EP1322405A2 - Membranfilteranlage und verfahren zum filtern - Google Patents

Membranfilteranlage und verfahren zum filtern

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EP1322405A2
EP1322405A2 EP01972022A EP01972022A EP1322405A2 EP 1322405 A2 EP1322405 A2 EP 1322405A2 EP 01972022 A EP01972022 A EP 01972022A EP 01972022 A EP01972022 A EP 01972022A EP 1322405 A2 EP1322405 A2 EP 1322405A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
membrane filter
suspension
filter module
filter system
membrane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01972022A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Vranitzky
Christoph Lukaschek
Werner Fuchs
Philipp Bauerhansl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
VA Tech Wabag GmbH Austria
Original Assignee
VA Tech Wabag GmbH Austria
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by VA Tech Wabag GmbH Austria filed Critical VA Tech Wabag GmbH Austria
Publication of EP1322405A2 publication Critical patent/EP1322405A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
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    • C02F1/444—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by ultrafiltration or microfiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D2321/02—Forward flushing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/04—Backflushing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2321/00—Details relating to membrane cleaning, regeneration, sterilization or to the prevention of fouling
    • B01D2321/12—Use of permeate

Definitions

  • the invention relates to a membrane filter system for filtering a suspension with at least one container for the suspension to be filtered, a device for gassing the suspension, a membrane filter module through which the flow flows, which is arranged in the flow direction after the device for gassing, and a device for removing the Filtration obtained permeate, as well as a device, preferably a circulation pump, which conveys the suspension to be filtered through the membrane filter system. Furthermore, a method for filtering a suspension in a membrane filter system in which the suspension to be filtered is conveyed through a membrane filter module and gassed before entering the membrane filter module, and a corresponding embodiment of the membrane filter system are disclosed.
  • a turbulent flow on the membrane surface is required to avoid the formation of cover layers on the membrane surface.
  • This turbulent flow is conventionally caused by a high energy input with the help of a circulating pump which pumps the water / sludge mixture (suspension) through the
  • a combination of cross-flow membrane filtration and fumigation of the biomass is used in the membrane filtration system.
  • the principle is based on the realization of sufficient turbulence along the membrane surface by mixing the suspension to be filtered with gas.
  • the suspension is fed to the filtration module by means of a pump, gas being introduced into the suspension shortly before the membrane module enters.
  • NL-1006390 discloses a membrane filter system in which membrane tubes are arranged vertically and the medium flowing through is mixed with air before entering the membrane module.
  • the distribution of the introduced mixture of air and medium to be filtered takes place here through a distribution plate in which a distribution opening is provided for each individual membrane tube, which is connected to the associated one
  • Membrane tubes must be aligned. In order to achieve an even distribution of the air introduced over the entire cross-section, the holes in the distribution plate are specially designed. By using pressure differences, a uniform distribution of air and suspension over all membrane tubes is achieved across the cross-section. Since the membrane tubes and thus necessarily the Holes in the distribution plate have a small diameter, this version is prone to blocking the distribution plate and the membranes.
  • the membrane filter system is characterized according to the invention in that the device for gassing is designed as a flow-through, blocking-safe hose gassing unit.
  • a flow-through hose gassing module was developed, which ensures an optimal distribution over the flow tube cross-section of both the gas and the suspension, whereby sufficient and equal turbulence is realized in each membrane tube.
  • the function of the hose gassing module is constantly guaranteed by the anti-blocking design. This ensures that the gas introduced is applied uniformly to the entire membrane surface.
  • the resulting greater turbulence in the membrane tubes means that a lower pumping capacity is sufficient to achieve the same filtration capacity as in systems without gassing, which is directly reflected in lower energy consumption and thus lower operating costs.
  • the gassing part is advantageously fastened by simple clamps, screw connections or flange connections, which, when installed, firstly enables the gassing part to be easily replaced and secondly ensures easy access to the membrane module.
  • a particularly simple embodiment is obtained if the support tubes are parallel across the cross section and are all arranged in one plane and a perforated, elastic tube is drawn along the length in contact with the suspension.
  • a particularly favorable flow distribution results when the support tubes over the Cross-section are arranged symmetrically, since then a particularly good and regular fumigation is guaranteed.
  • the support tubes are anchored in the hose gassing unit. If the anchoring of the support pipes in the pipe wall is arranged outside the pipe, the regular distribution of the suspension and the gas is additionally supported, since then the anchoring does not result in unnecessary flow losses and no unnecessary turbulence is introduced into the flow of the suspension.
  • the support tubes are provided with an opening through which the gas can penetrate into the space between the support tube and the perforated, elastic hose.
  • the opening is arranged outside the wall of the hose gassing unit, since this supports the uniform distribution of bubbles over the cross section.
  • the tubes are advantageously attached to the support tubes in a gastight and watertight manner. This is particularly easy to achieve by attaching the hoses to the support tubes using hose clamps.
  • a dead zone is created in the area of the anchoring of the support pipes, along which no gas can escape, which supports the uniform distribution of bubbles over the cross section.
  • the support tubes are advantageously sealed gas-tight and watertight.
  • a particularly simple embodiment is obtained if the support tubes are closed by straight screw connections, which means that the support tubes can be easily maintained, among other things, when installed.
  • a gas supply device is sufficient to supply all support pipes with gas simultaneously via supply hoses.
  • a particularly advantageous embodiment results when air is used as the gas, since then no special precautions need to be taken with regard to storage, preparation and composition of the gas.
  • the following procedure and the corresponding design of the membrane filter system are also suitable.
  • the method provides that the suspension is gassed in such a way that the pressure difference h ⁇ between the inlet and outlet of the membrane filter module becomes zero after taking into account the hydrostatic pressure of the liquid column of the suspension in the membrane filter module.
