DE19648519C2 - Verfahren und Anlage zur Stofftrennung mittels Membranfiltration - Google Patents

Verfahren und Anlage zur Stofftrennung mittels Membranfiltration

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Stofftrennung mittels Membranfiltration, insbesondere zur biologischen Abwasserreinigung. Prinzipiell sind das Verfahren und die Anlage aber auch überall dort einsetzbar, wo eine Fest-Flüssig-Trennung bis zur Abtrennung kolloidaler Partikel (> ca. 100 nm) oder auch eine Flüssig-Flüssig-Trennung im Bereich der Emulsionen erreicht werden soll. Die vorliegende Erfindung umfaßt demnach ein Verfahren und eine Anlage zur Stofftrennung mittels Membranfiltration, wobei die zu filtrierenden Stoffe eine Vielzahl von horizontal angeordneten Tubular- oder Kapillarmembranen von unten anströmen, die innerhalb einer Rahmenkonstruktion zu Membraneinheiten zusammengefaßt sind, und wobei die Tubular- oder Kapillarmembranen durch mindestens zwei an den Membranenden angeordneten Platten miteinander verbunden sind und die Filtration infolge transmembraner Druckdifferenz von außen nach innen erfolgt und die Ableitung des Permeats über die Platten vorgenommen wird. Die transmembrane Druckdifferenz wird durch Anlegen von Überdruck auf der Konzentratseite durch die Wassersäule einer Behälterbiologie erzeugt. Die Membraneinheit ist in einem mit der Behälterbiologie verbundenen separaten Behälter oder direkt in der Behälterbiologie angeordnet, wobei die Tubular- oder Kapillarmembran beweglich sind und Druckstabilität in jede mögliche Filterrichtung aufweisen. Der Rahmen der Einheiten wird mit Schwingungen beaufschlagt, die auf die ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Stofftrennung mittels Membranfiltration, insbesondere zur biologischen Abwasserreinigung. Prinzipiell sind das Verfahren und die Anlage aber auch überall dort einsetzbar, wo eine Fest- Flüssig-Trennung bis zur Abtrennung kolloidaler Partikel (< ca. 100 nm) oder auch eine Flüssig-Flüssig-Trennung im Bereich der Emulsionen erreicht werden soll.
Beschreibung
Bei der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung werden zur Abtrennung 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 angewiesen. Oftmals werden Schwebstoffe bzw. kleine, schwer sedimentierende Partikel nicht erfaßt und finden sich im Anlagenablauf wieder, wo sie zur Erhöhung von Ablaufparametern (abfiltrierbare Stoffe, CSB, Phosphor, etc.) führen können. Hinzu kommt ein hoher Platzbedarf zur Errichtungder Anlagen; dies gilt insbesondere bei Erweiterungen bestehender Anlagen in Ballungsgebieten.
Die Flotation führt in der Regel zwar zu höheren Trockenstoffgehalten, ist jedoch nur bei geringen Dichteunterschieden zwischen Partikel und Abwasser 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 Druckverlust rückgespült werden muß.
Insbesondere aufgrund der geforderten Reinigungsleistung gewinnen Membranverfahren immer stärker an Bedeutung. Dabei ist allerdings der Druckverlust über die Membran zu bedenken, so daß bei den in der Abwasserreinigung vorkommenden Volumenströmen nur Mikrofiltrationsverfahren wirtschaftlich betrieben werden können. Die Entwicklung der Module ist mittlerweile soweit gediehen, daß nur noch geringe Druckdifferenzen aufgeprägt werden müssen, um einen ausreichenden Permeatstrom (entspricht dem gereinigten Abwasserstrom) zu gewährleisten. Dies verringert den erforderlichen 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 kommunalen Abwasserbehandlung bei denen Membranverfahren eingesetzt werden bekannt geworden. Das EP 0 510 328 beinhaltet eine Vorrichtung zur Belebtschlammbehandlung, bestehend aus einem Belebtschlammbehälter, 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 Plattenpaketen direkt im Belebungsbecken einer kommunalen Kläranlage ermöglicht. Wenn das Becken von vornherein für den Einsatz von Membranen ausgelegt wurde, kann auch vollständig auf ein Nachklärbecken verzichtet werden. Der Ablauf ist frei von abfiltrierbaren Stoffen sowie Bakterien und den meisten Viren. Nachteilig bei dieser Vorrichtung erweist sich der Zeitaufwand für die Reinigung der Membranen der erforderlich ist um einem Fouling entgegenzuwirken. 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 Beschickung ist keine Möglichkeit gegeben, die Membranen von Ablagerungen zu befreien. Die Plattenpakete sind nur unzureichend druckstabil, um den hohen Belastungen bei einer schlagartigen druckbeaufschlagten Rückspülung standzuhalten. Da die Platten in relativ geringen Abständen parallel zueinander angeordnet sind, nimmt der Druckverlust und damit die aufzuwendende Energiemenge mit steigender Plattenhöhe stark zu. Zur Erzeugung eines Vakuums auf der Saugseite der Membranen muß Energie aufgewendet werden. Aus der DE 27 46 460 ist eine Umlauf-Filtrationsanlage, insbesondere für Ultrafiltration bekannt, bei der die geodätische Höhe als transmembrane Druckdifferenz eingesetzt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin die bekannten Lösungen zur Stofftrennung mittels Membranfiltration zu verbessern und insbesondere die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Ansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen enthalten.
