DE19648519A1

DE19648519A1 - Verfahren und Anlage zur Stofftrennung mittels Membranfiltration

Info

Publication number: DE19648519A1
Application number: DE19648519A
Authority: DE
Inventors: Sven Dr Luebbecke; Goetz Von Wuthenau
Original assignee: Preussag Noell Wassertechnik GmbH
Current assignee: Preussag Wassertechnik 28359 Bremen De GmbH
Priority date: 1996-11-23
Filing date: 1996-11-23
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2016-11-24
Also published as: DE19648519C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Stofftrennung mit tels Membranfiltration, insbesondere zur biologischen Abwasserreinigung. Prinzipiell sind das Verfahren und die Anlage aber auch überall dort ein setzbar, wo eine Fest-Flüssig-Trennung bis zur Abtrennung kolloidaler Partikel (< ca. 100 nm) oder auch eine Flüssig-Flüssig-Trennung im Be reich der Emulsionen erreicht werden soll.

Beschreibung

Bei der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung werden zur Ab trennung abfiltrierbarer Stoffe bzw. Schlämme vom gereinigten Abwasser im wesentlichen drei Verfahren angewendet:

- Schwerkraftentwässerung mittels Sedimantation (Nachklärbecken bzw. Eindicker),
- Flotation,
- konventionelle Oberflächen- und Tiefenfiltration (Sand-, Kies- und Mehrschichtfilter).

Nachklärbecken und Eindicker sind auf leicht sedimentierbare Stoffe ange wiesen. Oftmals werden Schwebstoffe bzw. kleine, schwer sedimentierende Partikel nicht erfaßt und finden sich im Anlagenablauf wieder, wo sie zur Er höhung von Ablaufparametern (abfiltrierbare Stoffe, CSB, Phosphor, etc.) führen können. Hinzu kommt ein hoher Platzbedarf zur Errichtung der Anla gen; dies gilt insbesondere bei Erweiterungen bestehender Anlagen in Bal lungsgebieten.

Die Flotation führt in der Regel zwar zu höheren Trockenstoffgehalten, ist jedoch nur bei geringen Dichteunterschieden zwischen Partikel und Abwas ser anwendbar.

Die konventionelle Filtration ist zwar prinzipiell in der Lage, kleinere Partikel abzuscheiden, kann allerdings bei zu hohen Feststoffgehalten zur schnellen Verstopfung der Aggregate führen. Wenn die Rückspülintervalle zu kurz sind, ist die Wirtschaftlichkeit der Filtration in Frage gestellt. Zudem können keine Feinstpartikel zurückgehalten werden, die aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche nennenswerte Mengen an zu entfernenden Stoffen enthalten können. Die Abtrennung beruht stets auf dem Prinzip, daß sich der Filter belädt und bei einem vorher als noch wirtschaftlich erachtetem Druck verlust rückgespült werden muß.

Insbesondere aufgrund der geforderten Reinigungsleistung gewinnen Mem branverfahren immer stärker an Bedeutung. Dabei ist allerdings der Druck verlust über die Membran zu bedenken, so daß bei den in der Abwasserrei nigung vorkommenden Volumenströmen nur Mikrofiltrationsverfahren wirt schaftlich betrieben werden können. Die Entwicklung der Module ist mittler weile soweit gediehen, daß nur noch geringe Druckdifferenzen aufgeprägt werden müssen, um einen ausreichenden Permeatstrom (entspricht dem gereinigten Abwasserstrom) zu gewährleisten. Dies verringert den erforderli chen Energieeintrag entscheidend. Problematisch bei der Anwendung von Membranverfahren im relativ feststoffreichen Abwasserbereich ist die Gefahr eines schnellen Fouling, d. h. einer Membranverblockung und somit einer frühzeitigen Beendigung des Betriebes. Um dem zu begegnen, werden die Membranen im Kreuzstrom (Crossflow) betrieben, so daß das Aufwachsen von Belägen vermieden oder zumindest stark vermindert werden kann.