  • the pressure difference ⁇ p the pressures at the inlet and at the outlet of the membrane filter module are measured. This makes it possible to adjust the flow in the membrane tubes so that an ideal pressure curve is achieved in the membrane tubes, which increases both the efficiency and the production reliability.
  • the viscosity of the suspension to be filtered is measured at regular intervals and the amount of gas to be introduced is adapted to the respective overflow rate using an empirically created function depending on the membrane filter module geometry, filter cake structure with different permeate amounts, and the measured viscosity.
  • a first method that can be carried out very easily is characterized in that, in order to clean the membrane filter module, permeate is flushed back through the membrane surface against the production direction at periodic time intervals.
  • another very advantageous cleaning method can be implemented by introducing at least one pulsed air blast into the membrane filter module to clean the membrane filter module and, at the same time, any permeate already obtained is backwashed through the membrane surface against the direction of production. This enables a particularly thorough rinsing of the membrane tubes.
  • a very thorough process can also be obtained if a pressure wave is generated in the membrane filter module for cleaning the membrane filter module by increasing the overflow speed by means of a recirculation pump or by relaxing a pressure vessel, and any permeate that has already been obtained is backwashed through the membrane surface against the direction of production.
  • the advantages of the individual methods can be combined particularly advantageously by using a combination of different cleaning methods for cleaning the membrane filter module.
  • the membrane filter module suitable for carrying out the method according to the invention is designed such that at least one pressure measuring device for measuring the pressure difference ⁇ p between the inlet and outlet of the membrane filter module can be arranged, and that the pressure measuring device is connected to a control of the device for gassing. This is achieved, for example, by dividing the membrane filter module in the axial direction into at least three sections sealed on the permeate side, namely at least one filtration section and at least two edge sections for pressure measurement, and at least one pressure measuring device being provided in each edge section.
  • a simple division of the membrane filter module is obtained if perforated disks are provided for the division of the membrane filter module.
  • two perforated disks arranged one above the other are arranged between the sections, the space between which is poured out with a suitable agent, for example with synthetic resin.
  • a perforated disk is provided at each of the two ends of the membrane filter module and the space between the perforated disk and the end face of the membrane filter module is filled with a suitable agent, for example with synthetic resin.
  • At least one device for venting preferably a ventilation valve, in all three sections.
  • the membrane filter system can be operated particularly advantageously if a gassing unit is arranged before entry into the membrane filter module, which is designed as an anti-blocking hose gassing unit.
  • FIGS. 1 to 6 illustrate a membrane filter system according to the invention by way of example and schematically, and the following descriptions. Show it
  • FIG. 1 is a system diagram of a membrane filter system according to the invention
  • FIG. 2 shows a detail with a membrane filter module and a gassing unit according to the invention
  • Fig. 3 is a schematic representation of a divided according to the invention
  • FIG. 4 is a top view of a gassing unit according to the invention with a
  • Fumigation unit as well as an enlargement of the anchoring of the support tube in the wall of the fumigation unit and 6a-6c a further gassing unit according to the invention with two support tube levels.
  • the boundary layer of a laminar flow is briefly interrupted by gassing the suspension 40 to be filtered, this has an advantageous effect on the economy of such a membrane filter system, since it does not result in high levels Overflow speeds are required and the energy input required to achieve the overflow can be reduced.
  • the gas bubbles displace the suspension 40 in the membrane tube 20.
  • the gas bubbles fill the entire membrane tube diameter. They are pushed through the membrane tube 20 by the suspension 40 to be filtered, which is pressed in at the module inlet 32, and thus interrupt the laminar flow on the membrane surface.
  • this gassing in a vertically arranged membrane filter module 11 reduces the hydrostatic weight of the fluid column to be filtered to such an extent that exactly the pressure loss ⁇ p caused by the frictional resistance in the membrane filter module 11 is compensated, then uniform filtration over the entire axial membrane surface becomes possible. Furthermore, the gassing reduces the feed pressure, which reduces the energy input required to maintain the overflow (air-lift effect).
  • a membrane filter system according to the invention can be operated particularly economically from a combination of the effects described above.
  • the pressure drop in the module must be known continuously.
  • the amount of air blown in is then varied in such a way that the loss of friction is compensated by the reduction in the hydrostatic weight in such a way that no pressure loss can be measured within the filtration module. This creates a uniform transmembrane pressure across the entire axial Membrane filter module length allows, and the entire membrane surface can be used for filtration.
  • FIG. 1 shows an exemplary system diagram of a membrane filter system according to the invention, which uses all of the effects mentioned above.
  • the suspension 40 to be filtered is removed from a container 41 and over a
  • Circulation pump 42 supplied to the gassing unit 7. Between the circulating pump 42 and the gassing unit 7 there is a flow measuring unit 11 which is used to determine the throughput quantity. On the basis of the measured throughput quantity, the circulation pump 42 sets a predetermined overflow through the membrane filter module.
  • the gassing unit 7 is supplied with air by a compressor 51, the amount of air introduced depending on the instantaneous pressure difference ⁇ p between the inlet 32 and outlet 33 of the membrane filter module 11 being adjustable by means of a control orifice 52.
  • sections 25, 26 which do not take part in the filtration process are provided both at the inlet 32 and at the outlet 33 for measuring the current pressure.
  • the filtration section 22 is located between these edge regions 25, 26.
  • the permeate 30 obtained in the filtration section 22 is drawn off via a draw-off device 27 by a suction pump 45 and / or a regulating orifice 46.
  • An inductive flow measuring device 47 through which the permeate 30 flows and which follows the control orifice 46 is used to determine the throughput.
