DE4312130C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Spülung von Rohrmembranen für Flüssigkeits-Aufbereitungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist hierbei bekannt, Flüssigkeits-Aufbereitungs­ anlagen so auszubilden, daß ein Abwasserstrom in eine Rohrmembrane eingeleitet wird, die koaxial in einem Stützrohr eingebracht ist, wobei das Stützrohr seiner­ seits wiederum koaxial in einem Mantelrohr einge­ bracht ist. Durch den Innenraum der Rohrmembrane fließt das zu reinigende Abwasser, welches durch die Rohrmembrane hindurchtritt und in den Innenraum des Stütz­ rohres eintritt. Bedingt durch den Durchtritt des Schmutzwasser durch die Poren der Membran und den durch den damit entstehenden osmotischen Druck werden bestimmte Abwasserpartikel wie z. B. Ölmoleküle und dgl. zurückgehalten und lagern sich an der Oberfläche der Membran ab.

Die wirksame Oberfläche der Membran wird auch als Aktivschicht bezeichnet.

Die Membran besteht im wesentlichen aus einer Stütz­ schicht und einer radial innenliegenden Aktivschicht.

Radial einwärts von der Membranoberfläche gesehen bildet sich somit eine Grenzschicht und im Bereich dieser Grenzschicht erfolgen die eingangs erwähnten Abscheidungsvorgänge, wobei gleichzeitig Ablagerungen stattfinden.

Am Außenumfang des Stützrohres bildet sich dann das Reinwasser, welches im Ringraum zwischen dem Außen­ umfang des Stützrohres und dem Innenumfang eines das Stützrohr umgebende Mantelrohres sich sammelt und nach außen abgeleitet wird.

Am gegenüberliegenden Ende der Anordnung verläßt das Retentat (das hochkonzentriert verschmutzte Abwasser), die Anordnung.

Eine derartige Aufbereitungsanlage ist nicht nur zur Reinigung von Abwässern geeignet, sondern darüber­ hinaus auch noch allgemein zur Reinigung von Wässern in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie und in der chemischen Verfahrenstechnik.

Es hat sich nun gezeigt, daß mit zunehmender Be­ triebsdauer dieser Rohrfiltrationsanlage es zu einer Ansammlung von Verschmutzungen am Innenumfang der Rohrmembran im Bereich der vorher erwähnten Grenz­ schicht kommt. Dieses Phänomen wird als Fooling- oder Scalling-Effekt bezeichnet und meint, daß sich unter bestimmten Bedingungen Schmutzpartikel am Innenumfang der Rohrmembrane ablagern und nur schwierig wieder zu beseitigen sind.

Bisher war es lediglich bekannt, diese Schmutzpartikel durch mechanischen Angriff an der Oberfläche der Mem­ bran zu entfernen. Hierzu mußte die gesamte Rohrfil­ trationsanlage auseinandergebaut werden, wobei das Stützrohr mit der darin befestigten Rohrmembran aus dem Mantelrohr ausgebaut werden mußte und dann eine ent­ sprechende Reinigung mit einer Rundbürste erfolgen mußte.

Ebenso war es bekannt, bei ausgebautem Stützrohr hochkonzentrierte Reinigungslösungen zur verwenden, um diese Schmutzpartikel zu entfernen.

Bei der mechanischen Reinigung der Rohrmembran be­ stand die Gefahr, daß diese unbeabsichtigt beschä­ digt wurde, was zu einem teuren Austausch der ge­ samten Rohrmembrane führte. Bei der Verwendung von hochkonzentrierten Reinigungslösungen bestand die Gefahr der Versprödung der Rohrmembran oder uner­ wünschte chemische Veränderungen an der Oberfläche der Rohrmembran.

Es ist ferner bekannt, bei eingebauter Rohrmembran, d. h. bei nicht zerlegter Vorrichtung, die Rohrmembran dadurch zu reinigen, daß eine sogenannte Rückspülung stattfindet, d. h. an der Stelle wo das Retentat die Vorrichtung verläßt, wird in entgegengesetzter Rich­ tung (im Gegenstrom) eine Tensidlösung eingeführt, mit dem Zweck, daß die an der Rohrmembran anhaftende Schmutz­ partikel entfernt werden.