Die vorliegende Erfindung umfaßt demnach ein Verfahren zur Stofftrennung mittels Membranfiltration, bei der die zu filtrierenden Stoffe eine Vielzahl von horizontal angeordneten Tubular- oder Kapillarmembranen von unten anströmen, die innerhalb einer Rahmenkonstruktion zu Membraneinheiten zusammengefaßt sind, wobei die Tubular- oder Kapillarmembranen durch mindestens zwei an den Membranenden angeordneten Platten miteinander verbunden sind und die Filtration infolge transmembraner Druckdifferenz von außen nach innen erfolgt und die Ableitung des Permeats über die Platten vorgenommen wird. Die transmembrane Druckdifferenz wird durch Anlegen von Überdruck auf der Konzentratseite durch die Wassersäule einer Behälterbiologie erzeugt. Die Membraneinheit ist in einem mit der Behälterbiologie verbundenen separaten Behälter oder direkt in der Behälterbiologie angeordnet, wobei die Tubular- oder Kapillarmembranen beweglich sind und Druckstabilität in jede mögliche Filterrichtung aufweisen. Der Rahmen der Einheiten wird mit Schwingungen beaufschlagt, die auf die Filtermembranen übertragen werden.
Die horizontale Anordnung der Membranen und die Anströmung der Membranen von unten durch das zu behandelnde Medium wirkt dem Anlagenfouling entgegen und erreicht eine erhebliche Verringerung bzw. Vermeidung von Ablagerungen auf den Membranen.
Nach einem besonders bevorzugtem Merkmal der Erfindung strömt das zu behandelnde Medium frei bewegliche Filtermembranen an, die durch den Anstrom in Bewegung gehalten werden. 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 Druckstabilität sowohl von innen nach außen als auch von außen nach innen auf. Solche 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 eingesetzten Membranen besitzen einen symmetrischen Aufbau und zeichnen sich durch sehr geringe transmembrane Druckdifferenzen bei hoher Reinigungsleistung und hohen Permeatflüssen aus. Der symmetrische Aufbau erlaubt einen Betrieb in beide Filterrichtungen mit derselben Membran. Abrasionen an der Membran führen aufgrund des symmetrischen Aufbaus nicht zur Zerstörung der aktiven Filterschicht, wodurch die Standzeiten der Membranen entscheidend verlängert werden können. Zur Erzeugung der transmembranen Druckdifferenz wird die Wassersäule einer Behälterbiologie genutzt, wobei die Membraneinheit entweder direkt in der angeordnet ist oder in einem separaten Behälter untergebracht ist, der mit der Behälterbiologie in Verbindung steht. Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird der Rahmen der Einheiten mit Schwingungen (z. B. Exenter, Ultraschall) beaufschlagt, die auf die Filtermembranen übertragen werden. Diese Maßnahme wirkt ebenfalls dem Anlagenfouling entgegen und findet Anwendung bei Medien wo die freie Beweglichkeit der Membranen selbst nicht ausreicht, um die Poren der Membranen frei zu halten. Dadurch werden entweder verlängerte Spülintervalle oder höhere Feststoffgehalte im Behandlungsbecken ermöglicht. Falls mit Schwingungen gearbeitet werden soll, müssen die zu- und abführenden Rohrleitungen als Schlauchleitungen ausgeführt werden, um die Schwingungen nicht auf die Verrohrung zu übertragen.
