DE19730441A1 - Verfahren zum Reinigen von Membranfiltrationseinheiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Membranfiltrationseinheiten, bei denen die Filtrierflüssigkeit, insbesondere zu filtrierendes Wasser, mittels Membranen wie z. B. Hohlfasermembranen, filtriert wird. Dies kann z. B. nach dem sogenannten cross-flow-Ver­ fahren geschehen, wobei die Filtrierflüssigkeit tangential über die eine Fläche der Membran geführt wird und das Filtrat auf der anderen Seite der Membran austritt; die aufkonzentrierte Filtrierflüssigkeit kann im Kreislauf gefahren und entsprechend ergänzt werden.

Im Laufe der Zeit setzen sich auf der Membran und ggf. auch in den Poren abfiltrierte Stoffe ab, es bildet sich auf den Oberfläche eine Schicht, die das Filtriervermögen der Membran in zunehmendem Maße herabsetzt. Um das Filtriervermögen wieder auf ein ausreichendes Niveau anzuheben, muß die Membran in mehr oder weniger großen Abständen gereinigt werden, d. h. die abgesetzten Stoffe müssen entfernt werden.

Das Gleiche trifft auch für die dead-end-Filtration zu, bei der die gesamte Filtrierflüssigkeit durch die Membran gedrückt wird.

Bei der Filtration von Wasser aus Flüssen, Brunnen, Seen und anderen Quellen wird neben anderen Reinigungsverfahren in immer stärkeren Maße die Filtration mit Membranen durchgeführt. Hier sind vor allem die Ultrafiltration mit Porengrößen von etwa 1 Nanometer bis 0,1 Mikrometer und die Mikrofiltration mit Porengrößen von etwa 0,1 bis 10 Mikrometer zu nennen.

Bei den durch die Filtration abgetrennten Stoffe handelt es sich u. a. um Bakterien, Viren und sonstige Mikroorganismen, um Keime, um organische Bestandteile, z. B. eisenhaltige Farbstoffe, Proteine und sonstige Verunreinigungen.

Man hat sich bemüht, die gebildeten Schichten durch periodisches Rückspülen zu entfernen. Dabei wird die Filtration unterbrochen und Permeat oder oder eine sonstige Reinigungsflüssigkeit von der Permeatseite durch die Membran zur Filtrierflüssigkeitsseite gedrückt. Auf diese Weise gelingt es, meistens einen Teil der Verunreinigungen sozusagen mechanisch zu entfernen, d. h. wegzuspülen.

Man hat auch durch tangentiales Spülen auf der Filtrierflüssigkeitsseite versucht, die abgelagerten Schichten zu entfernen.

Bei diesen Methoden wird jedoch nur ein mehr oder minder großer Teil der Verunreinigungen entfernt, so daß einmal in verhältnismäßig kurzen Abständen die Filtration unterbrochen und gespült werden muß und zum anderen häufiger auch eine gründliche Reinigung mit Chemikalien dazwischen geschaltet werden muß.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, diese Verfahren der Reinigung zu verbessern.

So wird in der DE-OS 25 43 297 ein Verfahren zum Säubern von Membranen beschrieben, bei dem die Mediendurchflußkanäle der Membrantrennvorrichtung teilweise mit Wasser, dem ggf. noch eine sogenannte Sanitärlösung zugesetzt wird, gefüllt werden, sodann wird mit einem Gasstrom z. B. Luft bei überatmosphärischem Druck und hoher Geschwindigkeit, daß sich Wassertröpfchen bilden, gespült. Die Flüssigkeittröpfchen üben dabei eine Aufprall- und Schruppbewegung aus und entfernen dabei einen beachtlichen Teil der angesammelten Feststoffe.

In der WO 85/01 449 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem von Hohlfasermembranen, welche durch eine Filtration von außen nach innen verschmutzt worden sind, durch Einführen eines Gases unter Druck in das Lumen der Fasern und explosionsartiges Entspannen des Gases die Verunreinigungen abgetragen werden.

In der DE-A1-44 21 639 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem von der Permeatseite her Gas unter Druck in der Weise eingeleitet wird, daß sich das Gas in der Flüssigkeit löst, jedoch keine Gasblasen in die Filtrierflüssigkeitskammer gelangen.

Es hat sich gezeigt, daß die Verfahren, bei denen Gase die Spülfunktion ganz oder teilweise übernehmen, kompliziert und energieaufwendig sind und die erreichten Verbesserungen im Vergleich mit Verfahren, die nur mit Rückspülung mit Permeat oder Wasser arbeiten, nur gradueller Natur sind. Auch sind stets in nicht zu großen Abständen chemische Reinigungen mit all ihren Nachteilen erforderlich. Es besteht somit noch ein Bedürfnis nach verbesserten Verfahren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das einfach und wirtschaftlich durchzuführen ist, das energiesparend ist, das eine sehr effektive Reinigung der Membranen ermöglicht und das eine chemische Reinigung allenfalls in erheblich größeren Abständen erforderlich macht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Reinigen von Membranfiltrationseinheiten, insbesondere von Wasserfiltrationseinheiten, von während der Filtration abgeschiedenen Stoffen mittels Rückspülung von der Permeatseite aus und/oder tangentialer Spülung auf der Filtrierflüssigkeitsseite, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man vor der Rückspülung bzw. der tangentialen Spülung die Filtrationseinheit ganz oder teilweise entleert, die abgeschiedenen Stoffe mit einem oxidierend wirkendem Gas behandelt und sodann die auf der Oberfläche der Membran und ggf. in den Poren der Membran abgeschiedenen Stoffe durch Rückspülung bzw. tangentiale Spülung entfernt.