Bei diesem bekannten Rückspülungsverfahren bestand der Nachteil, daß die Rohrmembran sich radial aus­ wärts gerichtet verformte, wodurch die Membran in sich zusammenfiel und sich von ihrem Verband vom Stützkörper löste.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß in einfacher und betriebs­ sicherer Weise eine Entfernung von auf der Rohrmem­ bran anhaftenden Schmutzpartikeln gegeben ist, ohne daß die Gefahr der Beschädigung der Rohrmembrane be­ steht.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch das im Anspruch 1 vorgeschlagene Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Vorrichtung nach dem Anspruch 2.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß nun er­ findungsgemäß im Gleichstrom eine hydrodynamische Spülung der Rohrmembran dadurch stattfindet, daß eine Tensidlösung statt des Abwassers in die Rohrmembran eingeführt wird, wobei der Volumenstrom der Tensidlö­ sung derart geregelt wird, daß sich an der inneren Oberfläche der Rohrmembran periodisch eine laminare Strömung und eine turbulente Strömung einstellt.

Es erfolgt also eine impulsweise Einbringung der Tensidlösung im Gleichstrom (d. h. also in der Rich­ tung des Abwasserflusses), wobei abwechselnd der Vo­ lumenstrom so gewählt wird, daß in gewissen Zeitabständen eine Umwandlung einer laminaren Strömung in eine tur­ bulente Strömung und zurück erfolgt.

Hierbei wird z. B. 3 Minuten lang mit einer laminaren Strömung gespült, wodurch die Schmutzpartikel durch die Tensidlösung angelöst werden. Danach wird durch kurz­ fristigen Anstieg innerhalb von 20 Sekunden auf turbu­ lente Strömung umgesteuert und mit dieser ca. 1-2 Minuten gleichbleibend im Gleichstrom gespült. Im Anschluß daran wird wiederum kurzfristig innerhalb von 20-30 Sekunden auf die laminare Strömung zurückgefahren. Dieser Spül­ vorgang wird laufend wiederholt, wobei die Gesamtspülzeit mit dem oben genannten Verfahren etwa 3-4 Stunden beträgt.

Damit wird nun erstmals der Vorteil erreicht, daß eine hydrodynamische Spülung stattfindet, nämlich die Variation des Feed-Volumenstromes wird in der beschrie­ benen Weise vorgenommen, wodurch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten entstehen und hierbei die Schmutzpartikeldeckschichten nach und nach abgelöst werden. Gleichzeitig wird hierbei in der beschriebenen Weise die Abtragungsgeschwindigkeit gesteigert.

Durch den Übergang von der laminaren Strömung in die turbulente Strömung und wieder zurück in eine laminare Strömung werden Impulse erzeugt, die aber nur durch diese Übergänge von laminarer Strömung in turbulente Strömung und zurück erzeugt werden, wobei der Volumenstrom selbst keine impulsweise Förderung erfährt.

Der Kern der Erfindung liegt also in der abwechselnden Erzeugung von laminaren und turbulenten Strömungsver­ hältnissen der Tensidlösungsströmung im Gleichstrom, d. h. in Strömungsrichtung des Feed-Volumenstromes während des Spülvorganges in der Rohrmembran.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer Pumpe, welche von der Tensidlösung durchströmt wird, welche Pumpe mittels eines Frequenzwandlers impulsweise angesteuert wird, wobei der Frequenzwandler einmal einen Impulsstrom der Pumpe von 15 Hertz erzeugt und im zweiten Verfahrensschritt von 50 Hertz.

Es wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im wesentlichen eine Pumpe mit Volumenregelung verwendet, wobei der Frequenzwandlers die Pumpe so ansteuert, daß die Pumpe relativ langsam läuft z. B. 15 Hertz und damit die erwähnte laminare Strömung erzeugt wird, während in dem anderen Fall der Frequenzumrichter auf eine höhere Frequenz geregelt wird, z. B. auf 50 Hertz und die Pumpe dann wesentlich schneller läuft, einen höheren Volumenstrom fördert und damit die erwähnte turbulente Strömung an der Oberfläche der Rohrmembran auslöst.

Nach einem weiteren wesentlichen Merkmal der vor­ liegenden Erfindung werden die Reinigungsintervalle vollautomatisch ausgelöst, wobei es hierbei wesent­ lich ist, daß mit einer bestimmten Meßanordnung der Verschmutzungsgrad der Rohrmembran erfaßt wird.