Es sind bereits Vorrichtungen zur Belebtschlammbehandlung und zur kom munalen Abwasserbehandlung bei denen Membranverfahren eingesetzt werden bekannt geworden. Das EP 0 510 328 beinhaltet eine Vorrichtung zur Belebtschlammbehandlung, bestehend aus einem Belebtschlammbehäl ter, in dem vertikal angeordnete Membranmodule in definierten Abständen zueinander eingehängt sind und die aufwärts überströmt werden. Mit dieser Vorrichtung wird beispielsweise der Einsatz von Membranen in Plattenpake ten direkt im Belebungsbecken einer kommunalen Kläranlage ermöglicht. Wenn das Becken von vornherein für den Einsatz von Membranen ausge legt wurde, kann auch vollständig auf ein Nachklärbecken verzichtet werden. Der Ablauf ist frei von abfiltrierbaren Stoffen sowie Bakterien und den mei sten Viren. Nachteilig bei dieser Vorrichtung erweist sich der Zeitaufwand für die Reinigung der Membranen der erforderlich ist um einem Fouling entge genzuwirken. Dieser hat eine Anlagenverfügbarkeit von ca 83% zur Folge. Dies erfolgt mittels Permeat-Rücklauf, sowie der auch bei der Beschickung vorhandenen Anströmung der Membran. Der Permeatdruck ist zu gering, um eine schnelle, effektive Spülung zu gewährleisten. Während der Beschic kung ist keine Möglichkeit gegeben, die Membranen von Ablagerungen zu befreien. Die Plattenpakete sind nur unzureichend druckstabil, um den ho hen Belastungen bei einer schlagartigen druckbeaufschlagten Rückspülung standzuhalten. Da die Platten in relativ geringen Abständen parallel zuein ander angeordnet sind, nimmt der Druckverlust und damit die aufzuwenden de Energiemenge mit steigender Plattenhöhe stark zu. Zur Erzeugung eines Vakuums auf der Saugseite der Membranen muß Energie aufgewendet wer den.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin die bekannten Lösungen zur Stoff trennung mittels Membranfiltration zu verbessern und insbesondere die An lagenverfügbarkeit zu erhöhen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Ansprüche 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindungen sind in den zugehörigen Un teransprüchen enthalten.

Die vorliegende Erfindung umfaßt demnach ein Verfahren zur Stofftrennung mittels Membranfiltration, wobei durch Rückhaltung von Stoffen die die Fil termembranen nicht durchdringen können eine Aufkonzentrierung erfolgt. Dabei werden die zu filtrierenden Stoffe einer Anlage zugeführt, in der sie eine Vielzahl von horizontal angeordneten Filtermembranen von unten an strömen, die innerhalb einer Rahmenkonstruktion zu Einheiten zusammen gefaßt sind. Die Filtermembranen sind beweglich und durch mindestens zwei an den Membranenden angeordneten Platten miteinander verbunden sind. Die Filtration erfolgt infolge transmembraner Druckdifferenz von außen nach innen und die Ableitung des Permeats wird über die genannten Platten vorgenommen.

Die horizontale Anordnung der Membranen und die Anströmung der Mem branen von unten durch das zu behandelnde Medium wirkt dem Anlagenfou ling entgegen und erreicht eine erhebliche Verringerung bzw. Vermeidung von Ablagerungen auf den Membranen. Nach einem besonders bevorzug tem Merkmal der Erfindung strömt das zu behandelnde Medium frei bewegli che Filtermembranen an, die durch den Anstrom in Bewegung gehalten wer den. Durch diese Bewegungen können die Spülintervalle vergrößert werden, da die Poren der Membranen nicht von im Medium befindlichen Partikeln zugesetzt werden bzw. wieder abgelöst werden können.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Filtermembranen als Tubular- oder Kapillarmembranen ausgeführt und weisen eine Druckstabili tät sowohl von innen nach außen als auch von außen nach innen auf. Sol che Filtermembranen können problemlos mit hohen Drücken beaufschlagt werden. Die spezifische Membranfläche dieser Membranen ist mehr als doppelt so hoch wie beispielsweise die von Plattenmembranen. Die einge setzten Membranen besitzen einen symmetrischen Aufbau und zeichnen sich durch sehr geringe transmembrane Druckdifferenzen bei hoher Reini gungsleistung und hohen Permeatflüssen aus. Der symmetrische Aufbau erlaubt einen Betrieb in beide Filterrichtungen mit derselben Membran. Ab rasionen an der Membran führen aufgrund des symmetrischen Aufbaus nicht zur Zerstörung der aktiven Filterschicht, wodurch die Standzeiten der Mem branen entscheidend verlängert werden können. Die erforderliche Druckdif ferenz kann nach einem besonderen Merkmal der Erfindung durch Anlegen eines Unterdrucks auf der Permeatseite oder nach einem weitern Merkmal der Erfindung durch Überdruck auf der Seite des zu behandelnden Mediums aufgeprägt werden.

