DE19703877C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung einer Filtermembran - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung einer FiltermembranInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren
gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung
und eine spezielle Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung.
Unter Biomasse versteht man allgemein
die Gesamtheit aller lebenden, toten und zersetzten Orga
nismen und der von ihnen stammenden Substanz. Der Begriff
der Ultrafiltration bezeichnet dabei die Trenngrenze der
Filtermembran, die im Molekularbereich liegt. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf das beispielhaft erläuterte An
wendungsgebiet beschränkt.
In der biologischen Abwasserreinigung erfolgt die Trennung
von Biomasse und biologisch gereinigtem Abwasser in
der Regel mit einem Verfahren der Sedimentation. Nachteilig
bei diesem Verfahren ist neben dem hohen Platzbedarf
die nicht vollständige Rückhaltung von Biomasse. Dies
wirkt sich häufig leistungsmindernd auf nachgeschaltete
Behandlungsschritte aus. Durch den Einsatz der Ultrafil
tration alternativ zur Sedimentation kann ein vollstän
diger Rückhalt der Biomasse gewährleistet werden. Zudem
kann durch die Kombination von biologischen Verfahren mit
einer Ultrafiltration die volumenspezifische Leistung des
biologischen Verfahrens gesteigert werden.
Der Biomassen- oder Feststoffgehalt eines biologischen
Verfahrens ist ein grobes Maß für die volumenspezifische
Leistung der Biologie. Bei üblichen abwasserbiologischen
Verfahren ist der Biomassengehalt durch die nachgeschal
tete Sedimentation auf ca. 3-4 Gramm pro Liter begrenzt.
Durch den Einsatz der Ultrafiltration sind dagegen we
sentlich höhere Konzentrationen bis hin zu 40 Gramm pro
Liter und mehr realisierbar. Dadurch steigt die volumen
spezifische Leistung des Prozesses, was bei gegebener An
lagenkapazität zu kleineren Bioreaktoren führt. Dabei
wird häufig das sogenannte Cross-Flow-Verfahren ange
wandt, daß in diesem Zusammenhang den Vorteil bietet, daß
die Biomasse direkt in den Reaktor zurückgeführt wird und
somit wieder am biologischen Reinigungsprozeß teilnehmen
kann.
Die am Abbau der Wasserinhaltsstoffe beteiligten aeroben
Bakterien benötigen für ihren Stoffwechsel Sauerstoff.
Dieser wird in gelöster Form aus dem Wasser aufgenommen.
Das bedeutet, daß mit steigendem Biomassengehalt auch der
Sauerstoffeintrag in das Wasser gleichermaßen steigen
muß. Da mit steigendem Feststoffgehalt auch der Energie
bedarf und die Verblockungsneigung der Ultrafiltration
zunehmen, muß hier zwischen Leistungssteigerung des bio
logischen Verfahrens durch Aufkonzentrierung der Biomas
sen einerseits und den damit verbundenen Nachteilen bei
der Ultrafiltration andererseits ein Kompromiß gefunden
werden.
Zusammengefaßt stehen also dem Vorteil einer vollständi
gen Abtrennung und eines geringen Raumbedarfs der Nach
teil eines hohen Energiebedarf zum Antrieb der Filtermem
branen bei hoher Überströmungsgeschwindigkeit einerseits
und eines hohen Verblockungspotentials bei Senkung der
Überströmungsgeschwindigkeit andererseits gegenüber.
Diese gegensätzlichen Forderungen nach geringem Energie
bedarf und verblockungsfreiem Betrieb haben bis heute den
Einsatz der Ultrafiltration im kommunalen Abwasserbereich
weitgehend verhindert.
Nach dem Stand der Technik wird mit organischer Schmutz
fracht belastetes Abwasser in einem Bioreaktor unter
Überdruck gehalten und mikrobiell umgesetzt. Der Über
druck dient dazu, die Konzentration des gelösten Sauer
stoffs zu erhöhen, wodurch die Produktion von Überschuß
schlamm verringert wird. Der Bioreaktor wird mittels ei
nes Luftsprudlers mit Luft versorgt. Die Rohlösung wird
mittels Membranfiltern gefiltert, welche die Biomasse aus
der Rohlösung abtrennen. Dabei stellt sich naturgemäß das
Problem, daß sich auf den Membranfiltern die Filtration
hindernde Deckschichten bilden.
Unter einem Reaktor versteht man allgemein einen Apparat
oder Reaktionsapparat zur Durchführung chemisch-techni
scher Reaktionen. Die Gestaltung der Reaktoren hängt vom
Aggregatzustand der reagierenden Substanzen, von den Re
aktionsbedingungen (beispielsweise Temperatur, Druck, Ka
talysator), vom Verfahrenstyp (kontinuierlich oder dis
kontinuierlich) sowie von Menge und Eigenschaften der be
teiligten Stoffe ab.
Aus dem Dokument DE-OS 37 09 174 ist bekannt, organisch be
lastetes Abwasser in einem Bioreaktor unter Überdruck mi
krobiell umzusetzen und das umgesetzte Abwasser durch
Filtration in einem Membranfilter von dem an der Umset
zung beteiligten biologischen Schlamm abzutrennen. Durch
den völligen Rückhalt der Biomasse geht im Gegensatz zu
gewöhnlichen Absetzbecken keine Biomasse verloren und das
ablaufende Wasser ist somit wesentlich reiner. Hierdurch
kann eine hohe Leistungsdichte bei der Reinigung von mit
biologisch abbaubaren organischen Inhaltsstoffen belaste
ten Abwässern erzielt werden.
Zur Entfernung der Deckschichten auf den Membranfiltern
werden nach dem Stand der Technik folgende Verfahren an
gewendet.
