- oder zylinderförmig ausgebildet ist. Ein Verdrängungskörper kann massiv sein oder ein Hohlkörper mit einem geschlossenen, flüssigkeits- oder gasdichten Innenvolumen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben, auch wenn sie bei anderen Ausführungsformen vorteilhaft eingesetzt werden können. Es zeigen:

1 eine Aufsicht auf ein Filtrationsmodul mit sternförmig um ein Permeatrohr angeordneten Hohlfasermembranen,
2 eine Seitenansicht zu 1,
3 eine Aufsicht auf ein anderes Filtrationsmodul mit sternförmig um ein Permeatrohr angeordneten Hohlfasermembranen,
4 einen schematischen Vergleich der Innenvolumen der Permeatrohre der 1 und 3,
5 eine Seitenansicht und einen Längsschnitt des Permeatrohres der 3,
6 eine Seitenansicht und mehrere Querschnitte des Permeatrohres der 3,
7 eine schematische Ansicht eines Permeatrohres eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls mit einem Verdrängungskörper,
8 eine Seitenansicht und einen Längsschnitt des Permeatrohres der 7,
9 eine Seitenansicht und mehrere Querschnitte des Permeatrohres der 8,
10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls mit einem Führungsstab,
11 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls mit einer Gaszufuhrleitung und
12 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls mit Distanzstäben.

Die 1 zeigt eine Aufsicht bzw. Frontansicht eines gattungsgemäßen Filtrationsmoduls 1 nach dem Stand der Technik. Das Filtrationsmodul 1 ist Teil einer Filtrationsvorrichtung zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch mit mindestens einem Filtrationsmodul 1 und es weist ein zentrales Permeatrohr 2 zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen 3 auf, die in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres 2 verteilt um das Permeatrohr 2 angeordnet sind. Dabei stehen die Innenseiten der Hohlfasermembranen 3 jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres 2, um mittels der Hohlfasermembranen 3 aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr 2 abzuleiten. Die Hohlfasermembranen 3 tauchen in ein zu trennendes Gemisch ein, und das Permeat aus dem Innern der Hohlfasermembranen 3 wird in dem Permeatrohr 2 gesammelt und von dort abgeleitet. Es wird deshalb auch als Permeatsammelrohr oder Permeatsammelkanal bezeichnet. Das Filtrationsmedium ist vorzugsweise eine Flüssigkeit oder eine Suspension, beispielsweise ein zu filtrierendes Abwasser.
Die einzelnen Hohlfasermembranen 3 sind bevorzugt sternförmig um das zentrale Permeatrohr 2 und senkrecht zu ihm um das zentrale Permeatrohr 2 angeordnet. Sie sind vorzugsweise im Wesentlichen gleichmäßig über einen Außenumfang des Permeatrohres 2 verteilt, also in Längsrichtung und in Umfangsrichtung um das Permeatrohr 2 herum angeordnet. Hierdurch entsteht ein in etwa walzenförmiges oder ringbürstenförmiges Filtrations- oder Membranmodul.
Die Hohlfasermembranen 3 sind langgestreckte Elemente mit einem Hohlraum und einer Membran oder Membranschicht als Mantelfläche. Sie können weitgehend steif oder anders gestaltet sein. Der Hohlraum der Hohlfasermembranen 3 steht in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres 2. Das Verbinden der Hohlfasermembranen 3 mit dem Permeatrohr 2 erfolgt beispielsweise mittels Bohrungen 4 in dem Permeatrohr 2, in denen die Hohlfasermembranen 3 befestigt sind, beispielsweise mittels eines geeigneten Klebers oder Harzes. Hierzu kann das Permeatrohr 2 in Längs- und in Umfangsrichtung verteilt eine Vielzahl von radialen Durchgangsbohrungen aufweisen, in denen jeweils eine Hohlfasermembran 3 eingesteckt ist.
Das axial zum Permeatrohr 2 liegende Ende jeder Hohlfasermembran 3 ist offen und bildet einen Durchgang für Permeat von dem inneren Hohlraum der Hohlfasermembran 3 in den Innenraum des Permeatrohres 2. Die axial vom Permeatrohr 2 entfernt liegenden Enden der Hohlfasermembranen 3 sind jeweils verschlossen, sodass ein radial nach innen gerichteter Permeatfluss erzeugt werden kann. Bevorzugt haben die Hohlfasermembranen 3 gleiche Längen. Vorzugsweise erstrecken sich die Hohlfasermembranen 3 ausgehend von dem Permeatrohr 2 radial nach außen. In alternativen Ausführungsformen können die Hohlfasermembranen 3 mit beiden axialen Enden an das zentrale Permeatrohr 2 angeschlossen und beispielsweise schlaufenförmig an dem Permeatrohr 2 angeordnet sein.