Die transmembrane Druckdifferenz wird durch Anlegen von Überdruck auf der Konzentrat- bzw. Abwasserseite nach einem weiteren Merkmal der Er findung dadurch erzeugt, daß der Behälter welcher die Filtermembraneinheit beinhaltet mit Überdruck beaufschlagt wird, wobei die bei einer biologischen Behandlung entweder die Zulaufpumpe als Druckerhöhungspumpe ausge führt wird (anaerob) oder die Begasung mit Druckhalteventil in der Abluftlei tung zur Erzeugung des Überdrucks genutzt wird (aerob).

Ein besonders bevorzugtes Merkmal der Erfindung beinhaltet, daß die Was sersäule einer Hochbiologie zur Erzeugung der transmembranen Druckdiffe renz genutzt wird, wobei die Membraneinheit entweder direkt in der Behäl terbiologie angeordnet ist oder in einem separaten Behälter untergebracht ist, der mit der Hochbiologie in Verbindung steht.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Rahmen der Einheiten mit Schwingungen (z. B. Exenter, Ultraschall) beaufschlagt, die auf die Fil termembranen übertragen werden. Diese Maßnahme wirkt ebenfalls dem Anlagenfouling entgegen und findet Anwendung bei Medien wo die die freie Beweglichkeit der Membranen selbst nicht ausreicht, um die Poren der Membranen frei zu halten. Dadurch werden entweder verlängerte Spülinter valle oder höhere Feststoffgehalte im Behandlungsbecken ermöglicht. Falls mit Schwingungen gearbeitet werden soll müssen die zu- und abführenden Rohrleitungen als Schlauchleitungen ausgeführt werden, um die Schwin gungen nicht auf die Verrohrung zu übertragen.

Die Membranen können bei steigender Druckdifferenz mit Permeat rückge spült werden. Zur Erzielung einer guten Reinigungsleistung innerhalb kurzer Zeit wird ein deutlich höherer Druck als beim Filterbetrieb aufgeprägt. Die Rückspülung erfolgt nach einem bevorzugten Merkmal der Erfindung über die Permeatleitung. Zur Spülung wird die Ablaufleitung über eine Verschluß armatur geschlossen und die Spülwasserleitung geöffnet. Die Tubularmem branen sind ausreichend druckstabil und müssen nicht mit einer zusätzli chen Stützschicht versehen werden. Die Membranreinigung kann nach ei nem weiteren Merkmal der Erfindung einheitenweise erfolgen, so daß ein ständiger Filterbetrieb über die verbleibenden Einheiten gewährleistet ist. Die horizontal angeordneten Membranen werden wie bereits erwähnt von unten vom zu behandelnden Medium angeströmt. Die Anströmung erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung je nach Betriebsweise entweder durch aufsteigende Luftblasen, die zur Belüftung des Mediums eingesetzt werden (z. B. bei der aeroben Abwasserbehandlung) oder im Fall anderer Trennaufgaben durch entsprechende Rührwerke und/oder Flüssigkeitsvertei ler, die eine Anströmung der Membranen zur Minimierung der Deckschicht bildung auf der Membran bewirken und unterhalb der Membraneinheiten angeordnet sind.

Ein besonders bevorzugtes Merkmal der Erfindung umfaßt eine Anlage zur Stofftrennung, mittels Membranfiltration. Diese beinhaltet mindestens eine aus einer Vielzahl einzelner Filtermembranen bestehende Einheit. Die Fil termembranen sind durch mindestens zwei über Einrichtungen zur Ableitung des Permeats verfügende Platten an den Membranenden z. B. mittels Ver gußmassen miteinander verbunden, wobei die Länge der Filtermembranen den Abstand der Platten zueinander überschreitet. Innerhalb dieser Rah menkonstruktion sind die Filtermembranen in horizontaler Anordnung zu ei ner Einheit zusammengefaßt. Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Membranen sind diese frei beweglich und werden durch den Strom des zu behandelnden Mediums in Bewegung gehalten. Die Behandlungsinterval le können durch die Beweglichkeit der Membranen verlängert werden, da sich im Medium befindliche Partikel nicht in die Poren der Membranen set zen können bzw. wieder abgelöst werden.