Nach einem ersten bekannten Verfahren wird die Rohlösung
mit dem die Biomasse enthaltenden Belebtschlamm mittels
einer Pumpe aus dem Bioreaktor entnommen, durch die Mem
branfilter hindurchgepumpt und das Konzentrat in den Bio
reaktor zurückgeleitet. In dem Filterkreislauf befinden
sich die Membranfilter, für die es zwei verschiedene Aus
führungsformen für diesen Anwendungsfall gibt.
In einer ersten Ausführungsform wird durch den Betrieb
von Rohrmodulen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit in den
Kanälen eine betriebssichere Abtrennung der Biomasse vom
umgesetzten Abwasser erzielt. Die rohrförmigen Filtermo
dule weisen längs verlaufende Durchströmungskanäle auf.
Die Wand der Durchströmungskanäle ist die Filtermembran,
durch die das Filtrat (Permeat, gereinigtes Wasser) aus
tritt. Zur Vermeidung der Bildung einer Deckschicht auf
der Filtermembran, die zu einer Verstopfung des Membran
filters führen würde, ist es erforderlich, die Rohlösung
mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit von ca. 4-6 Me
ter pro Sekunde durch die Strömungskanäle zu pumpen.
Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit wird die Bildung
einer Deckschicht auf der Oberfläche vermieden oder die
sich bildende Deckschicht ist sehr dünn. Die Strö
mungskanäle haben einen kleinen Durchmesser von ca. 12 mm
und die Gesamtlänge der kaskadierten Filtermodule beträgt
ca. 10-20 m. Aus der hohen Strömungsgeschwindigkeit der
umgewälzten Rohlösung sowie dem hohen Druckverlust in den
Filtermodulen resultiert ein sehr hoher Leistungsbedarf
der zur Aufrechterhaltung der Zirkulation erforderlichen
Pumpe. Zudem ist der Platzbedarf der Anlage relativ hoch.
Der Gehalt an Biomasse beträgt maximal ca. 45 Gramm pro
Liter.
Die zweite Ausführungsform der Membranfilter besteht
darin, daß die einzelnen Filter nicht rohrförmig hinter
einander, sondern plattenförmig nebeneinander angeordnet
sind. Die Flüssigkeit strömt in den Zwischenräumen zwi
schen den Membranplattenfiltern. Dadurch wird die Filter
fläche bei gleichzeitig kleinerer Bauweise vergrößert.
Nachteilig bei dieser Ausführung ist jedoch, daß der
Druckverlust ebenfalls sehr hoch und zudem der Ferti
gungsaufwand groß ist. Da der Druckverlust größer als bei
den rohrförmigen Modulen ist, sind bei dem praktisch be
kanntgewordenen Ausführungsformen die Strömungsgeschwin
digkeiten kleiner, so daß die maximale Konzentration der
Rohlösung an Biomasse kleiner als bei den Rohrmodulen
sein muß, um ein Verstopfen der Filtermembran zu verhin
dern.
Sollte es dennoch zu einem Absinken des Permeatvolumen
stroms durch einen zu starken Deckschichtaufbau kommen,
kann nach einem bekannten Verfahren der Filtrationsprozeß
unterbrochen werden und die Deckschicht mittels che
mischer Reinigungsmittel entfernt werden. Nachteilig
hierbei sind der während der Reinigung auftretende
Betriebsstillstand sowie der kostenaufwendige Verbrauch
von schädlichen Chemikalien.
Aus der DE 44 13 640 C1 ist ferner bekannt, die eingetauchten
Membranfilter aus der Rohlösung herauszuheben und mittels eines
Flüssigkeitsstrahls freizuspülen. Dieses Verfahren ist jedoch nur
bei eingetauchten Membranen anwendbar.
Ein zweites Verfahren ist aus dem Dokument
EP-0 510 328 A2 bekannt. Dabei wird die zu reinigende
Rohlösung in einen offenen Behälter (anstatt einem ge
schlossenen Druckbehälter) eingefüllt und mittels eines
getauchten Membranfilters und einer Abzugspumpe abgezo
gen. In Kläranlagen wird hierzu in das vorhandene Absetz
becken der Membranfilter integriert. Da der Behälter of
fen ist, wird auf der Permeatseite der Filtermembran ein
Unterdruck erzeugt, um das Permeat abzusaugen. Aufgrund
der geringen Druckdifferenz ist der Energieverbrauch der
Pumpe vergleichsweise niedrig. Um die Bildung einer Deck
schicht zu verhindern, bzw. die Oberfläche der Filtermem
bran zu reinigen, werden unter senkrecht angeordneten
Membranplatten Luftblasen eingesprudelt, die sich in der
Rohlösung verteilen und von selbst entlang den Membran
platten an die Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen. Beim
Aufsteigen streifen die Luftblasen an der Oberfläche der
getauchten Filterplatten entlang, wodurch eine Abreini
gung der Deckschicht herbeigeführt werden soll.
Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß die
Reinigungswirkung der mit geringer Geschwindigkeit und
streifend aufsteigende Luftblasen nicht zufriedenstellend
ist, und daß ein großer Anteil der Luftblasen ohne Reini
gungswirkung in den Zwischenräumen nach oben steigt. Es
ist daher ein relativ großer Luftdurchsatz erforderlich.
Ferner ist aufgrund der geringen Druckdifferenz zwischen
der Filtereintrittsseite (Sedimentationsseite, Feed-Seite)
und Filteraustrittsseite (Permeatseite) der pro
Filterfläche erzielbare Flüssigkeitsdurchsatz kleiner als
bei den Verfahren, bei denen die Rohlösung mit einem ho
hen Druckverlust durch Filtermodule gepumpt wird.