Die Membranen können bei steigender Druckdifferenz mit Permeat rückgespült 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 Verschlußarmatur geschlossen und die Spülwasserleitung geöffnet. Die Tubularmembranen sind ausreichend druckstabil und müssen nicht mit einer zusätzlichen Stützschicht versehen werden. Die Membranreinigung kann nach einem 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 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 Flüssigkeitsverteiler, die eine Anströmung der Membranen zur Minimierung der Deckschichtbildung 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 Einheit, welche aus einer Vielzahl einzelner Filtermembranen besteht, die als Tubular- oder Kapillarmembranen ausgebildet sind. Die Filtermembranen sind durch mindestens zwei über Einrichtungen zur Ableitung des Permeats verfügende Platten an den Membranenden z. B. mittels Vergußmassen miteinander verbunden, wobei die Länge der Filtermembranen den Abstand der Platten zueinander überschreitet. Innerhalb dieser Rahmenkonstruktion sind die Filtermembranen in horizontaler Anordnung zu einer Einheit zusammengefaßt.
Die Filtermembranen sind beweglich, weisen Druckstabilität in jede mögliche Filterrichtung auf, wobei ihre Länge den Abstand der Platten zueinander überschreitet. Die Membraneinheit ist in einer Behälterbiologie oder in einem gesonderten Behälter der mit der Wassersäule der Behälterbiologie in Verbindung steht so angeordnet, dass die transmembrane Druckdifferenz durch die Wassersäule der Behälterbiologie bewirkt wird, wobei Mittel vorgesehen sind, die den Rahmen der Membraneinheit Schwingungen aufprägen, die auf die Membranen übertragen werden.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Membranen sind diese frei beweglich und werden durch den Strom des zu behandelnden Mediums in Bewegung gehalten. Die Behandlungsintervalle können durch die Beweglichkeit der Membranen verlängert werden, da sich im Medium befindliche Partikel nicht in die Poren der Membranen setzen können bzw. wieder abgelöst werden.
Die Filtermembranen sind vorzugsweise als Tubular- oder Kapillarmembranen 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 Partikel 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 entweder verlängerte Spülintervalle oder einen höheren Feststoffgehalt im Behandlungsbecken. In diesem Fall sind die zu- und abführenden Rohrleitungen als Schlauchleitungen ausgeführt, um die Schwingungen nicht auf die Verrohrung zu übertragen.
Die Membranen können bei ansteigender Druckdifferenz mit Permeat rückgespült werden. Zur Erzielung einer guten Reinigungsleistung innerhalb kurzer Zeit wird ein deutlich höherer Druck als beim Filterbetrieb aufgeprägt. Die Rückspülung erfolgt über die Permeatleitung. Zur Spülung wird die Ablaufleitung über eine Verschlußarmatur geschlossen und die Spülwasserleitung geöffnet. Tubularmembranen sind ausreichend druckstabil und müssen nicht mit einer zusätzlichen Stützschicht versehen werden. Die Membranreinigung 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 Rückspülung über eine Leitung zu gewährleisten.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Membranen zur Verringerung 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 austauschen zu können. Die Einheiten werden dazu mittig in einem Behandlungsbecken angeordnet, wobei der Abstand zwischen Beckenrand und Einheit groß genug sein muß zur Entwicklung einer ausgeprägten Zirkulationsströmung. In den Einheiten strömt das Medium aufwärts und an den Seiten wieder abwärts. Über die gesamte Länge des Beckens werden soviel Einheiten direkt aneinander anschließend eingebaut, daß sie mit den Beckenstirnseiten abschließen. Die Seitenwände der Einheiten grenzen ebenfalls direkt aneinander an und bilden eine durchgehende Wand, so daß das aufströmende Medium nicht zur Seite herausgedrückt werden kann. Bei breiten Behandlungsbecken ist es darüber hinaus möglich, mehrere Einheitenreihen parallel zueinander anzuordnen; zwischen den Reihen erfolgt die Abwärtsbewegung des zu behandelnden Mediums.