  • a predetermined permeate production is achieved with the measured value determined in this way and the actuators 45 and 46. Excess becomes from the permeate buffer container 48 produced permeate 30 derived on the output side.
  • permeate buffer container 48 there is a backwash pump 49 which, if necessary, presses permeate 30 back against the direction of production.
  • the flow measuring device 47 again serves to determine the throughput quantity.
  • the filtered concentrate is returned to the container 41 after the membrane filter module 11.
  • the arrows indicate the direction of flow of the suspension 40 at the inlet 32 and outlet 33 of the membrane filter module 11 in the membrane filter system.
  • the suspension 40 passes through a first flow tube 8 into the gassing module 7, where the suspension 40 is gassed with the gas supplied via the distribution box 2. After the gassing, the suspension gas mixture enters the membrane filter module 11 and the filtered concentrate is then discharged through a second flow tube 8.
  • the membrane filter module 11 according to a possible embodiment variant, as shown in FIG. 3, is characterized in that it has a plurality of membrane tubes 20 arranged in parallel, which are bundled into a compact membrane filter module 11.
  • the membrane filter module 11 is inserted into the circulating circuit by means of screw threads 31 at the inlet 32 and outlet 33.
  • screw threads 31 at the inlet 32 and outlet 33.
  • all other options for inserting the membrane filter module 11 into the circulating circuit such as a terminal connection 10 or a flange connection 3, are also conceivable here.
  • the solid-liquid separation of the feeds takes place
  • the permeate 30 filtered through the membrane is collected in the permeate space 21 and can be withdrawn from the membrane filter module 11 via a permeate line 27.
  • a valve 29 At the upper end of the permeate space 21 available for filtration there is a valve 29 by means of which the permeate space 21 can be vented.
  • the membrane tubes 20 are shown in a fixed position on the one hand by perforated disks 23 and on the other hand divided into three sections, a filtration section 22 and two edge sections 25 and 26, by pouring the spaces between the disks with synthetic resin 24. In the same way, the inlet and outlet opening of the module is closed with synthetic resin 24.
  • membrane filter module 11 is only exemplary and not restrictive. In particular, of course, other methods for dividing the membrane filter module 11 into sections are also conceivable and are included in this description.
  • the viscosity of the suspension 40 to be filtered must be determined periodically and by means of an empirically created function that takes into account the module geometry, filter cake structure with different permeate flux, and viscosity, the amount of air to be introduced must be adapted to the respective overflow speed become.
  • the gassing module 7 is distinguished by the fact that it has a plurality of parallel support tubes 5, arranged symmetrically in one plane, over the length that is in contact with the suspension , ie the length between the tube walls of the gassing module 7, elastic, perforated hoses 16 are drawn on and fastened to the support tubes by hose clips 13. If gas is now introduced into the support tube 5 under an overpressure via the gas supply 1, the distribution box 2 and the distribution hoses 4, the gas enters through an opening 14 in the support tube 5 into the space between the support tube and the elastic, perforated hose 16, as a result of which the
  • Hose 16 expands and the gas emerges from the opening perforations. If the gas supply is interrupted, the hose 16 immediately rests on the support tube, whereby the perforations are closed again. This mechanism prevents the fine perforations from becoming blocked by dirt, which guarantees the gassing function.
  • the support tubes 5 are anchored by anchoring 6 in the gassing module 7 and are closed at the end facing away from the gas supply by straight screw-in screw connections 9.
  • the gassing module is fastened either directly below the membrane filter module 11 by means of a flange connection 3, a clamp connection 10 or a screw connection 31.
  • the gassing module 7 is constructed with a flow-through cylindrical recess and has two levels, each with eight support tubes 5 arranged parallel to one another, the support tubes 5 of different levels being arranged normally to one another. Gas is pro Level supplied through its own junction box 2.
  • the junction box 2 is attached to the gassing module 7 by means of screws 61 and flat seals 62 and encloses the openings 14 of the support tubes 5, which are fastened here in anchors 6 in the gassing module 7 which are designed as screw-in screw connections.
  • the support tubes are closed at the other end by blind plugs 63.
  • each support tube Three rows of pores are provided for each support tube, which run in the longitudinal direction of the support tubes and are offset from one another by 120 °.
  • a row of pores on the top which faces the membrane filter module 11, and two rows of pores are attached to the underside of the support tube.
  • the pores are 4mm wide and slit-shaped, at a distance of 15mm from each other, which results in a lower flow resistance during gassing.
  • the gassing module 7 is attached to the membrane filter module 11 by means of a clamp connection, but it can also be attached directly below the membrane filter module 11 by means of a flange connection or a screw connection.
  • FIG. 6b shows the side view of the gassing module 7 without a junction box 2
  • FIG. 6c shows a corresponding section through the gassing module 7 with a mounted junction box 2 and gas supply 1.
  • the gassing module is equipped with a coupling 64 for connection to the adjacent parts.
  • the permeate production can be prevented at periodic intervals.
  • the transmembrane pressure is zero, which means that the filter cake is slowly removed from the membrane surface by the turbulent overflow.
  • An advantage of this cleaning process is the low effort in terms of energy costs and system components.
  • the transmembrane pressure must then be increased to maintain a certain permeate flux.
  • the overflow speed in the membrane tubes 20 can be increased in one phase of overproduction by one or more pulsed air blasts into the inlet opening of the membrane filter module 11. This air blast, and the associated pressure wave through the membrane tubes 20, has proven to be very effective in preventing the membrane tubes 20 from becoming blocked.
  • the overflow rate in the membrane tubes 20 can be increased by increasing the overflow rate by means of a recirculation pump or by depressurizing a pressure vessel.