Wenn ein Verblocken der Membrananordnungen verhindert
werden soll, so kann dies durch das Aufbringen einer ho
hen Überströmungsgeschwindigkeit erfolgen. Die aus der
hohen Geschwindigkeit resultierende Wandschubspannung
verhindert ein unbegrenztes Anwachsen der Deckschicht.
Durch das aufgeprägte Geschwindigkeitsprofil an der Wand
werden, sobald die Grenzschichtdicke überschritten wird,
theoretisch keine Partikel mehr abgelagert. Der Nachteil
bei dieser Verfahrensweise ist der hohe Energiebedarf zur
Erzeugung der Überströmungsgeschwindigkeit, womit ein
wirtschaftlicher Betrieb in Frage gestellt wird.
Bei den bekannten Verfahren, die eine Integration der
Membranfläche in Absetzbecken vorschlagen, ist die nutz
bare Druckdifferenz begrenzt. Anstatt einen Überdruck auf
der Feed-Seite der Filtermembran zu nutzen, wird in die
sem Fall auf der Rückseite der Membran das Filtrat abge
saugt. Dies äußert sich in einer vergleichsweise geringen
Fluxleistung (l/m²h). Hieraus resultieren dementsprechend
höhere installierte Membranflächen, höhere Investitions
kosten und ein größeres Bauvolumen. Desweiteren kann bei
offenem Becken nicht die bei Überdruck höhere Sauerstoff
löslichkeit zum Tragen kommen, was eine schlechtere Ver
sorgung der Mikroorganismen und damit eine geringere Lei
stungsausbeute und Umsatzrate bedingt.
Es ist bekannt, Filtermembranen durch Anwendung eines Ge
gendruckes von der Permeatseite aus rückzuspülen. Nach
teilig bei der Rückspülung ist, daß damit eine Betriebs
unterbrechung einhergeht. Ferner bildet die Filtermembran
beim Rückspülen einen zusätzlichen Grenzwiderstand, der
die Reinigungswirkung reduziert. Zudem kommt es auch häu
fig zu einer Verfestigung der Deckschicht ohne die ge
wünschte Ablösung, da von beiden Seiten Druck auf die
Deckschicht ausgeübt wird (z. B. 5 bar von der Sedimenta
tionsseite und ein Rückspül-Gegendruck von der Permeat
seite von 8 bar). Durch die beidseitige Einwirkung von
Druck kommt es daher auch zu einer Verdichtung und Verfe
stigung der Deckschicht. Die Deckschicht wird dann nicht
abgereinigt, sondern verdichtet.
Der Erfindung liegt unter Berücksichtigung dieses Standes
der Technik die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren
und Vorrichtungen zur Reinigung von Filtermembranen in
der Weise zu verbessern, daß eine verbesserte Reinigungs
wirkung erzielt wird. Insbesondere soll nach einem weite
ren Aspekt der Erfindung der Energiebedarf der Filter- und
Reinigungsanlage vermindert werden. Desweiteren
soll das Reinigungsverfahren nicht nur bei eingetauchten Membranfiltern, sondern auch bei unter Druck stehenden,
eingebauten Membranen anwendbar sein.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß Patentansprüche.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Als Spülmedium kommen
insbesondere Luft oder ein abgezweigter Teil des Fil
trats/Permeats, das zu einem Teil zurückgeführt wird, in
Betracht. Wenn als Spülmedium eine Flüssigkeit verwendet
wird, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren verein
facht ausgedrückt mit demjenigen eines Hochdruckreinigers
vergleichen, mit dem unter Hochdruck austretendes Wasser
zur Durchführung von Reinigungsmaßnahmen an Bauwerken
verwendet wird, da auch hier lokal eine hohe Reinigungs
wirkung erzielt wird, ohne daß das gesamte Bauwerk auf
einmal mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten von Wasser
umspült wird.
Durch den erfindungsgemäßen Spülvorgang wird es ermög
licht, einen stationären Filtrationsvorgang auf einen ho
hen Permeatflußniveau kostengünstiger, mit höherer Be
triebssicherheit und umweltverträglicher durchzuführen,
als dies mit bekannten Verfahren möglich ist. Insbeson
dere sind das erfindungsgemäße Verfahren und die entspre
chende Vorrichtung für die Filtration von Medien ge
eignet, die einen hohen Trockensubstanzgehalt mit einem
hohen Verblockungspotential aufweisen. Ein besonderer
Vorteil besteht darin, daß eine Cross-Flow-Filtration mit
einer geringen Strömungsgeschwindigkeit durchführbar ist,
wobei die Möglichkeit besteht, eventuelle, die Filtration
behindernden Deckschichten oder gar Verblockungen sicher
zu entfernen, ohne den Filtrationsvorgang unterbrechen
oder schädliche und teure Chemikalien verwenden zu müs
sen.
Die Erfindung weist eine Vielzahl verschiedener Vorteile
gegenüber dem Stand der Technik auf. Von entscheidender
Bedeutung ist hierbei der Gesichtspunkt, daß zur Durch
führung der Filtration bei gleichzeitiger Reinigung der
Filteroberfläche nur ein im Vergleich zum Stand der Tech
nik erheblich verringerter Energieaufwand erforderlich
ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Druckdiffe
renz (der Druckverlust) in dem Kreislauf der umgewälzten
Rohlösung gering sein kann, da es nicht erforderlich ist,
die gesamte Rohlösung mit einer hohen Geschwindigkeit
parallel zu der Oberfläche der Filter zu bewegen, um
durch die Überströmung der Filteroberfläche mit einer ho
hen Geschwindigkeit die Bildung einer Deckschicht zu ver
hindern. Vielmehr wirkt das Spülmedium mit hoher Effi
zienz gezielt lokal auf die Filtermembran ein, so daß nur
für diese kleine lokale Reinigungswirkung ein Energieauf
wand erforderlich ist.