Geht der Durchflußstrom des Permeates unter einen be­ stimmten Volumenwert zurück, dann wird dies über entsprechende READ-Kontakte, die an einem Durchfluß­ messer angeordnet sind, erfaßt und über diese Kontakte wird dann der vorher erwähnte Reinigungs­ vorgang eingeleitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisiert ein Bild der Filtrationsvor­ richtung;

Fig. 2 die schematisierte Darstellung von angelagerten Schmutzpartikeln;

Fig. 3 schematisiert die Darstellung eines Reinigungs­ vorganges;

Fig. 4 die Geschwindigkeitsverläufe der Tensid­ strömung im Innern der Rohrmembrane;

Fig. 5a eine Ausführungsform der Flüssigkeits-Aufbe­ reitungsanlage in Vorderansicht;

Fig. 5b eine Seitenansicht der Flüssigkeits-Aufbe­ reitungsanlage nach Fig. 5a.

In Fig. 1 ist ein Ultrafiltrationsmodul dargestellt, wo in einem Mantelrohr 1 koaxial ein Stützrohr 2 ein­ gebracht ist, welches in seiner Mantelfläche Bohrungen aufweist, die von dem Permeat 6 durchflossen sind.

Koaxial in das Stützrohr 2 ist eine Rohrmembrane 3 eingebracht, welche von dem zu reinigenden Abwasser 4 durchflossen wird.

An der gegenüberliegenden Seite wird das verschmutzte hochkonzentrierte Abwasser in Form des Retentats 5 aus der Anlage abgeleitet.

Gemäß Fig. 2 lagern sich auf der Oberfläche der Rohr­ membran 3 Schmutzpartikel 10 ab, die mit dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren und der dazugehörenden Vor­ richtung entfernt werden sollen.

Hierbei wird in allgemeiner Form statt des Abwassers 4 eine Tensidlösung 9 in die Rohrmembran 3 eingeführt, wobei die Tensidlösung den Schmutz unterwandern soll und ihn dadurch von der Membran ablöst.

Gemäß Fig. 3 bilden sich ab einer bestimmten Konzen­ tration der Tensidlösung 9 Zellen 11, die nicht mehr zu einer weiteren Steigerung der Reinigungs­ wirkung beitragen.

Aus diesen Zellen heraus kann nur der bei der Reinigung verbrauchte Tensidanteil ersetzt werden.

In Fig. 4 ist die Oberfläche der Rohrmembran 3 darge­ stellt mit den zwei möglichen Verläufen der Strömungs­ geschwindigkeiten. In der linken Abbildung ist eine laminare Strömung 12 und in der rechten Abbildung eine turbulente Strömung 13 gezeigt ist.

Die laminare Strömung stellt sich bei einer Reynolds­ zahl von etwa kleiner als 2300 ein, während eine tur­ bulente Strömung der Tensidlösung 9′ bei einer größeren Reynoldszahlen entsteht.

Beim Übergang von der laminaren Strömung in die turbulente Strömung fließt die Tensidlösung 9 nicht mehr laminar, sondern bildet Turbulenzen (Fig. 4, rechte Seite) was zu einer verstärkten Einwirkung auf die Schmutzpartikel 10 führt und diese dadurch wirkungsvoller abgelöst werden.

In den Fig. 5a und 5b sind schematisierte Bilder der Vorrichtung dargestellt, wo erkennbar ist, daß mehrere Mantelrohre 1, die insgesamt als Rohrmodule bezeich­ net werden können, weil sie die Stützrohre 2 und die Rohrmembrane 3 jeweils enthalten, hintereinanderge­ schaltet sind, wobei über eine gemeinsame Sammel­ leitung (16) das Permeat 6 abgeleitet wird und ebenso über eine gemeinsame Leitung das Retentat 5 abgeleitet wird, welches am Ausgang der Mantelrohre 1 über eine Sammel­ leitung 18 gesammelt wird.

Das zu reinigende Abwasser 4 bzw. die Tensidlösung werden je nach entsprechender Stellung eines Zulaufventils 19 bei Ziffer 4 an der Eingangsseite einer Pumpe 15 in die Anlage eingeschleust, wobei die Pumpe 15 von einem Motor 14 angetrieben ist.

Der Volumenstrom des Permeats 6 wird im übrigen von einem Durchflußmesser 17 erfaßt, der einen Schwebe­ kegel aufweist, dem gegenüberliegend READ-Kontakte angeordnet sind, so daß die Position des Schwebe­ kegels und damit die Durchflußmenge in Abhängigkeit von der Position des Schwebekegels erfaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird nun der Motor 14 von dem vorher erwähnten Frequenzwandler angesteuert, so daß der Volumenstrom der Pumpe 15 stufenlos regelbar ist.