Vorzugsweise läßt man das oxidierende Gas bei erhöhter Temperatur einwirken, vorteilhaft bei Temperaturen von 70 bis 160°C, insbesondere bei 70 bis 100°C.

Als oxidierendes Gas ist Luft, insbesondere mit Sauerstoff angereicherte Luft, sehr geeignet. Auch ist Sauerstoff als Gas sehr vorteilhaft.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das oxidierende Gas in Mischung mit Wasserdampf verwendet, insbesondere mit entspanntem Wasserdampf.

Die Behandlung mit dem oxidierenden Gas wird vorteilhaft auf der Seite der Filtrierflüssigkeit durchgeführt. Sie kann aber auch von beiden Seiten der Membran erfolgen. In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Behandlung mit dem oxidierenden Gas bei erhöhtem Druck, insbesondere bei einem Druck von 1 bis 6 bar durchgeführt. Das Verfahren läßt sich vorteilhaft an dead-end-Membranfiltrationseinheiten durchführen, insbesondere Mikrofiltrationseinheiten.

Die Reinigung läßt sich sehr gut im Wechsel mit der Filtration automatisch durchführen.

Die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist an üblichen Membranfiltrationseinheiten möglich; die Membranen können in Form von Flach-, Schlauch- oder Hohlfasermembranen vorliegen; die Membranen können aus üblichen organischen polymeren Substanzen, insbesondere aus synthetischen Polymeren wie Polysulfonen, Polyethersulfonen, sulfonierten Polysulfonen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen und dgl. bestehen. Auch lassen sich entsprechend Membranen aus anorganischen Materialien reinigen. Wenn auch die Reinigung gemäß der Erfindung besonders bei Mikrofiltrations- und Ultrafiltrationseinheiten besonders vorteilhaft ist, so läßt sich das Verfahren ohne weiteres auch auf Dialyse- und umgekehrte Osmoseeinheiten anwenden.

Die Zeit der Einwirkung des oxidierenden Gases auf die abgeschiedenen Stoffe hängt einmal von der Menge der abgeschiedenen Stoffe ab, sodann auch von der Natur derselben. Oft reichen schon wenige Minuten bei Zimmertemperatur aus, um eine vorteilhafte Wirkung zu erzielen. Die optimale Einwirkungszeit kann durch wenige Vorversuche leicht ermittelt werden. Durch eine Erhöhung der Temperatur läßt sich die erforderliche Einwirkungsdauer reduzieren bzw. die vorteilhaften Effekte noch steigern.

Sehr vorteilhaft ist die Mitverwendung von Wasserdampf. Dieser kann z. B. im Gemisch mit dem oxidierenden Gas eingesetzt werden, es ist aber auch möglich, zuerst die Membranen mit Wasserdampf aufzuheizen und sodann das oxidierende Gas einzuleiten. Es kann unter Druck stehender Wasserdampf eingesetzt werden, sehr vorteilhaft ist aber auch der Einsatz von entspanntem Wasserdampf, der z. B. einer Niederdruckleitung entnommen werden kann.

Mit der Reinigung kann bei der Membranfiltration begonnen werden, wenn der Filtratfluß auf Grund von Ablagerungen auf und ggf. innerhalb der Membran beispielsweise auf 50 bis 40% gemindert ist. Sodann wird die Filtration unterbrochen und die Flüssigkeit z. B. rohes Brunnenwasser auf der Filtrierflüssigkeitsseite ganz oder teilweise entfernt, so daß das oxidierende Gas auf die Membranoberflächen auf dieser Seite einwirken kann.

Ggf. kann auch die Permeatseite entsprechend geleert werden. Sodann läßt man auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Membran das oxidierende Gas eine Zeitlang einwirken. Anschließend wird mit Permeat oder einer sonstigen Flüssigkeit gespült bzw. rückgespült. Dabei lassen sich die Verunreinigung praktisch quantitativ wegspülen. Die Filtrationseinheit ist sodann wieder voll einsatzfähig.

Es war besonders überraschend, daß es mittels der Erfindung möglich ist, die Membranen schnell und wirksam und mit einfachsten Mitteln zu reinigen. Die oft sehr schmierigen und auf den Membranen sehr fest haftenden Ablagerungen, die mit einer einfachen Rückspülung kaum oder nur in geringem Maße entfernbar sind, lassen sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht abtragen; die volle Ausgangsleistung wird bereits nach sehr kurzer Behandlungsdauer erreicht. Überraschenderweise ist auch eine chemische Reinigung der Filtrationseinheit mit den üblichen Chemikalien wie Säuren, Laugen und anderen Chemikalien über längere Zeiträume nicht erforderlich, so kann der übliche chemische Reinigungsrhythmus von einer Woche auf vier Wochen vergrößert werden.