Beim Einsatz dieser Anlage direkt in einer aeroben Belebtschlamm-Beckenbiologie 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; Betriebschwankungen und damit verbundene Variationen der Absetzbarkeit der Festsoffe treten nicht auf,
  • - der Feststoffgehalt im Belebungsbecken kann erhöht werden; daraus ergibt sich eine höhere Umsatzrate, das Beckenvolumen kann kleiner gehalten 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 beaufschlagbaren 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 geodätische Höhendifferenz zwischen Füllstand und Oberkante der Membraneinheiten aufgebracht wird. Die Begasung bzw. das Rührwerk müssen entsprechend ausgelegt werden, um die Durchströmung sicherzustellen. Die Permeatleitung muß auf die verlängerte Entnahme umgerüstet werden. Bei dieser 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 verbunden 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 Öffnen 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 Filtermembraneinheit,
Fig. 2 Filtration mit Unterdruck,
Fig. 3 Filtrationsbetrieb,
Fig. 4 Rückspülbetrieb,
Fig. 5 schematischer Aufbau, wobei die Membraneinheit direkt in der Behälterbiologie angeordnet ist,
Fig. 6 schematischer Aufbau einer Behälterbiologie, wobei die Membraneinheit in einem separaten Behälter untergebracht ist,
Fig. 7 schematische Anordnung der Membraneinheit in einem Belebtschlammbecken,
Fig. 8 Filtration mit Überdruck,
Fig. 9 schematische Darstellung der Einordnung der Membraneinheit in einer Anlage zur Flockenseparierung nach erfolgter Fällung/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 Schadstoffkonzentrationen 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 reinigende Abwasser mittels Zulaufpumpe (2) oder im freien Gefälle (3) zugeführt. 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 beschriebene Membraneinheit (3) mittels geeigneter Aufhängungen über den Belüftungseinrichtungen (4) derart installiert, daß eine Airliftströmung (11) durch die horizontal angeordneten Membranen (5) einer Membraneinheit (3) induziert wird (siehe auch Fig. 1). Durch die Airliftströmung und die durch die Membranen (5) hindurchtretenden Luftblasen wird die Deckschichtbildung minimiert. Bei Bedarf kann die Überströmung der Membranen durch Rührorgane (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 Belüftungsorganen (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 mittels Vakuumpumpe (12) erzeugt. Das gereinigte Wasser verläßt den Reaktor (1) über die Permeatleitung (13). Fig. 3 zeigt eine Detailzeichnung des Filtrationsbetriebes. 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 Membranen mit Porenweiten von 0,1-0,5 µm zur Anwendung, so daß der Belebtschlamm (Bakteriengröße ca. 1 µm) zurückgehalten wird und im Reaktor verbleibt. Durch diese sichere Rückhaltung des Belebtschlammes sind Biomassekonzentrationen 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 entsprechende Erhöhung der Raum- Zeit-Ausbeute bzw. entsprechende Volumeneinsparungen. 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 Betriebszustand 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 Deckschicht werden periodisch Membranrückspülungen (siehe Fig. 4) eingeleitet. Dazu wird die Vakuumpumpe (12) abgeschaltet und das Permeatventil (14) geschlossen. 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 Druckstoß wird die Membranoberfläche freigespült. Für die Rückspülung werden je nach Erfordernissen Überdrücke von 1-3 bar eingestellt. Die Rückspülhäufigkeit 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 Membranelemente (3) einzeln entnehmbar.
Die für aerobe biologische Abbauprozesse erforderliche Luft wird dem Reaktor über Belüftungsorgane (4) zugegeben. Die Abluft verläßt den Reaktor über den Abluftstutzen (18).
Der bei der biologischen Abwasserreinigung entstehende Überschußschlamm 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 und die Biomasse (abfiltrierbare Stoffe) werden 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 Anaerobstufe (nicht dargestellt) erreicht werden. Mit zusätzlicher simultaner chemischer Fällung können die jeweils geforderten Phosphat Einleitgrenzwerte sicher eingehalten werden. Das Ammonium wird bei hohen Raum-Zeit-Ausbeuten zu Nitrat oxidiert. Zur biologischen Denitrifikation des Nitrats befindet sich vor dem oben beschriebenen Reaktor (Fig. 2) ein anoxisch betriebener 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
Phospat: < 1 mg/l
Suspensa: 0 mg/l
Die Abbildung Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7 und Fig. 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt einen Reaktor (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 Behälterbiologie verbunden ist. Die Anströmung der Membranen (5) der Membranelemente (3) wird mit dem Umwälzustrom durch ein Flüssigkeitsverteilsystem (8) realisiert, ggf. durch Rührorgane (6) unterstützt. Vorteil dieser 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) getrennt. Nach Entfernung eines Deckels können die Membranelemente entnommen werden (nicht dargestellt). Die Betriebs- und Funktionsweise entspricht ansonsten den obigen Ausführungen.
Fig. 7 zeigt die Anwendung der patentgemäßen Vorrichtung in bestehenden Belebungsanlagen. Die Membraneinheit (3) wird mittels geeigneter Aufhängungen (25) entnehmbar in einem bestehenden Belebungsbecken über den Belüftungsorganen (4) eingeordnet, wobei der Abstand zwischen Beckenrand (10) und der permeatableitenden Endplatte (9) groß genug ist zur Ausbildung einer Schlaufenströmung (11). Diese Anwendung ermöglicht eine Entlastung überlasteter Belebungs- und Nachklärbecken. Durch die Entnahme von gereinigtem Wasser mittels Membraneinheiten (3) aus den Belebungsbecken wird die hydraulische Belastung des Nachklärbecken deutlich reduziert. Durch die sichere Rückhaltung der Biomasse kann die Biomassekonzentration 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 erforderliche 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 Begasung mit Druckhalteventil (26) in der Abluftleitung (27) erzeugt.