Die Filtermembranen sind vorzugsweise als Tubular- oder Kapillarmembra nen ausgeführt, die aufgrund ihrer Geometrie gegenüber beispielsweise Plattenmembranen eine - bei vergleichbarer Anordnung - mehr als doppelt so große spezifische Filterfläche aufweisen. Bei den Membranen handelt es sich z. B. um symmetrische Polypropylen (PP)-Membranen, die sich durch sehr geringe transmembrane Druckdifferenzen bei hoher Reinigungsleistung und hohen Permeatflüssen auszeichnen. Der symmetrische Aufbau erlaubt einen Filterbetrieb in beide Filterrichtungen mit derselben Membran. Sollte die freie Beweglichkeit der Membranen nicht ausreichen um die Poren der Membranen vor Zusetzung durch im Medium befindlicher zu feiner Parti kel zu schützen, sind nach einem weiteren Merkmal der Erfindung Mittel vorgesehen, die den Rahmen der Einheit Schwingungen (z. B. Ultraschall) aufprägen, die auf die Membranen übertragen werden. Dies ermöglicht ent weder verlängerte Spülintervalle oder einen höheren Feststoffgehalt im Be handlungsbecken. In diesem Fall sind die zu- und abführenden Rohrleitun gen als Schlauchleitungen ausgeführt, um die Schwingungen nicht auf die Verrohrung zu übertragen.

Die Membranen können bei ansteigender Druckdifferenz mit Permeat rück gespült werden. Zur Erzielung einer guten Reinigungsleistung innerhalb kur zer Zeit wird ein deutlich höherer Druck als beim Filterbetrieb aufgeprägt. Die Rückspülung erfolgt über die Permeatleitung. Zur Spülung wird die Ab laufleitung über eine Verschlußarmatur geschlossen und die Spülwasserlei tung geöffnet. Tubularmembranen sind ausreichend druckstabil und müssen nicht mit einer zusätzlichen Stützschicht versehen werden. Die Membran reinigung kann einheitenweise erfolgen, so daß ein ständiger Filterbetrieb über die verbleibenden Einheiten gewährleistet ist.

Um eine leichte Montage und Demontage der Einheiten sicherzustellen, sind die Einheiten und Permeatleitungen über Schnellkupplungen miteinander verbunden. Diese Verrohrung wird aus den selben Gründen vorzugsweise mit druckfesten Schlauchleitungen hergestellt. Die Schläuche müssen sowohl über- als auch unterdruckstabil ausgeführt sein, um Filtration und Rückspü lung über eine Leitung zu gewährleisten.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Membranen zur Ver ringerung der Druckverluste von unten nach oben so angeordnet, daß die Abstände zwischen den einzelnen Filtermembranen innerhalb der Einheit von unten nach oben abnehmen.

Eine besondere Ausführung der Erfindung beinhaltet, daß mindestens eine Einheit entnehmbar in einem Behandlungsbecken zur Abwasserreinigung mittels Aufhängungen angeordnet ist. Die Halterungen sind so gestaltet, daß die Einheiten zur Reinigung mit geringem Aufwand entfernt werden können. Die Einheiten sind dabei leicht demontierbar, um einzelne Membranen aus tauschen zu können. Die Einheiten werden dazu mittig in einem Behand lungsbecken angeordnet, wobei der Abstand zwischen Beckenrand und Ein heit groß genug sein muß zur Entwicklung einer ausgeprägten Zirkulations strömung. In den Einheiten strömt das Medium aufwärts und an den Seiten wieder abwärts. Über die gesamte Länge des Beckens werden soviel Einhei ten direkt aneinander anschließend eingebaut, daß sie mit den Beckenstirn seiten abschließen. Die Seitenwände der Einheiten grenzen ebenfalls direkt aneinander an und bilden eine durchgehende Wand, so daß das aufströ mende Medium nicht zur Seite herausgedrückt werden kann. Bei breiten Be handlungsbecken ist es darüber hinaus möglich, mehrere Einheitenreihen parallel zueinander anzuordnen; zwischen den Reihen erfolgt die Abwärts bewegung des zu behandelnden Mediums.

Der Einsatz dieser Anlage direkt in einer aeroben Belebtschlamm-Becken biologie zur Abtrennung des Klarlaufs durch Mikrofiltration ergeben sich nachstehende Vorteile:

- bei einer Teilstrombehandlung in bestehenden Kläranlagen wird das Nachklärbecken hydraulisch entlastet,
- Kläranlagenerweiterungen sind aufgrund der Einsparung neuer Nachklärbecken sehr platzsparend durchführbar,
- abfiltrierbare Stoffe werden vollständig zurückgehalten; Betriebs schwankungen und damit verbundene Variationenin der Absetzbarkeit der Feststoffe treten nicht auf,
- der Feststoffgehalt im Belebungsbecken kann erhöht werden; daraus ergibt sich eine höhere Umsatzrate, das Beckenvolumen kann kleiner gehal ten werden,
- an abfiltrierbaren Stoffen adsorbierte Verunreinigungen werden nicht mehr über den Klarlauf ausgetragen.

Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist es möglich, daß mindestens eine Einheit innerhalb eines mit Überdruck beaufschlagba ren Behälters einer Behälterbiologie zur biologischen Abwasserreinigung angeordnet ist. In diesem Fall wird der Füllstand so hoch gewählt, daß der Überdruck zum Betrieb der Mikrofiltrationsmembran allein durch die geodäti sche Höhendifferenz zwischen Füllstand und Oberkante der Membraneinhei ten aufgebracht wird. Die Begasung bzw. das Rührwerk müssen entspre chend ausgelegt werden, um die Durchströmung sicherzustellen. Die Per meatleitung muß auf die verlängerte Entnahme umgerüstet werden. Bei die ser Variante können die Membraneinheiten nach einem weiteren Merkmal der Erfindung auch in einem gesonderten Behälter installiert werden, der über eine zu- und eine abführende Leitung mit der Behälterbiologie verbun den ist. Die beim Überpumpen erzeugte Strömungsgeschwindigkeit dient der Anströmung der Membranen.

Zusätzlich kann zur weiteren Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit ein Rührwerk unterhalb der Einheiten installiert werden. Zur Revision werden die Verbindungsleitungen verriegelt und die Membraneinheit kann nach Öff nen des Behälters entnommen werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Einheit nicht aus dem hohen Behälter herausgehoben werden muß. Zudem entfällt eine relativ komplizierte Führung der Permeatleitung durch die Behälterwand.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Abbildung zeigen

Fig. 1 schematischer Aufbau und Wirkprinzip einer Filtermem braneinheit,

Fig. 2 Filtration mit Unterdruck,

Fig. 3 Rückspiel betrieb bei Arbeitsweise mit Unterdruck,

Fig. 4 Überdruckbetrieb bei aerober Behandlung,

Fig. 5 Überdruckbetrieb bei anaerober Behandlung,

Fig. 6 schematischer Aufbau einer Hochbiologie, wobei die Mem braneinheit in einem separaten Behälter untergebracht ist,

Fig. 7 schematischer Aufbau einer Hochbiologie, wobei die Mem braneinheit direkt in der Behälterbiologie angeordnet ist,

Fig. 8 schematische Anordnung der Membraneinheit in einem Belebt schlammbecken zur Abwasserfiltration,

Fig. 9 schematische Darstellung der Einordnung der Membraneinheit in einer Anlage zur Flockenseparierung nach erfolgter Fäl lung/Flockung,

Fig. 10 schematische Darstellung der Einordnung der Membraneinheit in einer Anlage zur Separierung von Emulsionen aller Art, die nicht zum Verkleben der Membranen neigen,

Fig. 11 schematische Darstellung der Einordnung der Membraneinheit in einer Anlage zur Abtrennung von Schwebstoffen bei der Trinkwassergewinnung,

Fig. 12 schematische Darstellung der Einordnung der Membraneinheit in einer Anlage zur Verringerung der Keimzahl.

Kommunales Abwasser zeichnet sich durch relativ niedrige Schadstoffkon zentrationen aus:
NH₄-N: 40-60 mg/l
TKN: 50-70 mg/l
CSB: 400-900 mg/l
BSB₅: 200-400 mg/l
Phosphat: 8-15 mg/l
Abfiltrierbare Stoffe: 200-500 mg/l.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Anlage.