Es ist dabei nicht kritisch, wenn die Filteroberfläche
nur gelegentlich abgereinigt wird, da sich das Aufwachsen
der Deckschicht in langen Zeiträumen vollzieht und eine
gelegentliche Abreinigung der Deckschicht ausreichend
ist.
Die Erfindung führt im Vergleich zu offenen Becken zu ei
ner raumsparenderen Bauweise bei hoher Leistungsausbeute
und zu einer Reduzierung des Energiebedarfs durch eine
niedrige Strömungsgeschwindigkeit an der Filtermembran
und damit auch einem geringen Druckverlust. Ferner kön
nen, im Vergleich zu mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
betriebenen Rohrfiltermodulen, kleinere Pumpen verwendet
werden. Durch die erfindungsgemäße Reinigung kann für
eine Entfernung der sich ausbildenden Deckschicht gesorgt
werden. Hiermit kann sowohl ein konstanter Flux während
des Betriebes erreicht als auch ein Verblocken der Fil
termembranzwischenräume ausgeschlossen werden. Die Kombi
nation von geringer Geschwindigkeit und integrierter Mem
branreinigung bietet einen energetisch günstigen und be
triebssicheren Ablauf des Filtrationsvorganges.
Die Entfernung der Deckschicht
wird durch eine schonende Abreinigung durch gezieltes
Einspritzen eines Spülmediums erzielt. Durch die Wahl von
Abstand zwischen Düse und Membran einerseits und dem ge
wählten Einspritzdruck andererseits kann der jeweiligen
Beschaffenheit der Deckschicht Rechnung getragen werden,
um damit ein sicheres Abreinigen zu gewährleisten. Durch
die geometrische Anordnung der Düsen und eine spezielle
Verfahrvorrichtung kann die gesamte installierte Filter
membranfläche zyklisch überstrichen werden. Desweiteren
kann als Spülmedium eingespritzte Luft oder ein Gas zur
Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen verwendet wer
den. Hiermit werden gleichzeitig die Betriebskosten ge
senkt, da keine Chemikalien verwendet werden, und dar
überhinaus wird die Reinigung während des Filtrations
betriebes durchgeführt. Insbesondere kann ein Teilstrom
einer benötigten Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen
den Spüldüsen zugeführt werden. Somit wird nicht mehr
Sauerstoff verwendet, sondern lediglich gezielt in die
Rohlösung bzw. den Bioreaktor eingebracht.
Je nach den individuellen Verblockungseigenschaften des
Rückstands und dessen Neigung zum Aufbau einer die Fil
tration behindernden Deckschicht kann entweder eine kon
tinuierliche oder eine bedarfsgesteuerte Reinigung der
Filtermembran erfolgen.
In einem Bioreaktor kann, wenn der Sauerstoffbedarf im
Kessel größer als der Sauerstoffeintrag über die Spüldü
sen ist, eine kontinuierliche Reinigung erfolgen, da sie
zur Deckung eines bestehenden Sauerstoffbedarfs beiträgt.
Wenn der Luftbedarf im Kessel kleiner als der Lufteintrag
bei permanentem Betrieb der Spüldüsen ist, kann eine Kon
trolle oder auch eventuell automatische Steuerung durch
den Vergleich des jeweils erzeugten Permeatvolumenstroms
mit Referenzwerten erfolgen. Im Falle eines signifikanten
Absinkens unter einen definierten Grenzwert kann ein be
darfsgesteuerter Reinigungsbetrieb der Spüldüsen in Gang
gesetzt werden. In einer einfacheren Realisierung kann
dieser Vorgang auch manuell ausgelöst werden.
Im konkreten Einzelfall können durch einfache Versuche
Vergleichswerte aufgenommen werden, bei deren Einhaltung
eine sichere Abreinigung der Deckschicht erreicht werden
kann. Ziel der Reinigungszyklen kann ein stationäres Fil
trationsverhalten auf hohem Permeatvolumenstrom sein. Im
bevorzugten Fall der Installierung mehrerer Filtermem
branmodule in einem Kessel kann jedes Modul mit einem Vo
lumenstromdurchflußmesser ausgestattet werden. In diesem
Fall kann individuell der jeweilige Leistungsstand des
einzelnen Moduls berücksichtigt und im Hinblick auf einen
energetisch günstigen Betrieb eine individuelle Reinigung
des jeweiligen Moduls durch das Schalten der zumindest
einen Spüldüse durchgeführt werden.
Nach einem vorteilhaften Merkmal wird daher vorgeschla
gen, daß die mindestens eine Spüldüse zur Reinigung der
Filtermembran im Intervallbetrieb ein- und ausgeschaltet
wird.
Das Bewegen der Spüldüse
kann je nach Anwendungsfall ein-, zwei- oder
dreidimensional entlang der Filtermembran erfolgen. Bei
einer entsprechenden Steuerung der Bewegung der Spüldüse
kann eine Filtermembran mit einer geringen Anzahl von
Spüldüsen, im Grenzfall sogar mit einer einzigen Spüldüse
gereinigt werden.
Bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist, daß nicht durch
schnelles Verfahren einer geringen Anzahl an Spüldüsen
das Reinigungsziel erreicht wird, sondern wenn durch
langsames Verfahren einer größeren Anzahl von Spüldüsen
die Reinigung erfolgt. Es wird empfohlen,
daß die mindestens eine
Spüldüse mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,005 m/s und
5 m/s, bevorzugt zwischen 0,25 m/s und 1,5 m/s relativ zu
der Oberfläche der Filtermembran verfahren wird.
Nach einem anderen vorteilhaften Merkmal kann vorgesehen
sein, daß der Abstand der Spüldüse zu der Filtermembran
variiert wird. Dadurch kann es möglich sein, die Spülwir
kung lokal zu erhöhen oder zu reduzieren, um dadurch die
Spülleistung den Gegebenheiten anzupassen.