Die Hohlfasermembranen 3 sind langgestreckte Hohlfasern und umfassen eine Membranschicht, beispielsweise aus Kunststoff. Die Membranschicht kann auf eine Stützschicht aufgebracht sein. Grundsätzlich kann es sich bei den Hohlfasermembranen 3 bzw. der Membranschicht um Porenmembranen oder um Löslichkeitsmembranen handeln. Für eine Anwendung in der Abwasserbehandlung weisen die verwendeten Membranen vorzugsweise sehr kleine Porendurchmesser auf, beispielsweise kleiner als 0,1 µm, um auch Bakterien zurückzuhalten. Vorzugsweise weisen die Hohlfasermembranen 3 eine Länge von 5 cm bis 50 cm auf. Durch diese vergleichsweise kurzen Hohlfasermembranen 3 bleibt der Permeatweg zum Permeatrohr 2 kurz. Die kurzen Hohlfasermembranen 3 sind zudem weniger anfällig für Brüche. Die Hohlfasermembranen 3 weisen vorzugsweise einen Außendurchmesser von 0,5 mm bis 10 mm auf.
In bevorzugten Ausführungsformen sind die einzelnen Hohlfasermembranen 3 gleichmäßig um das Permeatrohr 2 verteilt, sie können aber auch beliebig anders angeordnet werden. Es ist bevorzugt, dass die einzelnen Hohlfasermembranen 3 um das gesamte Permeatrohr 2, insbesondere um die gesamte Außenmantelfläche oder Umfangsfläche des Permeatrohres 2, herum verteilt angeordnet sind. Die Hohlfasermembranen 3 sind an das Permeatrohr 2 angeschlossen, sodass in den Hohlfasermembranen 3 ausgebildete Hohlräume mit dem zentralen Innenraum des Permeatrohres 2 kommunizieren. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Permeatrohr 2 um ein zylinderförmiges Rohr mit einer zylinderförmigen Umfangsfläche.
Die 2 zeigt eine Seitenansicht eines Filtrationsmoduls 1 gemäß 1. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Permeatrohr 2 in seiner axialen Richtung drehbar gelagert und kann im Betrieb mittels einer nicht dargestellten Antriebseinrichtung, die einen Antriebsmotor umfasst, gedreht werden. Die Rotation des Permeatrohres 2 mit den Hohlfasermembranen 3 im Filtrationsbetrieb bewirkt ein Überströmen der Hohlfasermembranen 3 mit Flüssigkeit sowie eine verbesserte Durchmischung des zu filtrierenden Mediums und verringert somit die Deckschichtbildung beziehungsweise das Fouling der Hohlfasermembranen 3.
Zum Vergrößern der Filtrationsleistung der Filtrationseinrichtung ist es bevorzugt, wenn sie mehrere Filtrationsmodule 1 aufweist, wobei vorzugsweise mindestens zwei Filtrationsmodule 1 parallel, neben- oder übereinander angeordnet sind. Vorzugsweise können die Filtrationsmodule 1 so zueinander positioniert sein, dass sich die Hohlfasermembranen 3 angrenzender Filtrationsmodule 1 zumindest teilweise in einem Überlappungsbereich überlappen. Hierdurch wird eine enge Anordnung der einzelnen Module erreicht, die eine besonders hohe Membranfläche pro Volumen bereitstellt. Insbesondere bei einer Rotation der einzelnen Filtrationsmodule 1 ist es bevorzugt, dass sich die Hohlfasermembranen 3 benachbarter Module gegenseitig berühren beziehungsweise überstreifen. Hierdurch wird ein zusätzlicher Reinigungseffekt erzielt, sodass die Deckschichtbildung an den Membranoberflächen verringert wird.
Zum weiteren Verringern des Foulings kann unterhalb mindestens eines Filtrationsmoduls 1 eine nicht dargestellte Belüftungseinrichtung zum Zuführen eines Gases angeordnet sein. Beim Rotieren des Filtrationsmoduls 1 ist es ausreichend, nur einen Teil des Filtrationsmoduls 1 damit gezielt zu belüften.