  • This increase in the overflow and with it connected pressure wave through the membrane tubes 20 also proves to be very effective in preventing blockages of membrane tubes 20.
  • the method according to the invention of the briefly increased overflow rate is carried out with particular advantage while permeate 30 is backwashed through the membrane surface by means of the backwash pump 49.
  • the air blast can be carried out simultaneously with the increase in the overflow speed by means of a pressure wave or by any other combination of cleaning methods.

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Abstract

Gezeigt wird eine Membranfilteranlage zum Filtern einer Suspension mit zumindest einem Behälter (41) für die zu filternde Suspension, einer Vorrichtung zur Begasung (7) der Suspension, einem in Strömungsrichtung durchströmten Membranfiltermodul (11), das in Strömungsrichtung nach der Vorrichtung zur Begasung (7) angeordnet ist, einer Einrichtung zur Abfuhr des durch die Filterung gewonnen Permeats (30), sowie einer Einrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe (42), die die zu filternde Suspension durch die Membranfilteranlage fördert, wobei die Vorrichtung zur Begasung (7) als durchströmbare, verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit augebildet ist. Es ist weiters vorgesehen, dass die Suspension (40) so begast wird, dass der Druckunterschied Δp zwischen Eintritt und Austritt des Membranfiltermoduls (11), nach Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeitssäule der Suspension (40) im Membranfiltermodul (11), gleich Null wird. Es wird hiermit eine optimale Filtrationsleistung und ein hoher Wirkungsgrad der Filteranlage gewährleistet.

Description

Membranfilteranlage und Verfahren zum Filtern
Die Erfindung betrifft eine Membranfilteranlage zum Filtern einer Suspension mit zumindest einem Behälter für die zu filternde Suspension, einer Vorrichtung zur Begasung der Suspension, einem in Strömungsrichtung durchströmten Membranfiltermodul, das in Strömungsrichtung nach der Vorrichtung zur Begasung angeordnet ist, einer Einrichtung zur Abfuhr des durch die Filterung gewonnen Permeats, sowie einer Einrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe, die die zu filternde Suspension durch die Membranfilteranlage fördert. Weiters wird ein Verfahren zum Filtern einer Suspension in einer Membranfilteranlage bei dem die zu filternde Suspension durch ein Membranfiltermodul befördert wird und vor Eintritt in den Membranfiltermodul begast wird, sowie eine entsprechende Ausführung der Membranfilteranlage geoffenbart.
In einem Membranfiltrationsprozess ist zur Vermeidung von Deckschichtbildungen auf der Membranoberfläche eine turbulente Strömung an der Membranoberfläche erforderlich. Diese turbulente Strömung wird herkömmlicherweise durch einen hohen Energieeintrag mit Hilfe einer Umwälzpumpe, die das Wasser-Schlammgemisch (Suspension) durch das
Membranfiltrationsmodul pumpt, realisiert. Würde man zusätzlich die Turbulenzen durch eine Begasung erhöhen, würde sich dies natürlich auf die Wirtschaftlichkeit einer solchen Membranfilteranlage auswirken, da dadurch der benötigte Energieeintrag verringert werden könnte.
Zu diesem Zweck wird im Membranfiltrationssystem eine Kombination von Cross-Flow Membranfiltration und Begasung der Biomasse angewendet. Das Prinzip basiert auf der Realisierung ausreichender Turbulenz entlang der Membranoberfläche, indem die zu filtrierende Suspension mit Gas vermischt wird. Die Suspension wird mittels einer Pumpe dem Filtrationsmodul zugeführt, wobei Gas kurz vor dem Eingang des Membranmoduls in die Suspension eingetragen wird.
Die NL-1006390 offenbart eine Membranfilteranlage, bei welcher Membranröhrchen senkrecht angeordnet sind und das durchströmende Medium vor dem Eintritt in den Membranmodul mit Luft versetzt wird. Die Verteilung des eingebrachten Gemisches aus Luft und zu filternden Medium erfolgt hier durch ein Verteilblech in dem für jedes einzelne Membranröhrchen eine Verteilöffnung vorgesehen ist, die mit dem zugehörigen
Membranröhrchen fluchtend angeordnet sein muß. Um eine gleichmäßige Verteilung der eingebrachten Luft über den gesamten Querschnitt zu erreichen, werden die Löcher im Verteilblech speziell ausgeführt. Durch die Nutzung von Druckunterschieden wird dabei über den Querschnitt eine gleichmäßige Verteilung von Luft und Suspension über alle Membranröhrchen erreicht. Da die Membranröhrchen und damit zwingenderweise auch die Löcher im Verteilblech einen kleinen Durchmesser aufweisen, ist diese Ausführung für eine Verblockung des Verteilbleches und der Membranen anfällig.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Membranfilteranlage anzugeben, bei welcher die Nachteile bekannter Vorrichtungen vermieden werden, um einen uneingeschränkten Betrieb sowie eine optimale Filtrationsleistung und einen hohen Wirkungsgrad der Filteranlage gewährleisten zu können.
Die Membranfilteranlage ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Begasung als durchströmbare, verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit ausgebildet ist.
Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung von Gas und Suspension über alle
Membranröhrchen wurde ein durchströmbares Schlauchbegasungsmodul entwickelt, der für eine optimale Verteilung über den Strömungsrohrquerschnitt sowohl des Gases als auch der Suspension sorgt, wodurch in jedem Membranröhrchen eine ausreichende und gleiche Turbulenz realisiert wird. Darüber hinaus ist die Funktion des Schlauchbegasungsmoduls durch die verblockungssichere Ausführung ständig gewährleistet. Hierdurch wird eine gleichmäßige Beaufschlagung der gesamten Membranfläche mit dem eingebrachten Gas gewährleistet. Durch die dadurch entstehende stärkere Turbulenz in den Membranröhrchen reicht eine niedrigere Pumpleistung um die gleiche Filtrationsleistung wie bei Systemen ohne Begasung zu erreichen, was sich direkt in einem geringeren Energieverbrauch und dadurch in niedrigere Betriebskosten niederschlägt.