Das Verfahren kann nicht nur während des Stillstandes der
Filtration von mittels der Filtermembran zu filtrierender
Rohlösung durchgeführt werden. Nach einem vorteilhaften
Merkmal kann vorgesehen sein, daß während der laufenden
Filtration
durchgeführt wird. Hierdurch ist
ein kontinuierliches Filtrieren bei gleichzeitiger Reini
gung möglich.
Eine vorteilhafte Ausführungsform kann darin bestehen,
daß als Spülmedium ein Gas, insbesondere Druckluft ver
wendet wird.
Nach einem anderen, bevorzugten Merkmal wird vorgeschla
gen, daß als Spülmedium Filtrat verwendet wird. Dieses
Spülmedium kann beispielsweise ein zum Spülen rückgeführ
ter Teilstrom des Filtrats sein. Auch die Verwendung ver
schiedener Spülmedien, beispielsweise von Filtrat und von
Luft gleichzeitig, und zwar sowohl in ein- und derselben
Spüldüse als auch in verschiedenen Spüldüsen, kann
je nach Anwendungsfall vorteilhaft sein.
Zum Erzielen einer ausreichenden Ausströmgeschwindigkeit
und damit einer genügend hohen Auftreffgeschwindigkeit
auf der abzureinigenden Deckschicht ist es vorteilhaft,
je nach Abstand der Spüldüse und Größe der von der
Spüldüse gereinigten Fläche, wenn der Druck des Spülme
diums zwischen 0,5 und 10 bar, bevorzugt zwischen 1 und
5 bar größer als der Druck der zu filtrierenden Rohlösung
ist. Je niedriger der Druck des Spülmediums ist, desto
günstiger ist der Reinigungsbetrieb hinsichtlich seines
Energiebedarfs.
Zwischen dem Austrittsdurchmesser der Spüldüse und dem
Differenzdruck zwischen dem Spülmedium und dem Druck in
der Rohlösung besteht ein direkter Zusammenhang. Daher
kann bei vorgegebener Düse und konstruktiv festgelegtem
Abstand zwischen Spüldüse und Filtermembran durch Varia
tion des Druckes des Spülmediums die Ausströmgeschwindig
keit des Spülmediums aus der Spüldüse beeinflußt werden.
Diese Ausströmgeschwindigkeit beträgt vorteilhafterweise
zwischen 0,5 m/s und 50 m/s, bevorzugt zwischen 1 m/s und
20 m/s.
Die Fläche bzw. Breite der von einer einzelnen Spüldüse
abgereinigten Fläche bestimmt die Anzahl der Spüldüsen,
die zum Abreinigen der Filtermembran notwendig ist. Bei
einer Spülbreite von 200 mm pro Spüldüse und einer Ge
samthöhe von 1 m zu reinigender Filtermembran sind dem
nach mindestens 5 Spüldüsen notwendig. Die Anzahl der
Spüldüsen pro Meter Breite des überstrichenen Membran
streifens der Filtermembran beträgt vorteilhafterweise
zwischen 1 und 500, bevorzugt zwischen 5 und 100. Dabei
kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Einwirkbereiche
benachbarter Spüldüsen, insbesondere senkrecht zur Ver
fahrrichtung der Spüldüsen, geringfügig überschneiden.
Zur sicheren und vollständigen Abreinigung der Filtermem
bran ist ein Überstreichen der gesamten Filtermembranflä
che erforderlich.
Pro Spüldüse kann, insbesondere bei geringem Abstand zwi
schen Spüldüse und Filtermembran, nur ein kleiner Bereich
der Filtermembran abgesprüht werden. Aus diesem Grund
kann es vorteilhaft sein, viele einzelne Spüldüsen, z. B.
in Form eines in geeigneter Weise mit Austrittsöffnungen
versehenen Schlauches oder Rohres, entlang der Filtermem
bran zu verfahren. Der Abstand der Spüldüsen zueinander
kann vorteilhafterweise im wesentlichen zwischen 1 und
400 mm, bevorzugt zwischen 10 und 200 mm betragen.
Damit die Reinigungswirkung des aus der Spüldüse austre
tenden Spülmediums effektiv ausgenutzt wird, ist es vor
teilhaft, wenn der Abstand zwischen der Spüldüse, bezogen
auf die Austrittsöffnung, und der Filtermembran, klein
ist. Der Abstand kann vorteilhafterweise zwischen 1 und
400 mm, bevorzugt zwischen 2 und 200 mm betragen. Dieser
Abstand kann durch einen Verstellmechanismus regulierbar
sein.
In Abhängigkeit von Eigenschaften der Deckschicht, die
z. B. pastös oder spröde sein kann, kann durch die Ein
wirkrichtung des Spülmediums der Reinigungseffekt beein
flußt werden. Die Einflußmöglichkeit ist dadurch gegeben,
daß bei einer Variation des Auftreffwinkels die Auftei
lung der auf die Filtermembran einwirkenden Kraftanteile
in tangential und senkrecht zur Filtermembran wirkende
Kräfte beeinflußt werden kann. Somit besteht die Möglich
keit, die unterschiedliche Beschaffenheit des Spülme
diums, der Filtermembran, der Rohlösung, der daraus abge
filterten Partikel sowie der gebildeten Deckschicht zu
berücksichtigen. Hierzu ist vorteilhafterweise eine Vor
richtung zum Verstellen der Richtung der Spüldüsen vorge
sehen. Der Winkel, unter dem das Spülmedium auf die Deck
schicht aufgesprüht wird, beträgt vorteilhafterweise zwi
schen 0° und 80°, bezogen auf die Normale der Filtermem
bran. Der Strahl der Spüldüsen kann sich gegebenenfalls
überschneiden.