Die 3 zeigt eine Aufsicht auf ein anderes gattungsgemäßes Filtrationsmodul 1 nach dem Stand der Technik mit sternförmig um ein Permeatrohr 2 angeordneten Hohlfasermembranen 3. Es unterscheidet sich von dem Filtrationsmodul 1 der 1 und 2 nur dadurch, dass die gesamte Membranfläche der Hohlfasermembranen 3 erhöht ist, indem die Anzahl der Hohlfasermembranen 3 erhöht ist und hierzu der Durchmesser des Permeatrohres 2 vergrößert wurde. Bei gleichbleibender Länge der Hohlfasermembranen 3 vergrößert sich der Außendurchmesser des Filtrationsmoduls 1 entsprechend, bei gleichbleibendem Außendurchmesser des Filtrationsmoduls 1 verringert sich die Länge der Hohlfasermembranen 3 entsprechend.
Um die Filtrationsleistung eines Filtrationsmoduls 1 bei vorgegebener Länge des Permeatrohres 2 bzw. des Filtrationsmoduls 1 zu erhöhen, kann man die Hohlfasermembranen 3 verlängern. Das hat jedoch Grenzen, entweder durch die baulichen Gegebenheiten oder insbesondere dadurch, dass sich mit wachsender Länge der Hohlfasermembranen 3 der Weg des Permeates zum Permeatrohr 2 verlängert, was den Durchfluss reduzieren kann. Daher ist die maximale Länge der Hohlfasermembranen 3 in der Praxis beschränkt.
Eine andere Möglichkeit zum Erhöhen der Filtrationsleistung eines Filtrationsmoduls 1 bei vorgegebener Länge des Permeatrohres 2 bzw. des Filtrationsmoduls 1 oder bei vorgegebener Länge der Hohlfasermembranen 3 besteht darin, die Anzahl der in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Hohlfasermembranen 3 zu erhöhen. Damit diese in den Bohrungen 4 an dem Permeatrohr 2 befestigt werden können, ist es in diesem Fall erforderlich, den Durchmesser des Permeatrohres 2 zu vergrößern. Dadurch verlängert sich der Umfang des Permeatrohres 2 und es können zusätzliche Bohrungen 4 für weitere Hohlfasermembranen 3 darin angebracht werden.
Die 4 zeigt in einem schematischen Vergleich der Innenvolumen der Permeatrohre 2 der 1 und 3, dass sich mit steigendem Durchmesser bzw. Querschnitt des Permeatrohres 2 das Volumen des Permeatrohres 2 vergrößert. Das linke Bild zeigt das Permeatrohr 2 des Filtrationsmoduls 1 von 1 mit dem Durchmesser d₁, der Länge h und dem Volumen V₁, das rechte Bild das Permeatrohr 2 des Filtrationsmoduls 1 von 3 mit dem Durchmesser d₂, der Länge h und dem Volumen V₂. Das Volumen des Permeatrohres 2 wächst quadratisch mit seinem Durchmesser d, sodass V₂ > V₁ ist. Durch das Vergrößern des Durchmessers d des Permeatrohres 2 erhöht sich somit die Menge an Reinigungslösung und an Chemikalien, die beim Rückspülen der Filtrationsvorrichtung unter Zugabe von Chemikalien bzw. beim chemischen Reinigen der Hohlfasermembranen 3 benötigt wird, da zunächst das Volumen des im Innenraum des Permeatrohres 2 vorhandenen Permeates von der mit Chemikalien angereicherten Rückspülflüssigkeit verdrängt werden muss, bevor die Chemikalie die Hohlfasermembranen 3 erreicht und damit wirksam den Belag (Biofilm, Fouling) auf den Hohlfasermembranen 3 entfernen kann.
Die 5 zeigt eine Seitenansicht und einen Längsschnitt des Permeatrohres 2 der 3, und die 6 zeigt eine Seitenansicht und mehrere Querschnitte des Permeatrohres 2 der 3. Dabei sind in 6 nur zwei Hohlfasermembranen 3 beispielhaft dargestellt. Das Permeatrohr 2 ist in bevorzugten Ausführungsformen wie hier dargestellt von unten durch einen Boden 5 (Schnitt A-A in 6) geschlossen und im Betrieb vollständig mit Filtrat (z. B. Wasser) gefüllt. Das Gewicht des in das zu filtrierende Medium eingetauchten Moduls bestimmt sich auch nach der Differenz der Dichten des Mediums und der zum Bau des Filtrationsmoduls 1 verwendeten Materialien (z. B. Hohlfasermembranen 3 aus PVDF und Permeatrohr 2 bzw. Stützelemente aus PVC).