Als zusätzlichen Effekt kann durch das Einblasen der Luft in den Feedkanal (= ein die Suspension zuführendes Strömungsrohr) aufgrund der feinen Bläschenform und der hohen Turbulenz in den Membranrohren eine Anreicherung der zu filtrierenden Suspension mit Sauerstoff erreicht werden, so könnte im Fall von Belebtschlamm ein Teil der für die Kohlenstoff- bzw. Stickstoffatmung ohnehin benötigte Sauerstoffmenge bereits durch die Filtration aufgebracht werden.
Zur einfacheren Wartbarkeit wird der Begasungsteil vorteilhaft durch einfache Klemmen, Schraubverbindungen oder über Flanschverbindungen befestigt, wodurch im eingebauten Zustand erstens ermöglicht wird, den Begasungsteil einfach zu tauschen und zweitens eine einfache Zugänglichkeit zum Membranmodul sichergestellt wird.
Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn die Stützrohre über den Querschnitt parallel und alle in einer Ebene angeordnet sind und entlang der suspensionsberührten Länge ein perforierter, elastischer Schlauch aufgezogen ist. Eine besonders günstige Strömungsverteilung ergibt sich, wenn die Stützrohre über den Querschnitt symmetrisch angeordnet sind, da dann eine ganz besonders gute und regelmäßige Begasung gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Stützrohre in der Schlauchbegasungseinheit verankert. Werden die Verankerungen der Stützrohre in der Rohrwand außerhalb des Rohres angeordnet, so unterstützt man zusätzlich noch die regelmäßige Verteilung der Suspension und des Gases, da dann durch die Verankerung keine unnötigen Strömungsverluste entstehen und keine unnötigen Turbulenzen in die Strömung der Suspension eingebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Stützrohre mit einer Öffnung versehen, durch die das Gas in den Raum zwischen Stützrohr und perforierten, elastischen Schlauch eindringen kann. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erhält man, wenn man die Öffnung außerhalb der Wand der Schlauchbegasungseinheit anordnet, da dies die gleichmäßige Blasenverteilung über den Querschnitt unterstützt.
Um zu verhindern, dass an den Befestigungstellen des elastischen, perforierten Schlauches Gas aus den Stützrohren austreten und Wasser in die Stützrohre eindringen kann, werden die Schläuche vorteilhaft gasdicht und wasserdicht auf den Stützrohren befestigt. Ganz besonders einfach erreicht man dies, indem man die Schläuche durch Schlauchschellen an den Stützrohren befestigt.
Als vorteilhaft erweist sich, wenn man die Perforation nur entlang der Strecke zwischen den beiden Innenseiten der Wände der Schlauchbegasungseinheit vorsieht, da dadurch im
Bereich der Verankerung der Stützrohre eine Totzone geschaffen wird, entlang der kein Gas austreten kann, wodurch die gleichmäßige Blasenverteilung über den Querschnitt unterstützt wird.
Um zu verhindern, dass an den der Gaszufuhr abgewandten Verschlussstellen der Stützrohre Gas oder Wasser austreten kann, werden die Stützrohre vorteilhaft gasdicht und wasserdicht verschlossen. Ein besonders einfache Ausführungsform erhält man dazu, wenn man die Stützrohre durch gerade Einschraubverschraubungen verschließt, wodurch die Stützrohre unter anderem einfach im eingebauten Zustand gewartet werden können.
Durch eine gemeinsame Verteilerdose reicht eine Vorrichtung zur Gaszufuhr aus, um alle Stützrohre über Zuleitungsschläuche gleichzeitig mit Gas zu versorgen. Eine besonders vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn man als Gas Luft verwendet, da dann keine besonderen Vorkehrungen bezüglich Lagerung, Vorbereitung und Zusammensetzung des Gases getroffen werden müssen. Um eine optimale Filtrationsleistung und einen hohen Wirkungsgrad der Filteranlage gewährleisten, ist auch das folgende Verfahren sowie die entsprechende Ausführung der Membranfilteranlage geeignet.
Das Verfahren sieht vor, dass die Suspension so begast wird, dass der Druckunterschied hφ zwischen Eintritt und Austritt des Membranfiltermoduls, nach Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeitssäule der Suspension im Membranfiltermodul, gleich Null wird. Zur Ermittlung des Druckunterschieds Δp werden die Drücke am Eintritt und am Austritt des Membranfiltermoduls gemessenen. Dadurch ist es möglich, die Strömung in den Membranrohren so einzustellen, das ein idealer Druckverlauf in den Membranrohren erzielt wird, was sowohl die Wirkungsgrad als auch die Produktionssicherheit erhöht.
Denkbar ist auch, dass statt der Druckmessung die Viskosität der zu filternden Suspension in regelmäßigen Abständen gemessen wird und die einzubringende Gasmenge mittels einer empirisch erstellten Funktion in Abhängigkeit von Membranfiltermodulgeometrie, Filterkuchenaufbau bei unterschiedlichem Permeatmengen, und der gemessenen Viskosität an die jeweilige Überströmgeschwindigkeit angepasst wird.
