DE19703877C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung einer Filtermembran - Google Patents

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

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.