Die bisher aufgeführten Anwendungen der patentgemäßen Anlage zur aeroben biologischen Abwasserreinigung können auch für die anaerobe Abwasserreinigung zur Anwendung gebracht werden, indem statt der Belüftungsorgane Rührwerke und/oder Umwälzpumpe mit Flüssigkeisverteilern 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. In der Fig. 9 ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abtrennung von Fällungsprodukten nach erfolgter Fällung/Flockung dargestellt. Die Fig. 10 zeigt eine Anwendung der Vorrichtung zur Emulsionsaufbereitung. In Fig. 11 ist die Anwendung der Vorrichtung zur Abtrennung von Schwebstoffen bei der Trinkwasserreinigung aus Oberflächen- und Grundwässern dargestellt. Fig. 12 zeigt die Anwendung der Vorrichtung zur Verringerung der Keimzahl im Ablauf von Kläranlagen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Stofftrennung, mittels Membranfiltration, bei der die zu filtrierenden Stoffe eine Vielzahl von horizontal angeordneten Tubular- oder Kapillarmembranen von unten anströmen, die innerhalb einer Rahmenkonstruktion zu Membraneinheiten zusammengefaßt sind, wobei die Tubular- oder Kapillarmembranen durch mindestens zwei an den Membranenden angeordneten Platten miteinander verbunden sind und die Filtration infolge transmembraner Druckdifferenz von außen nach innen erfolgt und die Ableitung des Permeats über die Platten vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die transmembrane Druckdifferenz durch Anlegen von Überdruck auf der Konzentratseite durch die Wassersäule einer Behälterbiologie erzeugt wird, wobei die Membraneinheit in einem mit der Behälterbiologie verbundenen separaten Behälter oder direkt in der Behälterbiologie angeordnet ist,
dass die Tubular- oder Kapillarmembranen beweglich sind, Druckstabilität in jede mögliche Filterrichtung aufweisen und
dass der Rahmen der Einheiten mit Schwingungen beaufschlagt wird, die auf die Filtermembranen übertragen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Membranreinigung periodische Rückspülungen durch permeatseitigen Überdruck vorgenommen werden, wobei die Permeatleitung geschlossen und die Spülwasserleitung geöffnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranreinigung einheitenweise erfolgt.
4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmung der Membranen durch Begasen und/oder Rühren und/oder Flüssigkeitsverteiler unterstützt wird.
5. Anlage zur Stofftrennung mittels Membranfiltration, welche mindestens eine Einheit beinhaltet, die eine Vielzahl einzelner Filtermembranen, die als Tubular- oder Kapillarmembranen ausgebildet sind, umfaßt, die durch mindestens zwei über Einrichtungen zur Ableitung des Permeats verfügende Platten an den Membranenden miteinander verbunden sind und die Filtermembranen innerhalb dieser Rahmenkonstruktion in horizontaler Anordnung zu einer Membraneinheit zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermembranen beweglich sind, Druckstabilität in jede mögliche Filterrichtung aufweisen und ihre Länge den Abstand der Platten zueinander überschreitet, dass die Membraneinheit in einer Behälterbiologie oder in einem gesonderten Behälter, der mit der Wassersäule der Behälterbiologie in Verbindung steht, so angeordnet ist, dass die transmembrane Druckdifferenz durch die Wassersäule der Behälterbiologie bewirkt wird, und dass Mittel vorgesehen sind, die den Rahmen der Membraneinheit Schwingungen aufprägen, die auf die Membranen übertragen werden.
6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Verschlußarmatur in der Permeatleitung vorgesehen ist, die eine Rückspülung der Filtermembranen ermöglicht.
7. Anlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den einzelnen Filtermembranen innerhalb der Einheit von unten nach oben abnehmen.
8. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Membraneinheit entnehmbar in einer Behälterbiologie mittels Aufhängungen angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen Beckenrand und Membraneinheit groß genug ist zur Entwicklung einer Zirkulationsströmung.
9. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Membraneinheiten Rührwerke und/oder Begasungseinrichtungen und/oder Flüssigkeitsverteiler angeordnet sind.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tubular- oder Kapillarmembranen einen symmetrischen Aufbau besitzen.
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