Das Verfahren arbeitet sehr energiesparend und kann mit den einfachsten technischen Mitteln durchgeführt werden. Es ist erheblich weniger personalintensiv und kann vollautomatisiert werden.

Die Erfindung wird anhand eines Beispiels und eines Vergleichs näher erläutert:
Durch eine Filtrationsanlage mit 2 Modulen a 10 m wird zunächst Brunnenwasser im Dead-End-Verfahren über einen Zeitraum von 100 Stunden filtriert. Das Wasser wurde ohne Überströmung in die Module gepumpt, über den gesamten Zeitraum wurde eine Filtratleistung von 50 l/m /h konstant gehalten. Die Module waren vorher chemisch gereinigt worden, es wurde kein Konzentrat entnommen. Alle 30 Minuten wurde die Filtration durch eine Standardrückspülung unterbrochen. Im Verlauf der Filtration ergab sich ein Druckanstieg-Differenzdruck von Rohwasserseite zur Filtratseite - von 0,2 bar auf 1,3 bar, was bedeutet, daß die Standardrückspülung nicht alle Stoffe, die sich auf der Membran angesammelt haben, entfernt. Der Druckanstieg wird in Diagramm 1 dargestellt.

Mit der gleichen aber bereits verschmutzten Anlage wurde eine weitere Filtration von Brunnenwasser durchgeführt, jedoch unter Zwischenschaltung von Reinigungen gemäß der Erfindung. Die Druckverhältnisse werden in Diagramm 2 dargestellt. Nach einem schnellen Druckanstieg des Differenzdruckes wurde die Anlage zunächst chemisch gereinigt mit relativ geringem Erfolg. Der Differenzdruck zwischen Rohwasser und Filtrat betrug nach der Reinigung ca. 0,5 bar bei jeweils immer 50 ml/m h. Die anschließende Filtrationskurve zeigt einen relativ schnellen Anstieg. Sodann wurde erfindungsgemäß ohne Chemikalien gereinigt, hier als Spezialreinigung bezeichnet. Die Module wurden konzentratseitig entleert bei geschlossenem Filtratventil. Konzentratseitig wurde während 30 Sekunden Druckluft einwirken gelassen. Das Filtratventil blieb während diese oxidierenden Einwirkung geschlossen. Dann wurde entspannt und von der Filtratseite Filtrat nachgedrückt.

Wie aus dem Diagramm 2 ersichtlich ist, führte diese Behandlung zu einer hervorragenden Reinigungswirkung; außerdem hielt die Reinigungswirkung über einen längeren Zeitraum an. In der Zwischenzeit wurden Standardrückspülungen ohne chemische Reinigung durchgeführt. Ein weitere Spezialreinigung ergab wiederum hervorragende Reinigungseffekte.

Die beiden Beispiele zeigen, daß es mittels der Erfindung möglich ist, effektiv und im Vergleich zur chemischen Reinigung auch noch erheblich kostengünstiger Membranen zu reinigen.

Claims (14)

1. Verfahren zum Reinigen von Membranfiltrationseinheiten, insbesondere von Wasserfiltrationseinheiten, von während der Filtration abgeschiedenen Stoffen mittels Rückspülung von der Permeatseite aus und/oder tangentialer Spülung auf der Filtrierflüssigkeitsseite, dadurch gekennzeichnet, daß man vor der Rückspülung bzw. der tangentialen Spülung die Filtrationseinheit ganz oder teilweise entleert, die abgeschiedenen Stoffe mit einem oxidierend wirkenden Gas behandelt und sodann die auf der Oberfläche der Membran und ggf. in den Poren der Membran abgeschiedenen Stoffe durch Rückspülung bzw. tangentiale Spülung entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das oxidierende Gas bei erhöhter Temperatur einwirken läßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das oxidierende Gas bei Temperaturen von 70 bis 160°C einwirken läßt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als oxidierend wirkendes Gas Luft verwendet.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Sauerstoff angereicherte Luft verwendet.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als oxidierend wirkendes Gas Sauerstoff verwendet.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das oxidierende Gas im Gemisch mit Wasserdampf verwendet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man entspannten Wasserdampf verwendet.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung mit dem oxidierenden Gas auf der Filtrierflüssigkeitsseite durchführt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die Behandlung mit dem oxidierenden Gas auf beiden Seiten der Membran durchführt.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, daß man die Behandlung bei einem Druck von 1 bis 6 bar durchführt.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reinigung an einer dead-end-Membranfiltrationseinheit durchführt.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reinigung an einer Mikrofiltrationseinheit durchführt.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man die Reinigung im Wechsel mit der Filtration automatisch durchführt.