Des weiteren kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß
zum Erreichen des Reinigungsziels die Wirkung von Ultra
schall eingesetzt, also die Deckschicht zusätzlich mit
Ultraschall abgereinigt wird. Hierbei kann die Reini
gungswirkung des Ultraschalls unterstützend zur Reini
gungswirkung der Spüldüsen oder auch des Wischers einge
setzt werden.
Der Ultraschallerreger kann mit den Spüldüsen in
einem Bauteil vereint sein oder auch separat angeordnet
werden. Hinsichtlich der Verfahrmöglichkeit und der räum
lichen Anordnung kann der Ultraschallerreger wie die
Spüldüsen ausgebildet werden. Die Leistung eines einzel
nen Ultraschallerregers kann vorzugsweise zwischen 1 W
und 2 kW betragen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausbildungsmerkmal kann darin
bestehen, daß das Spülmedium mit einem zeitlich schwan
kenden Spüldruck pulsierend auf die Deckschicht aufge
sprüht wird. Durch die zeitlich variierende Spülwirkung
kann gegebenenfalls eine effizientere Lockerung und Ab
reinigung der Deckschicht erfolgen.
Der Anwendungsbereich der Erfindung umfaßt nicht nur Bio
reaktoren, sondern eine Vielzahl weiterer Fälle. So kann
die Erfindung, insbesondere im Bereich der kommunalen Ab
wasserreinigung und der Deponiesickerwasserreinigung ver
wendet werden. Andere vorteilhafte Anwendungsgebiete sind
bei der Reinigung eines Lackierbades oder Elektrotauch
lackierbades, von Abwasser aus einer Tierkörperverwer
tungsanlage, von Gülle, von Abwasser aus der Leder-,
Pelzverarbeitungs- oder Textilindustrie, von Abwasser aus
einer Wasch- oder Reinigungsanlage, von Abwasser aus ei
nem Schlachthof, von Abwasser aus der chemischen oder
pharmazeutischen Industrie, von belastetem Abwasser aus
der Aufbereitung von Altlasten, bei der Brauchwasserauf
bereitung, bei der Reinigung eines stark belasteten Pro
zeßteilstromes in der Industrie, beim Konzentrieren eines
Fruchtsaftes, bei der Klärfiltration von Wein oder dem
Konzentrieren von Wasserlack aus Spritzkabinenwasser ge
geben.
Das folgende Ausführungsbeispiel der Erfindung
läßt weitere vorteilhafte Merkmale und Besonderheiten er
kennen, die anhand der schematischen Darstellung in den
Zeichnungen im folgenden näher beschrieben und erläutert
werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Membrankes
sels mit einer erfindungsgemäßen Reinigungsvor
richtung in einer kommunalen Abwasserreini
gungsanlage,
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den Membrankes
sel gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 einen waagrechten Schnitt durch den Membrankes
sel gemäß Fig. 1.
Die Abwasserbehandlungsanlage gemäß Fig. 1 umfaßt einen
Membrankessel 1 mit integrierter Ultrafiltration, der
eine permanente Membranreinigung mittels einer erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zum pneumatischen Deckschichtab
trag aufweist. Der Membrankessel 1 umfaßt einen zylindri
schen Behälter 11, in dem die Filtermembran 2 ringförmig
angeordnet ist. In dem Membrankessel 1 sind Spüldüsen 3
angeordnet, mit denen Spülmedium auf die Deckschicht der
Filtermembran 2 aufsprühbar ist. Das Aufsprühen des Spül
mediums kann im laufenden Filtrationsbetrieb erfolgen,
und die Spüldüsen 3 sind horizontal und vertikal verfahr
bar. Zum Verfahren der Spüldüsen 3 entlang der Filtermem
bran 2 weist der Membrankessel 1 einen Antrieb 4 auf.
Über die Luftzufuhr 5 wird als Spülmedium Luft zugeführt.
Der Abwasserreinigungsanlage, wird Rohwasser 6, beispiels
weise aus der Denitrifikationsstufe, entnommen und einem
Vorlagetank 7 zugeführt. Die zu filtrierende Rohlösung 8
wird aus dem Vorlagetank 7 dem Membrankessel 1 zugelei
tet. Die Rohlösung kann über die Rückführung 9 in den
Vorlagetank 7 zurückgeleitet werden, beispielsweise zur
Nitrifikation. Das Filtrat wird über den Filtratabzug 10
abgezogen.
Die Deckschichtabreinigung wird bei dem Membrankessel 1,
der ein belüfteter Druckreaktor ist, durch eine doppelte
Ausnutzung des Lufteintrages realisiert. Statt wie üblich
den Lufteintrag willkürlich am Boden des Membrankessels 1
durchzuführen, wird hier die Luft gezielt unter genau de
finiertem Abstand zu der im Membrankessel 1 installierten
Filtermembranfläche 2 mittels der Spüldüsen 3 eingebla
sen. Hierdurch wird gleichzeitig ein permanentes Abreini
gen der Deckschicht und eine Belüftung des Membrankessels
1 erreicht.
Resultierend hieraus können die Überströmungsgeschwindig
keiten an der Filtermembran 2 reduziert werden, so daß
der Energiebedarf entscheidend vermindert wird. Die bei
herkömmlichen Vorrichtungen bei Senkung der Geschwindig
keit auftretenden Verblockungserscheinungen können somit
auch bei hohen Biomassekonzentrationen verhindert werden.