Zur Reinigung des Membranfiltermoduls sind mehrere Verfahren mit unterschiedlichen Vorzügen möglich. Ein erstes sehr einfach durchführbares Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung des Membranfiltermoduls in periodischen Zeitabständen Permeat gegen die Produktionsrichtung durch die Membranoberfläche rückgespült wird. In Verbindung mit der Begasungseinheit, kann ein weiteres sehr vorteilhaftes Reinigungsverfahren umgesetzt werden, indem zur Reinigung des Membranfiltermoduls zumindest ein getakteter Luftstoß in den Membranfiltermodul eingebracht wird und eventuell gleichzeitig bereits gewonnenes Permeat gegen die Produktionsrichtung durch die Membranoberfläche rückgespült wird. Damit erreicht man eine ganz besonders gründliche Spülung der Membranrohre. Ein ebenfalls sehr gründliches Verfahren erhält man, wenn zur Reinigung des Membranfiltermoduls durch Anheben der Überströmgeschwindigkeit durch eine Rezirkulationspumpe oder durch Entspannen eines Druckkessels eine Druckwelle im Membranfiltermodul erzeugt wird und eventuell gleichzeitig bereits gewonnenes Permeat gegen die Produktionsrichtung durch die Membranoberfläche rückgespült wird.
Ganz besonders vorteilhaft lassen sich die Vorzüge der einzelnen Verfahren verbinden, indem zur Reinigung des Membranfiltermoduls eine Kombination verschiedener Reinigungsverfahren verwendet wird. Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Membranfiltermodul ist so ausgebildet, dass zumindest eine Druckmesseinrichtung zur Messung des Druckunterschieds Δp zwischen Eintritt und Austritt des Membranfiltermoduls anordenbar ist, und dass die Druckmesseinrichtung mit einer Steuerung der Vorrichtung zur Begasung verbundenen ist. Dies wird etwa dadurch erreicht, dass das Membranfiltermodul in axialer Richtung in zumindest drei permeatseitig abgedichtete Abschnitte, nämlich zumindest einen Filtrationsabschnitt und zumindest zwei Randabschnitte zur Druckmessung, geteilt ist und in jedem Randabschnitt zumindest eine Druckmesseinrichtung vorgesehen ist.
Eine einfache Aufteilung des Membranfiltermoduls erhält man, wenn zur Abteilung des Membranfiltermoduls Lochscheiben vorgesehen sind. Dabei sind etwa zwischen den Abschnitten zwei übereinander angeordneten Lochscheiben angeordnet, deren Zwischenraum mit einem geeigneten Mittel, beispielsweise mit Kunstharz, ausgegossen ist. An den beiden Enden des Membranfiltermoduls ist je eine Lochscheibe vorgesehen und der Raum zwischen der Lochscheibe und der Stirnfläche des Membranfiltermoduls ist mit einem geeigneten Mittel, beispielsweise mit Kunstharz, ausgegossen.
Für die Wartung einer Membranfilteranlage ist es vorteilhaft an allen drei Abschnitten zumindest eine Einrichtung zum Entlüften, vorzugsweise ein Lüftungsventil, vorzusehen.
Weitere Ausgestaltungen der Membranfilteranlage sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Besonders vorteilhaft lässt sich die Membranfilteranlage betreiben, wenn vor dem Eintritt in das Membranfiltermodul eine Begasungseinheit angeordnet ist, die als verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit ausgebildet ist.
Die Erfindung wird anhand der angeschlossenen Figuren 1 bis 6, die eine erfindungsgemäße Membranfilteranlage beispielhaft und schematisch darstellen, und der folgenden Beschreibungen erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Anlagenschema einer erfindungsgemäßen Membranfilteranlage,
Fig. 2 einen Ausschnitt mit einem Membranfiltermodul und einer erfindungsgemäßen Begasungseinheit,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß geteilten
Membranfiltermoduls, Fig. 4 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Begasungseinheit mit einer
Stützrohr-Ebene,
Fig. 5a und 5b die entlang der Mittenebene teilweise geschnittene Aufsicht einer
Begasungseinheit, sowie eine Vergrößerung der Verankerung des Stützrohres in der Wand der Begasungseinheit und Fig. 6a-6c eine weitere erfindungsgemäße Begasungseinheit mit zwei Stützrohr- Ebenen.
Laminare Strömungen zeigen nach Hagen-Poiseuille einen parabelförmigen Verlauf der Geschwindigkeit in Abhängigkeit vom Radius des Rohrs. An der Rohrwand, also der Membranoberfläche, bildet sich eine Grenzschicht aus, innerhalb der die
Strömungsgeschwindigkeit von v = 0 auf den vollen Wert ansteigt. Dadurch kann der Aufbau eines Filtrationskuchens an der Membranoberfläche nicht wirksam unterbunden werden. Für Newtonsche Substanzen gilt, dass die Strömung dann turbulent ist wenn die Reynoldszahl Re > Rβkrit wird. Die Überströmungsgeschwindigkeit v muß daher je nach Rohrreibungszahl λ und kinematischer Zähigkeit v einen gewissen Wert übersteigen. In der traditionellen tubulären Filtrationstechnik wurden daher Überströmungsgeschwindigkeiten von drei bis zehn Metern pro Sekunde angewandt.