Die 7 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls 1. Es zeigt eine schematische Ansicht eines Permeatrohres 2 eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls 1. Es ist Teil einer Filtrationsvorrichtung zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch mit mindestens einem Filtrationsmodul 1 und es weist ein zentrales Permeatrohr 2 zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen auf. Die Hohlfasermembranen sind in 7 nicht dargestellt. Sie sind in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres 2 verteilt um das Permeatrohr 2 angeordnet. Dabei stehen die Innenseiten der Hohlfasermembranen jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres 2, um mittels der Hohlfasermembranen aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr 2 abzuleiten. Die Hohlfasermembranen tauchen in ein zu trennendes Gemisch ein und das Permeat aus dem Innern der Hohlfasermembranen wird in dem Permeatrohr 2 gesammelt und von dort abgeleitet.
Das in 7 veranschaulichte Filtrationsmodul 1 unterscheidet sich von dem Filtrationsmodul 1 der 3 erfindungsgemäß dadurch, dass im Innenraum des Permeatrohres 2 mit dem Durchmesser d₂ ein Verdrängungskörper 6 angeordnet ist, der das im Innenraum des Permeatrohres 2 für Permeat zur Verfügung stehende Volumen reduziert. In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Verdrängungskörper 6 stab- oder zylinderförmig ausgebildet und hat den Durchmesser D. Im Betrieb des Filtrationsmoduls 1 ist der Innenraum des Verdrängungskörpers frei von Flüssigkeit. Der Verdrängungskörper 6 kann prinzipiell jede beliebige Form haben und an beliebiger Stelle in dem Permeatrohr 2 angeordnet sein. Für die Flüssigkeit steht nur noch der Zwischenraum zwischen dem Permeatrohr 2 und dem Verdrängungskörper 6 zur Verfügung. Dementsprechend verkleinert sich das im Innenraum des Permeatrohres 2 für Permeat zur Verfügung stehende Volumen um das von dem Verdrängungskörper 6 verdrängte Flüssigkeitsvolumen, und somit verringert sich die Menge an Reinigungslösung und an Chemikalien, die beim Rückspülen der Filtrationsvorrichtung unter Zugabe von Chemikalien bzw. beim chemischen Reinigen der Hohlfasermembranen benötigt wird.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Volumen des Verdrängungskörpers 6 im Innenraum des Permeatrohres 2 bzw. das von dem Verdrängungskörper 6 im Innenraum des Permeatrohres 2 verdrängte Volumen an Permeat zwischen 5 % und 95 %, bevorzugt zwischen 20 % und 90 % und besonders bevorzugt zwischen 30 % und 85 % des Volumens des Innenraums des Permeatrohres ohne Verdrängungskörper 6 beträgt.
Gemäß anderen vorteilhaften Ausführungsformen wird vorgeschlagen, dass der Verdrängungskörper 6 aus einem Material gefertigt ist, das eine geringere Dichte als das Permeat aufweist. Damit kann die Gewichtskraft der Filtrationsvorrichtung im Medium abgestimmt und angepasst werden. Durch eine geeignete Materialwahl des Verdrängungskörpers 6 im Innern des Permeatrohres 2 kann die Gewichtskraft der Filtrationsvorrichtung in dem zu trennenden Medium abgestimmt bzw. ein leichter Auftrieb erzeugt werden. Damit verringern sich die zum Halten der Filtrationsvorrichtung benötigten Haltekräfte und die Konstruktion vereinfacht sich.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist der Verdrängungskörper 6 ein Hohlkörper mit einem geschlossenen Innenraum. Der geschlossene Hohlkörper kann ein Gas (z. B. Luft) einschließen. In diesem Fall ist die Gewichtskraft der Filtrationsvorrichtung nicht nur von den eingesetzten baulichen Komponenten abhängig, sondern wird auch von dem eingeschlossenen Gas bzw. dessen Auftrieb mitbestimmt. Dadurch können die zum Halten der Filtrationsvorrichtung benötigten Haltekräfte optimiert und kann die Konstruktion vereinfacht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Verdrängungskörper 6 ein Hohlkörper mit einem zu einem Ende des Permeatrohres 2 hin offenen Innenraum ist. In diesem Fall kann beim Transport des Filtrationsmoduls 1 bzw. der Filtrationsvorrichtung ein Stab durch das offene Ende des Permeatrohres 2 in das Permeatrohr 2 eingeführt werden, durch den das Filtrationsmodul 1 bzw. die Filtrationsvorrichtung befestigt und gesichert wird. Der Stab kann beispielsweise auf einer Palette oder dem Boden einer Kiste befestigt sein. Er verhindert ein Verrutschen des Filtrationsmoduls 1 bzw. der Filtrationsvorrichtung und gewährleistet eine sichere Befestigung in der Verpackung. Aufgrund der sternförmigen nach außen gerichteten Anordnung der Hohlfasermembranen muss beim Transport dafür Sorge getragen werden, dass das Filtrationsmodul 1 in der Verpackung nicht verrutscht und die Fasern beschädigt oder abgeknickt werden. Der Transport empfindlicher Filtrationsmodule 1 gestaltet sich durch den eingeführten stabilisierenden Stab erheblich einfacher und sicherer, weil das Verrutschen der Filtrationsmodule 1 und eine damit einhergehende Beschädigung der Hohlfasermembranen beim Transport verhindert wird.