Ein zusätzlicher Energieeintrag erfolgt nur in sehr ge
ringem Maße durch den benötigten Antrieb 4, der die
Spüldüsen 3 an der Filtermembran 2 vorbeiführt. Die Be
lüftung des Membrankessels 1 erfolgt bei aeroben Membran
kesseln 1 prinzipbedingt, so daß keine zusätzlichen Be
lüftungseinrichtungen zum Zweck der Filtermembranreini
gung installiert werden müssen. Zur Vergrößerung der ak
tiven Filtermembranfläche kann es vorteilhaft sein, den
Membranträger 13 beidseitig zu bestücken.
Die Spüldüsen 3 können kreisförmig und/oder senkrecht zur
Kessellängsachse um beispielsweise konzentrisch angeord
nete, ringförmige Filtermembranen 2 bewegt werden. Durch
Variation von Luftdruck, Anzahl der Spüldüsen und der
Häufigkeit, mit der die Spüldüsen 3 über die jeweilige
Filtermembranfläche streichen, kann der Filtrations- und
Reinigungsbetrieb den jeweiligen Erfordernissen entspre
chend, geführt werden. Vorteilhaft ist eine hohe Anzahl
an Spüldüsen bei einer geringen Verfahrgeschwindigkeit
der Spüldüsen. Es sind keine aufwendigen Einrichtungen
zum Beschleunigen der Rohlösung 8 oder der Filtermembra
nen 2 erforderlich, und bei unter Druck stehenden Anlagen
kann der herrschende Kesseldruck zur Erzeugung der An
triebsleistung für die Filtermembranreinigung ausgenutzt
werden.
Die Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch den
Membrankessel 1 der Fig. 1. Er umfaßt einen zylindri
schen Behälter 11 mit einer Behälterachse 12. Der Ein
tritt der Rohlösung 8 entlang der Behälterachse 12 und
der Austritt der Rohlösung 8 zur Rückführung 9 in den
Vorlagetank 7 sind im Unterschied zu Fig. 1 gerade ver
tauscht. Dies stellt keinen prinzipiellen Unterschied
dar, da es bei der dargestellten Cross-Flow-Filtration
lediglich darauf ankommt, daß die Rohlösung 8 mit einer
Überströmgeschwindigkeit entlang der Oberfläche der Fil
termembran 2 geführt wird.
Die Filtermembran 2 ist an einem Membranträger 13 befe
stigt. In einem Abstand zu der Filtermembran 2 sind meh
rere Spüldüsen 3 angeordnet, die an einer entsprechenden
Verfahrvorrichtung 14 befestigt sind. Mittels der Ver
fahrvorrichtung 14, die auch für die Zuführung des Spül
mediums zu den Spüldüsen 3 sorgt, sind die Spüldüsen 3
horizontal und vertikal zum Abreinigen der auf der Fil
termembran 2 gebildeten Deckschicht verfahrbar. Die ab
gereinigte Deckschicht wird über die Rückführung 9 dem
Vorlagetank 7 zugeführt. Das gereinigte Filtrat kann über
den Filtratabzug 10 entnommen werden.
Die Filtermembran 2 ist in den Membrankessel 1 inte
griert. Durch eine konzentrische Anordnung mehrerer Fil
termembranen 2 mit ausreichendem Abstand kann mit einer
zentralen Reinigungsvorrichtung zwischen den einzelnen
fest angeordneten Filtermembranen 2 die Abreinigung der
Deckschicht durchgeführt werden.
Um ein Verblocken des Membrankes
sels 1 zu verhindern, ist es erforderlich, das un
kontrollierte Anwachsen der Deckschicht über eine be
stimmte Schichtdicke hinaus zu verhindern. Die Strömungs
geschwindigkeit der zu filtrierenden Rohlösung 8 durch
den Membrankessel 1 parallel zur Filtermembran 2 beträgt
ca. 1-2 m/s, d. h. es handelt sich um eine Cross-Flow-Fil
tration. Dies ermöglicht die Ausbildung einer nutzbaren
Wandschubspannung und damit ein langsameres Anwachsen der
Deckschicht (des Filterkuchens) als bei der sogenannten
"Dead-End-Filtration".
Wenn als Spülmedium für das Abreinigen der sich bei ge
ringer Überströmgeschwindigkeit ausbildenden Deckschicht
Druckluft verwendet wird, wird Druckluft unter Verwendung
von Spüldüsen 3 in der Nähe der Filtermembran 2 einge
bracht. Der Reinigungseffekt ist durch den Abstand der
Spüldüse 3 zur Filtermembran 2 und durch den Spüldruck
steuerbar. Die Verwendung von Druckluft als Spülmedium
ist insbesondere bei einer Kombination mit biologischen
Reinigungsverfahren vorteilhaft, da hierbei die bereits
prinzipbedingt vorhandene Belüftungseinrichtung verwend
bar ist.
Als Spülmedium kann aber auch eine Flüssigkeit, insbeson
dere Filtrat, verwendet werden. Dies ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn das Einbringen von Luft uner
wünscht oder nicht wirtschaftlich durchführbar ist. Hier
bei kann durch Rückführung eines Teilstromes des Filtrats
eine sowohl kontinuierliche als auch bedarfsorientierte
Membranreinigung durchgeführt und der Filtratfluß auf
konstantem Niveau gehalten werden.
Im Falle einer konzentrischen, zweidimensionalen Bewegung
der Spüldüsen 3 um eine rotationssymmetrisch aufgebaute
Filtermembran 2 wird jeweils von einer einzelnen Spüldüse
3 eine ringförmige Fläche der Filtermembran 2 pro Umlauf
bewegung überstrichen und dabei abgereinigt. Die Breite
der abgereinigten Filtermembranfläche ist bei gewählter
Düsenart abhängig vom Abstand zwischen der Spüldüse 3 und
der Filtermembran 2. Sie liegt vorteilhafterweise zwi
schen 2 und 400 mm, bevorzugt zwischen 10 und 200 mm. Die
Drehzahl der Reinigungsvorrichtung liegt vorteilhafter
weise zwischen 0,2 und 4 Umdrehungen/Minute.