In Membranrohren 20 kommt es beim Durchtritt der Suspension durch die Membranrohre 20 aufgrund der inneren Reibungskraft zu einem Druckverlust. Bei laminarer Strömung ist dieser für Newtonsche Substanzen nach dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz zu berechnen. Es treten dadurch am Eintritt der Membranrohre 20 höhere Drücke als am Austritt auf. Die treibende Kraft einer Filtration ist der Differenzdruck zwischen Feedseite 32 und Permeatseite 33. Dieser als Transmembrandruck bezeichnete Druck ist durch dieses physikalische Phänomen am Eintritt in das Membranrohr 20 größer als am Austritt. Dadurch resultiert am Eintritt 32 in das Membranrohr 20 ein stärkerer Filtrationsvorgang als am Austritt 33, wodurch die Membran ungleichmäßig beansprucht wird. Bei gewissen Betriebszuständen kann dies bis zu Kreislaufströmen innerhalb des Membranfiltermoduls 11 führen. Ein Teil des am Eintritt 32 des Membranfiltermoduls 11 produzierten Permeats 50 wird durch die ungleiche Transmembrandruckverteilung im Membranfiltermoduls 11 am Austrittbereich 33 wieder rückgespült. Dies ist ökonomische höchst unrentabel und führt weiters zu übermäßiger Membranbelastung im Eintrittsbereich 32. Daraus resultierende Probleme sind Permeabilitätsverlust der Membran bzw. Verblockungen der Membranrohre 20 durch übermäßigen Filterkuchenaufbau. Kreislaufströme treten beispielsweise bei geringer Permeatproduktion über eine Membran mit guter Permeabilität auf. Oder im Fall eines Produktionsstopps bei gleichzeitiger Feedüberströmung, welcher in der Crossflow- Filtrationstechnik zum Abtragen des Filtrationskuchens verwendet werden kann. Diese Filtrationstechnik bzw. Reinigungstechnik ist aufgrund des Kreislaufstromes daher ineffizient oder gar kontraproduktiv.
Unterbricht man die Grenzschicht einer laminaren Strömung durch eine Begasung der zu filtrierenden Suspension 40 kurzfristig, wirkt sich dies auf die Wirtschaftlichkeit einer solchen Membranfilteranlage vorteilhaft aus, da dadurch keine hohen Überströmungsgeschwindigkeiten benötigt werden und der benötigte Energieeintrag zum Erreichen der Überströmung verringert werden kann. Beim Durchwandern des Membranrohres 20 verdrängen die Gasblasen die Suspension 40 im Membranrohr 20. Bei bestimmten Verfahrensbedingungen, welche sich aus Überströmgeschwindigkeit, Umgebungsdruck, Viskosität und Membranrohrdurchmesser ergeben, füllen die Gasblasen den gesamten Membranrohrdurchmesser aus. Sie werden durch die am Moduleintritt 32 eingepresste, zu filtrierende Suspension 40 durch des Membranrohr 20 geschoben und unterbrechen so den laminaren Fluss an der Membranoberfläche. Vermindert diese Begasung in einem vertikal angeordneten Membranfiltermodul 11 das hydrostatische Gewicht der zu filtrierenden Fluidsäule dermaßen, dass exakt der durch den Reibungswiderstand im Membranfiltermodul 11 entstehende Druckverlust Δp kompensiert wird, so wird eine gleichmäßige Filtration über die gesamte axiale Membranfläche möglich. Weiters wird durch diese Begasung der Feeddruck vermindert, wodurch der benötigte Energieeintrag zur Aufrechterhaltung der Überströmung verringert wird (Air-Lift Effekt). Aus einem Zusammenspiel der oben beschrieben Effekte kann eine erfindungsgemäße Membranfilteranlage besonders wirtschaftlich betrieben werden.
Durch den Eintrag der Luft, einem Medium mit geringerer Dichte als die zu filtrierende Suspension 40, wird das Gewicht der Fluidsäule im Membranfiltermodul 11 reduziert. Dadurch kann der durch den Reibungsverlust verursachte Druckanstieg im Feedkanal kompensiert werden. Der Reibungsverlust ist nach Hagen-Poiseuille jedoch nur für
Newtonsche Substanzen zu berechnen. Für ein Dreiphasengemisch aus beispielsweise Belebtschlamm, Wasser und Luft ist dies nicht möglich. Der Reibungsverlust muss daher empirisch bestimmt werden. Er ist von Rohrdurchmesser d, Rohrlänge I, der Überstömungsgeschwindigkeit v und der Viskosität η des zu filtrierenden Medium abhängig. Bis auf die Rohrlänge sind alle übrigen Einflussfaktoren während des Filtrationsprozesses veränderbar, bzw. teilweise unbekannt. Der Rohrdurchmesser d verringert sich durch den Aufbau des Filterkuchens. Die Viskosität η ist abhängig von Temperatur, Konzentration und Zusammensetzung der Suspension. Im Fall von Belebtschlamm kommen noch Faktoren wie Schlammalter, -belastung, -atmung und andere Faktoren hinzu.
Für den Fall einer vollständigen Kompensation des Reibungsdruckes muss der Druckabfall im Modul kontinuierlich bekannt sein. Die eingeblasenen Luftmenge wird dann so variiert, dass der Reibungsverlust durch die Verringerung des hydrostatischen Gewichts so kompensiert wird, dass gerade kein Druckverlust innerhalb des Filtrationsmodul messbar ist. Dadurch wird ein gleichmäßiger Transmembrandruck über die gesamte axiale Membranfiltermodullänge ermöglicht, und die gesamte Membranfläche kann für die Filtration herangezogen werden.
In einer weniger aufwendigen Realisierung, kann auch auf empirisch ermittelte Wertepaare von Membranüberströmung und Luftmenge zurückgegriffen werden. Diese Funktion muss jedoch unterschiedliche Viskosität, Modulgeometrie oder Permeatproduktion berücksichtigen. Veränderungen der besagten Einflussfaktoren müssen jedoch ständig durch Nachjustieren der eingeblasen Luftmenge berücksichtigt werden.