Zum Zweck der Reinigung wird bei Ziffer 4 die Tensidlösung 9 eingeführt und die Pumpe wird in dem vorher beschriebenen Intervallablauf angesteuert. Es kommt hierbei dann zu der beschriebenen Reinigung der Rohrmembrane 3, wobei der Reinigungsvorgang selbst eingeleitet wird dadurch, daß der Schwebekegel in dem Durchflußmesser 12 auf einen bestimmten minimalen Wert absinkt, dort einen READ-Kontakt betätigt und dieser READ-Kontakt dann den Frequenzwandler zur Ein­ leitung der Reinigungsphase schaltet.

Bezugszeichenliste

1 Mantelrohr
2 Stützrohr
3 Rohrmembrane
4 Abwasser
5 Retentat
6 Permeat (Filtrat)
9 Tensidlösung
9′ Tensidlösung
10 Schmutzpartikel
11 Micellen
12 laminare Strömung
13 turbulente Strömung
14 Motor
15 Pumpe
16 Sammelleitung
17 Durchflußmesser
18 Sammelleitung
19 Zulaufventil

Claims (6)

1. Verfahren zur Spülung von Rohrmembranen in Flüssig­ keits-Aufbereitungsanlagen, bei denen ein Abwasser­ strom in eine Rohrmembran eingebracht wird, durch diese radial nach außen hin durchtritt und dabei Abwasser­ partikel an der Oberfläche der Membran abgelagert werden und bei der im Spülbetrieb die an der Rohr­ membran anhaftenden Schmutzpartikel mittels Einleiten einer Tensidlösung anstatt des Abwasserstromes in die Rohrmembran entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungs­ anlage von Reinigungsbetrieb auf Spülbetrieb umge­ schaltet wird, sobald der Durchflußstrom des Permeats (6) einen bestimmten Wert unterschreitet, und darauf die Tensidlösung in Strömungsrichtung des Abwasserstromes in die Rohrmembran (3) eingeleitet wird, wobei der Volumenstrom der Tensidlösung derart geregelt wird, daß sich an der inneren Oberfläche der Rohrmembran (3) periodisch eine laminare Strömung und eine turbulente Strömung einstellen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Filtrationsvorrichtung, bei der in ein Mantelrohr koaxial mit Spiel ein Stützrohr eingebracht ist, welches in seiner Mantelfläche Bohrungen aufweist und koaxial in dem Stützrohr eine Rohrmembran eingesetzt ist, wobei ein Abwasserstrom durch die Rohrmembran zugeführt wird, der in radialer Richtung durch die Rohrmembran und das Stützrohr hindurchtritt und in dem Raum zwischen Stützrohr und Mantelrohr als Permeat gesammelt und abgeleitet wird, wobei im Abfluß des Permeats ein Durchflußmengenmesser zur Messung des Volumenstromes angeordnet ist;
mit einer Zuleitung und einer Ableitung für den zu reinigenden Abwasserstrom (Retentat) und einer Zuleitung für eine Tensidlösung und einem Zulaufventil, das bei entsprechender Stellung entweder Retentat oder Tensidlösung der Vorrichtung zuleitet und
mit einer Pumpe, welche je nach eingestellter Be­ triebsart entweder das Retentat oder die Tensidlösung durch die Filtrationsvorrichtung fördert, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Pumpe (15) geförderte Volumenstrom so einstell­ bar ist, daß im Spülbetrieb periodisch eine laminare Strömung (12) und eine turbulente Strömung (13) in der Rohrmembran (3) aufrechterhalten werden kann, und daß zur Erfassung eines minimalen Permeatstromes in der Permeat­ leitung ein Durchflußmengenmesser (17) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (15) einen Motor (14) umfaßt, welcher frequenz­ moduliert mittels eines Frequenzwandlers impulsweise ansteuerbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenmotor (14) mittels des Frequenzwandlers in bestimmten Zeitintervallen entweder mit 15 Hertz oder mit 50 Hertz ansteuerbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußmengenmesser (17) funktionsmäßig mit dem Frequenz­ wandler und dem Zulaufventil (19) verbunden ist und bei Unterschreiten eines einstellbaren Volumenstromwertes ein Signal an den Frequenzwandler und das Zulaufventil (19) abgibt und dadurch die Vorrichtung von Reinigungs­ betrieb auf Spülbetrieb umschaltet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Filtrationsvorrichtungen modular in Reihe und/oder parallel zueinander miteinander verbunden angeordnet sind, wobei sowohl das Retentat (5) als auch das Permeat (6) jeweils über eine gemeinsame Sammelleitung ab- bzw. zugeleitet wird.