Die 8 zeigt eine Seitenansicht und einen Längsschnitt des Permeatrohres 2 der 7, wobei der Verdrängungskörper 6 ein Hohlkörper mit einem zu einem Ende des Permeatrohres 2 hin offenen Innenraum ist. Das offene Ende des Hohlkörpers weist im Betrieb der Filtrationsvorrichtung vorzugsweise nach unten. Der Boden 5 des Permeatrohres 2 ist an der Stelle, an der der Verdrängungskörper 6 nach unten offen ist, durch eine Öffnung 7 im Boden durchbrochen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Verdrängungskörper 6 transparent ist. Auf diese Weise ist es möglich, das eingebaute Permeatrohr 2 und die Hohlfasermembranen von innen zu inspizieren. Wenn der Boden 5 des Permeatrohres 2 wie im Stand der Technik verschlossen ist (siehe 5 und 6), können das Permeatrohr 2 und die Hohlfasermembranen nicht von innen inspiziert werden. Da es zu einem Biofilmbewuchs auch im Innern des Filtrationsmoduls 1 kommen und dieser die Leistungsfähigkeit des Filtrationsmoduls 1 beeinträchtigen kann, ist eine solche Inspektionsmöglichkeit von Vorteil. Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform kann durch die Öffnung 7 im Boden 5 des Permeatrohres 2 beispielsweise ein Spiegel oder ein Endoskop in den Innenraum des Verdrängungskörpers 6 bzw. des Hohlraumes in dem Verdrängungskörper 6 eingeführt und durch das transparente Material des Verdrängungskörpers 6 inspiziert werden, sogar im Betrieb und ohne das Filtrationsmodul 1 ausbauen zu müssen. Es kann überprüft werden, ob die Hohlfasermembranen verblockt sind oder ob sich Schleim/ Fouling im Inneren der Filtrationseinrichtung abgelagert hat. Diese visuelle Einschätzung hilft, die Reinigungsprozedur zu optimieren und effizient abzustimmen.
Die 9 zeigt eine Seitenansicht und mehrere Querschnitte des Permeatrohres 2 der 8. Dabei sind nur zwei Hohlfasermembranen 3 beispielhaft dargestellt.
Die 10 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls 1 mit einem Führungsstab 8, der vom offenen Ende des Innenraums des Verdrängungskörpers 6 in axialer Richtung des Permeatrohres 2 in den offenen Innenraum des Verdrängungskörpers 6 einschiebbar ist und beim Betrieb des Filtrationsmoduls 1 als Führung und Lagerung für das Filtrationsmodul 1 dient. Ähnlich wie beim Transport des Filtrationsmoduls 1 kann ein solcher Stab 8, der in der Umgebung des Filtrationsmoduls 1 verankert ist, als Führung oder luftgepolstertes Lager dienen. Wenn das Filtrationsmodul 1 rotiert, ist eine Führung am unteren Ende (Boden) des Filtrationsmoduls 1 von Vorteil, um es trotz auf das Filtrationsmodul 1 wirkender Tangential- und Scherkräfte stabil zu halten.
Die 11 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls 1 mit einer Gaszufuhrleitung 9, die im offenen Innenraum des Permeatrohres 2 endet und durch die beim Betrieb des Filtrationsmoduls 1 das Gasvolumen im Innenraum des Verdrängungskörpers 6 einstellbar ist. Durch das Einführen einer Gaszufuhrleitung 9 in das Innere des von unten offenen Hohlkörpers kann das Gasvolumen im Hohlkörper und somit dessen Auftrieb bzw. die Gewichtskraft des Filtrationsmoduls 1 frei eingestellt werden.