Dem Reaktor (1), in dem sich der Belebtschlamm befindet, wird das zu reini gende Abwasser mittels Zulaufpumpe (2) oder im freien Gefälle (3) zuge führt. Der Reaktor (1) kann als offener oder geschlossener Behälter oder als Betonbecken ausgeführt werden. Die Aufstellung kann oberirdisch oder im Boden versenkt erfolgen. Im Reaktor (1) ist die bereits in Fig. 1 beschrie bene Membraneinheit (3) mittels geeigneter Aufhängungen über den Belüf tungseinrichtungen (4) derart installiert, daß eine Airliftströmung durch die horizontal angeordneten Membranen (5) einer Membraneinheit (3) induziert wird (siehe auch Fig. 1). Durch die Airliftströmung und die durch die Mem branen (5) hindurchtretenden Luftblasen wird eine Deckschichtbildung mi nimiert. Bei Bedarf kann die Überströmung der Membranen durch Rührorga ne (6) oder Umwälzpumpe (7) mit Flüssigkeitsverteiler (8) erhöht werden. Die Membraneinheiten (3) werden in der Reihe, d. h. mit den Stirnseiten der permeatabführenden Platten (9) hintereinander, über den Belüftungsorga nen (4) installiert, so daß sich zwischen den permeatabführenden Platten (9) und den Reaktorwänden (10) eine Schlaufenströmung (11) ausbildet. Die zur Abtrennung des gereinigten Wassers von Belebtschlamm notwendige transmembrane Druckdifferenz wird durch permeatseitigen Unterdruck mit tels Vakuumpumpe (12) erzeugt. Das gereinigte Wasser verläßt den Reaktor (1) über die Permeatleitung (13). Fig. 3 zeigt eine Detailzeichnung der Permeatabführung. Angetrieben durch den mittels Vakuumpumpe erzeugten Unterdruck im Inneren der Membranen (5) strömt das gereinigte Wasser von außen durch die membranaktive Schicht in das Innere der Membranrohre oder -kapillare (5) und wird über die Endplatten (9) der Membraneinheit (3) und die Permeatleitung (13) durch das geöffnete Ventil (14) abgeführt. Das Ventil (16) ist während der Filtrationsphase geschlossen. Es kommen Mem branen mit Porenweiten von 0,1-0,5 µm zur Anwendung, so daß der Be lebtschlamm (Bakteriengröße ca. 1 µm) zurückgehalten wird und im Reaktor verbleibt. Durch diese sichere Rückhaltung des Belebtschlammes sind Bio massekonzentrationen von 20-40 g/l im Reaktor einstellbar, die um den Faktor 5-15 höher liegen als bei konventionellen Belebtschlammanlagen mit Nachklärung. Daraus ergibt sich wie oben beschrieben eine entspre chende Erhöhung der Raum-Zeit-Ausbeute bzw. entsprechende Volumen einsparungen. Im weiteren werden auch Keime und Viren zurückgehalten, womit die Einleitung des gereinigten Wassers ohne weitere Desinfektion in Badegewässer möglich ist.

Die das Permeat abführende Vakuumpumpe (12) erzeugt je nach Betriebs zustand der Membranen und geforderten Abflußmengen einen Unterdruck von 0,3-0,5 bar. Die sich bei der Filtration aus zurückgehaltenen Stoffen bildende Deckschicht auf den Membranen (5) wird in ihrer Dicke durch die oben beschriebene Anströmung minimiert, erzeugt jedoch einen ihrer Dicke und Konsistenz entsprechenden Filterwiderstand. Zur Ablösung der Deck schicht periodisch Membranrückspülungen (siehe Fig. 4) eingeleitet. Dazu wird die Vakuumpumpe (12) abgeschaltet und das Permeatventil (14) ge schlossen. Anschließend wird das Rückspülventil (16) geöffnet und mit der Rückspülpumpe (17) Filtrat für wenige Sekunden entgegen der Filterrichtung durch die Membranen gedrückt. Durch den dabei entstehenden Durchstoß wird die Membranoberfläche freigespült. Für die Rückspülung werden je nach Erfordernissen Überdrücke von 1-3 bar eingestellt. Die Rückspülhäu figkeit der Membranelemente (3) richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzfall und der Betriebsweise, wobei jedes einzelne Membranelement (3) separat rückspülbar ist. Für Revisionsfälle und zur Intensivreinigung sind die Mem branelemente (3) einzeln entnehmbar.

Die für aerobe biologische Abbauprozesse erforderliche Luft wird dem Reak tor über Belüftungsorgane (4) zugegeben. Die Abluft verläßt den Reaktor über den Abluftstutzen (18).

Der bei der biologischen Abwasserreinigung entstehende Überschuß schlamm wird in Abhängigkeit der gewünschten Biomassekonzentration im Reaktor über einen Stutzen (19) durch Öffnen des Schlammablaßventils (20) abgezogen.