Die Fig. 3 zeigt einen waagerechten Schnitt durch einen
Membrankessel 1 gemäß Fig. 1 in einer abgewandelten Aus
führungsform zum Reinigen einer Rohlösung 8, die bei
spielsweise gereinigtes Abwasser und Biomasse umfaßt. Im
Behälter 11 des Membrankessels 1 ist die Filtermembran 2
auf einem Membranträger 13 angeordnet. Die Rohlösung 8
tritt aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Inneren
des Membrankessels 1 und dem Filtratabzug 10 durch die
Filtermembran 2 (siehe Pfeil 15) durch. Dabei bildet sich
auf der Sedimentationsseite der Filtermembran 2 eine
Deckschicht 16, die auch als Filterkuchen bezeichnet
wird. Wenn die Deckschicht 16 unkontrolliert aufwächst,
würde der Membrankessel 1 verblocken, d. h. der Filtrat
durchtritt 15 würde gehemmt und schließlich ganz unter
bunden werden. Zum Abreinigen der Deckschicht 16 sind da
her Spüldüsen 3 vorgesehen, die entlang der Oberfläche
der Filtermembran 2 verfahrbar sind.
Zum Verfahren der Spüldüsen 3 dient eine Verfahrvorrich
tung 14, die im dargestellten Beispielsfall Rollen 17 um
faßt. Die Spüldüsen 3 können auch auf andere Art und
Weise in einem Abstand zu der Filtermembran 2 geführt
werden. Mittels der dargestellten Verfahrvorrichtung 14
sind die Spüldüsen kreisförmig in der Drehrichtung 18 um
die Behälterachse 12 verfahrbar. Zusätzlich kann vorgese
hen sein, daß die Spüldüsen auch in Richtung der Behäl
terachse 12 verfahrbar sind.
Bezugszeichenliste
1 Membrankessel
2 Filtermembran
3 Spüldüse
4 Antrieb
5 Luftzufuhr
6 Rohwasser
7 Vorlagetank
8 Rohlösung
9 Rückführung
10 Filtratabzug
11 Behälter
12 Behälterachse
13 Membranträger
14 Verfahrvorrichtung
15 Filtratdurchtritt
16 Deckschicht
17 Rollen
18 Drehrichtung
2 Filtermembran
3 Spüldüse
4 Antrieb
5 Luftzufuhr
6 Rohwasser
7 Vorlagetank
8 Rohlösung
9 Rückführung
10 Filtratabzug
11 Behälter
12 Behälterachse
13 Membranträger
14 Verfahrvorrichtung
15 Filtratdurchtritt
16 Deckschicht
17 Rollen
18 Drehrichtung
Claims (16)
1. Verfahren zur Reinigung einer Filtermembran
(2), bei dem eine auf der Sedimentationsseite
der Filtermembran (2) gebildete Deckschicht
(16) durch Aufsprühen eines Spülmedium von der
Sedimentationsseite der Filtermembran (2) lokal
in Richtung auf die Deckschicht (16) mittels
mindestens einer beabstandet zu der
Filtermembran (2) angeordneten Spüldüse (3)
abgereinigt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mindestens eine Spüldüse (3) bewegt
wird, und die gesamte installierte
Filtermembranfläche zyklisch überstreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens eine
Spüldüse (3) zur Reinigung der Filtermembran
(2) im Intervallbetrieb ein- und ausgeschaltet
wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Spüldüse
(3) zu der Filtermembran (2) variiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spülen mit Spülmedium
(3) während der laufenden Filtration
durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Spülmedium Druckluft
verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß als Spülmedium Filtrat (10) ver
wendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Spülmediums
zwischen 0,5 und 10 bar, bevorzugt zwischen 1 und
5 bar größer als der Druck der zu filtrierenden Roh
lösung (8) ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmgeschwindig
keit des Spülmediums aus der Spüldüse (3) zwischen
0,5 m/s und 50 m/s, bevorzugt zwischen 1 m/s und 20
m/s beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Spüldüsen
(3) zu der Filtermembran (2) zwischen 1 und 400 mm,
bevorzugt zwischen 2 und 200 mm beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spülmedium unter ei
nem Winkel zwischen 0° und 80°, bezogen auf die Nor
male der Filtermembran (2), auf die Deckschicht (16)
aufgesprüht wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spülmedium mit einem
zeitlich schwankenden Spüldruck pulsierend auf die
Deckschicht (16) aufgesprüht wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (16) zu
sätzlich mit Ultraschall abgereinigt wird.
13. Vorrichtung zur Reinigung eines Membranfilters
nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend
mindestens eine auf der Sedimentationsseite
beabstandet zu der Filtermembran (2)
anbringbare Spüldüse (3), mittels der das
Spülmedium lokal in Richtung auf die
Deckschicht (16) aufsprühbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens
eine Spüldüse (3) so bewegbar ist, daß die
gesamte installierte Filtermembranfläche
zyklisch überstrichen werden kann.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die mindestens eine
Spüldüse dreidimensional verfahrbar ist.
15. Membranfilter, enthaltend eine Reinigungs
vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14.
16. Verwendung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 12 oder der Vorrichtung nach
einem der Ansprüche 13 bis 15 bei der
Abtrennung von Biomasse aus Bioreaktoren, bei
der Abwasserreinigung und bei der Deponie
sickerwasserreinigung.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997103877 DE19703877C1 (de) | 1997-02-03 | 1997-02-03 | Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung einer Filtermembran |
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Publications (1)
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DE19703877C1 true DE19703877C1 (de) | 1998-02-12 |
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