Die 12 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filtrationsmoduls 1 mit Distanzstäben 10. Der Verdrängungskörper 6 ist bevorzugt stab- oder zylinderförmig ausgebildet. Die Distanzstäbe 10 am oberen Ende des Permeatrohres 2 dienen zum Zentrieren und Halten des Verdrängungskörpers 6 in dem Permeatrohr 2, damit auch bei einem langen Verdrängungskörper 6 dieser stets zum Permeatrohr 2 zentriert ist. Die Verwendung von Distanzstäben 10 kann insbesondere bei hohen Filtrationsmodulen 1 bzw. langen Permeatrohren 2 vorteilhaft sein.
Bezugszeichenliste

1: Filtrationsmodul
2: Permeatrohr
3: Hohlfasermembran
4: Bohrung
5: Boden
6: Verdrängungskörper
7: Öffnung
8: Führungsstab
9: Gaszufuhrleitung
10: Distanzstab
D: Durchmesser Verdrängungskörper

Claims

Filtrationsvorrichtung zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch mit mindestens einem Filtrationsmodul (1), das ein zentrales Permeatrohr (2) zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen (3) aufweist, die in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres (2) verteilt um das Permeatrohr (2) angeordnet sind, wobei die Innenseiten der Hohlfasermembranen (3) jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres (2) stehen, um mittels der Hohlfasermembranen (3) aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr (2) abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Permeatrohres (2) ein Verdrängungskörper (6) angeordnet ist, der das im Innenraum des Permeatrohres (2) für Permeat zur Verfügung stehende Volumen reduziert.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Verdrängungskörpers (6) im Innenraum des Permeatrohres (2) bzw. das von dem Verdrängungskörper (6) im Innenraum des Permeatrohres (2) verdrängte Volumen an Permeat zwischen 5 % und 95 %, bevorzugt zwischen 20 % und 90 % und besonders bevorzugt zwischen 30 % und 85 % des Volumens des Innenraums des Permeatrohres (2) ohne Verdrängungskörper (6) beträgt.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (6) aus einem Material gefertigt ist, das eine geringere Dichte als das Permeat aufweist.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (6) ein Hohlkörper mit einem geschlossenen Innenraum ist.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (6) ein Hohlkörper mit einem zu einem Ende des Permeatrohres (2) hin offenen Innenraum ist.
Filtrationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Führungsstab (8) aufweist, der vom offenen Ende des Innenraums des Verdrängungskörpers (6) in axialer Richtung des Permeatrohres (2) in den offenen Innenraum des Verdrängungskörpers (6) einschiebbar ist und beim Betrieb des Filtrationsmoduls (1) als Führung und Lagerung für das Filtrationsmodul (1) dient.
Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gaszufuhrleitung (9) aufweist, die im offenen Innenraum des Permeatrohres (2) endet und durch die beim Betrieb des Filtrationsmoduls (1) das Gasvolumen im Innenraum des Verdrängungskörpers (6) einstellbar ist.
Filtrationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (6) transparent ist.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängungskörper (6) stab- oder zylinderförmig ausgebildet ist.
Filtrationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Distanzstäbe (10) zum Zentrieren und Halten des Verdrängungskörpers (6) in dem Permeatrohr (2) aufweist.
Verfahren zum Rückspülen einer Filtrationsvorrichtung, die zum Abtrennen von Permeat aus einem zu trennenden Gemisch dient und mindestens ein Filtrationsmodul (1), das ein zentrales Permeatrohr (2) zum Ableiten des Permeates und eine Mehrzahl von Hohlfasermembranen (3) aufweist, die in Längs- und Umfangsrichtung des Permeatrohres (2) verteilt um das Permeatrohr (2) angeordnet sind, wobei die Innenseiten der Hohlfasermembranen (3) jeweils in Fluidverbindung mit dem Innenraum des Permeatrohres (2) stehen, um mittels der Hohlfasermembranen (3) aus dem zu trennenden Gemisch gefiltertes Permeat in das Permeatrohr (2) abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass beim Rückspülen des Filtrationsmoduls (1) im Innenraum des Permeatrohres (2) ein Verdrängungskörper (6) angeordnet wird, der das im Innenraum des Permeatrohres (2) für Permeat bzw. für Rückspülflüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen reduziert.