In dem beschriebenen Reaktor Fig. 2 werden die Abwasserinhaltsstoffe CSB und BSB₅ biologisch oxidiert. Die Suspensa (abfiltrierbare Stoffe) wird vollständig zurückgehalten. Das Phosphat wird zu etwa 40% biologisch, d. h. durch Inkorporation in die entstehende Biomasse, eliminiert. Eine erhöhte biologische Phosphorelimination kann durch Vorschaltung einer Anaerob stufe (nicht dargestellt) erreicht werden. Mit zusätzlicher simultaner chemi scher Fällung können die jeweils geforderten Phosphat Einleitgrenzwerte sicher eingehalten werden. Das Ammonium wird bei hohen Raum-Zeit-Aus beuten zu Nitrat oxidiert. Zur biologischen Denitrifikation des Nitrats be findet sich vor dem oben beschriebenen Reaktor (Fig. 2) ein anoxisch be triebener Bioreaktor (nicht dargestellt) nach dem Prinzip der vorgeschalteten Denitrifikation. Die mit der patentgemäßen Anlage erzielbaren Ablaufwerte sind:
NH₄-N: < 1 mg/l
NO₃-N: 5 mg/l
CSB: 45 mg/l
BSB₅: 10 mg/l
Phosphat: < 1 mg/l
Suspensa: 0 mg/l.

Die Abbildung Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 zeigen weitere Ausfüh rungsbeispiele der patentgemäßen Vorrichtung.

Fig. 5 zeigt einen Biohochreaktor (1) in dem die Membranelemente (3) über den Belüftungsorganen (4) installiert werden. In dieser Anwendung wird die Differenzwassersäule (19) zur Erzeugung der für die Filtration erforderlichen transmembranen Druckdifferenz genutzt. Eine Vakuumpumpe ist hier nicht erforderlich. Der für die Filtration wirksame Überdruck ergibt sich direkt aus der Differenzhöhe von Wasserspiegel Bioreaktor und Permeatablaufrohr (13) (z. B. 10 m ≅ 1 bar). Fig. 6 zeigt eine Variante der Anwendung aus Fig. 5 bei der die Membranelemente (3) in einen separaten Behälter (21) untergebracht sind, der über eine Umwälzleitung (22) mit Umwälzpumpe (7) mit der Hochbiologie verbunden ist. Die Anströmung der Membranen (5) der Membranelemente (3) wird mit dem Umwälzustrom durch ein Flüssigkeits verteilsystem (8) realisiert, ggf. durch Rührorgane (6) unterstützt. Vorteil die ser Variante ist die bessere Zugänglichkeit der Membraneinheiten (3) zur Revision und für Intensivreinigungen der Membrane. Dazu wird der separate Behälter (21) durch die Ventile (23) und (24) von der Hochbiologie (1) ge trennt. Nach Entfernung eines Deckels können die Membranelemente ent nommen werden (nicht dargestellt). Die Betriebs- und Funktionsweise ent spricht ansonsten den obigen Ausführungen.

Fig. 7 zeigt die Anwendung der patentgemäßen Vorrichtung in bestehen den Belebungsanlagen. Die Membraneinheit (3) wird mittels geeigneter Auf hängungen (25) entnehmbar in einem bestehenden Belebungsbecken über den Belüftungsorganen (4) eingeordnet, wobei der Abstand zwischen Bec kenrand (28) und der permeatableitenden Endplatte (9) groß genug ist zur Ausbildung einer Schlaufenströmung (11). Diese Anwendung ermöglicht ei ne Entlastung überlasteter Belebungs- und Nachklärbecken. Durch die Ent nahme von gereinigtem Wasser mittels Membraneinheiten (3) aus den Bele bungsbecken wird die hydraulische Belastung des Nachklärbecken deutlich reduziert. Durch die sichere Rückhaltung der Biomasse kann die Biomasse konzentration im Belebungsbecken erhöht werden, womit eine deutliche Leistungssteigerung der Belebungsanlage erreicht wird.

Fig. 8 zeigt eine Variante der Anwendung aus Fig. 2 bei der die erforder liche transmembrane Druckdifferenz nicht durch eine Vakuumpumpe erzeugt wird, sondern durch Anlegen von Überdruck auf der Konzentratseite erzeugt wird. Der Überdruck wird bei aerobem Betrieb der Anlage durch die Bega sung mit Druckhalteventil (26) in der Abluftleitung (27) erzeugt.

Die bisher aufgeführten Anwendungen der patentgemäßen Anlage zur aero ben biologischen Abwasserreinigung können auch für die anaerobe Abwas serreinigung zur Anwendung gebracht werden, indem statt der Belüftungs organe Rührwerke und/oder Umwälzpumpe mit Flüssigkeitsverteilern zur Anströmung der Membranen eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Rezirkulation von Faulgas und Einbringen über Gasverteiler unterhalb der Membraneinheiten (3) (nicht dargestellt).

Die Abbildungen Fig. 9, 10, 11, 12 zeigen nichtbiologische Anwendungen der patentgemäßen Vorrichtung für unterschiedliche Stofftrennaufgaben.

Claims

1. Verfahren zur Stofftrennung, mittels Membranfiltration, wobei durch Rückhaltung von Stoffen die die Filtermembranen nicht durchdringen können eine Aufkonzentrierung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß

- die zu filtrierenden Stoffe einer Anlage zugeführt werden, in der sie eine Vielzahl von horizontal angeordneten Filtermembranen von unten an strömen, die innerhalb einer Rahmenkonstruktion zu Einheiten zu sammengefaßt sind,
- die Filtermembranen beweglich und durch mindestens zwei an den Membranenden angeordneten Platten miteinander verbunden sind,
- die Filtration infolge transmembraner Druckdifferenz von außen nach innen erfolgt,
- die Ableitung des Permeats über die Platten vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembranen einen symmetrischen Aufbau besitzen, Druck stabilität in jede mögliche Filterrichtung aufweisen und als Tubular- oder Kapillarmembranen ausgeführt sind

3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen der Einheiten mit Schwingungen beaufschlagt wird, die auf die Filtermembranen übertragen werden.

4. Verfahren nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Filtration von außen nach innen erfolgt und die dazu erforderliche transmembrane Druckdifferenz durch Anlegen von Unterdruck auf der Permeatseite erzeugt wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die transmembrane Druckdifferenz durch Anlegen von Überdruck auf der Konzentratseite erzeugt wird, wobei ein die Filtereinheit beinhal tender Behälter mit Überdruck beaufschlagt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassersäule einer Hochbiologie zur Erzeugung der transmembra ne Druckdifferenz eingesetzt wird, wobei die Membraneinheit in einem mit der Hochbiologie verbundenen separaten Behälter oder direkt in der Behälterbiologie angeordnet ist.

7. Verfahren nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Membranreinigung periodische Rückspülungen durch permeatseiti gen Überdruck vorgenommen werden, wobei die Permeatleitung über eine Verschlußarmatur geschlossen und die Spülwasserleitung geöff net wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranreinigung einheitenweise erfolgt.

9. Verfahren nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Anströmung der Membranen durch Begasen und/oder Rühren und/oder Flüssigkeitsverteiler unterstützt wird.

10. Anlage zur Stofftrennung, mittels Membranfiltration, welche mindestens eine Einheit beinhaltet, die eine Vielzahl einzelner Filtermembranen umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembranen durch mindestens zwei über Einrichtungen zur Ableitung des Permeats verfügende Platten an den Membranenden miteinander verbunden sind, wobei die Länge der Filtermembranen den Abstand der Platten zueinander überschreitet und die Filtermembranen innerhalb dieser Rahmenkonstruktion in horizontaler Anordnung zu ei ner Einheit zusammengefaßt sind.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembranen als Tubular- oder Kapillarmembranen ausgeführt sind und Druckstabilität in jede mögliche Filterrichtung aufweisen.

12. Anlage nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Rahmen der Einheit Schwingungen aufprägen, die auf die Membranen übertragen werden.

13. Anlage nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Verschlußarmatur vorgesehen ist, die eine Rückspü lung der Filtermembranen über die Permeatleitung ermöglicht.

14. Anlage nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Abstände zwischen den einzelnen Filtermembranen innerhalb der Einheit von unten nach oben abnehmen.

15. Anlage nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens eine Einheit entnehmbar in einem Behandlungsbecken zur Abwasserreinigung mittels Aufhängungen angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen Beckenrand und Einheit groß genug ist zur Entwick lung einer Zirkulationsströmung.

16. Anlage nach mindestens einem der obigen Ansprüche dadurch ge kennzeichnet, daß mindestens eine Einheit innerhalb eines mit Überdruck beaufschlagba ren Behälters einer Behälterbiologie zur biologischen Abwasserreini gung angeordnet ist.

17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem anaeroben Betrieb der Anlage die Zulaufpumpe als Drucker höhungspumpe ausgeführt ist.

18. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aeroben Betrieb der Anlage die Begasung mit Druckhalte ventil in der Abluftleitung zur Erzeugung des Überdrucks genutzt wird.

19. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassersäule einer Hochbiologie, in der mindestens eine Einheit angeordnet ist, den Überdruck bewirkt.

20. Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit in einem gesonderten Behälter angeordnet ist, der mit der Wassersäule einer Hochbiologie in Verbindung steht.

21. Anlage nach mindestens einem der obigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß unterhalb der Einheiten Rührwerke und/oder Begasungseinrichtungen und/oder Flüssigkeitsverteiler angeordnet sind.