In Fig. 1 ist ein beispielhaftes Anlagenschema einer erfindungsgemäßen Membranfilteranlage dargestellt, die alle oben angeführten Effekte nutzt. Die zu filternde Suspension 40 wird einem Behälter 41 entnommen und über eine
Umwälzpumpe 42 der Begasungseinheit 7 zugeführt. Zwischen Umwälzpumpe 42 und Begasungseinheit 7 ist eine Durchflussmesseinheit 11 angeordnet, die zur Ermittlung der Durchsatzmenge verwendet wird. Auf Basis der gemessenen Durchsatzmenge wird mit der Umwälzpumpe 42 eine vorgegebene Überströmung durch den Membranfiltermodul eingestellt.
Die Begasungseinheit 7 wird durch einen Kompressor 51 mit Luft versorgt, wobei die eingebrachte Luftmenge in Abhängigkeit des momentanen Druckunterschiedes Δp zwischen Eintritt 32 und Austritt 33 des Membranfiltermoduls 11 mittels einer Regelblende 52 eingestellt werden kann. Die von der Regelblende 52 auf Ap = 0 eingestellte Luftmenge führt in dem Membranfiltermodul 11 zu ausgeglichenen Druckbedingungen, was eine gleichmäßige Filtration über die gesamte axiale Membranoberfläche ermöglicht. Ist Δp > 0 so ist der Membranfiltermodul 11 unterkompensiert und es wird mehr Luft eingebracht. Durch die Dichtedifferenz der beiden Medien wird das hydrostatische Gewicht der Fluidsäule erniedrigt und so der Reibungsdruckverlust ausgeglichen. Ist Δp < 0 so ist der Membranfiltermodul 11 überkompensiert und es wird die Luftzufuhr solange reduziert bis wiederum die Vorgabe Ap = 0 erreicht ist.
Im Membranfiltermodul 11 sind sowohl am Eintritt 32 als auch am Austritt 33 nicht am Filtrationsprozess teilnehmende Abschnitte 25, 26 zum Messen des aktuellen Druckes vorgesehen. Zwischen diesen Randbereichen 25, 26 befindet sich der Filtrationsabschnitt 22. Das im Filtrationsabschnitt 22 gewonnene Permeat 30 wird über eine Abzugvorrichtung 27 durch eine Saugpumpe 45 und/oder einer Regelblende 46 abgezogen. Eine von dem Permeat 30 durchströmte, der Regelblende 46 nachgeschaltete, induktive Durchflussmesseinrichtung 47 dient zur Ermittlung der Durchsatzmenge. Mit dem solchermaßen ermittelten Messwert und den Stellorganen 45 und 46 wird eine vorgegebene Permeatproduktion erreicht. Aus dem Permeatpufferbehälter 48 wird überschüssig produziertes Permeat 30 ausgangsseitig abgeleitet. Im Permeatpufferbehälter 48 befindet sich eine Rückspülpumpe 49, welche bei Bedarf Permeat 30 gegen die Produktionsrichtung zurückpresst. Dabei dient erneut die Durchflussmesseinrichtung 47 zur Ermittlung der Durchsatzmenge. Das gefilterte Konzentrat wird im Anschluss an den Membranfiltermodul 11 wieder zum Behälter 41 zurückgeführt.
In Fig. 2 zeigen die Pfeile die Strömungsrichtung der Suspension 40 am Eintritt 32 und Austritt 33 des Membranfiltermoduls 11 in der Membranfilteranlage an. Hierbei gelangt die Suspension 40 durch ein erstes Strömungsrohr 8 in den Begasungsmodul 7, wo die Suspension 40 mit dem über die Verteilerdose 2 zugeführten Gas begast wird. Nach der Begasung gelangt das Suspensions-Gasgemisch in den Membranfiltermodul 11 und das gefilterte Konzentrat wird anschließend über ein zweites Strömungsrohr 8 abgeführt.
Der Membranfiltermodul 11 nach einer möglichen Ausführungsvariante, wie in Fig. 3 dargestellt, zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Vielzahl parallel angeordneter Membranrohre 20 aufweist, die zu einem kompakten Membranfiltermodul 11 gebündelt werden. Der Membranfiltermodul 11 wird mittels Schraubgewinden 31 am Eintritt 32 und Austritt 33 in den Umwälzkreislauf eingefügt. Selbstverständlich sind hier auch alle anderen Möglichkeiten zum Einfügen des Membranfiltermodul 11 in den Umwälzkreislauf, wie zum Beispiel eine Klemmenverbindung 10 oder eine Flanschverbindung 3, denkbar. Im Membranfiltermodul 11 findet die Fest-Flüssig-Trennung der eingangs zugeführten
Suspension 40 in Permeat 30 und zurückgeführtes Konzentrat statt. Das durch die Membran filtrierte Permeat 30 wird im Permeatraum 21 gesammelt und kann über eine Permeatleitung 27 aus dem Membranfiltermodul 11 abgezogen werden. Am oberen Ende des für die Filtration zur Verfügungen stehenden Permeatraumes 21 befindet sich ein Ventil 29 mittels dessen eine Entlüftung des Permeatraumes 21 erfolgen kann.
Die Membranrohre 20 sind durch Lochscheiben 23 einerseits in fixe Position gewiesen und andererseits durch das Ausgießen der Räume zwischen den Scheiben mit Kunstharz 24 in drei Abschnitte, einem Filtrationsabschnitt 22 und zwei Randabschnitte 25 und 26, geteilt. In gleicher Weise ist auch die Einlass- und Auslassöffnung des Moduls mit Kunstharz 24 verschlossen. Dadurch entstehen über die Längsachse des Membranfiltermoduls 11 drei voneinander unabhängige, vollkommen dichte Abschnitte 22, 25 und 26, welche nur über die Membranrohre 20 über die Membran miteinander verbunden sind. Da nur der mittlere Filtrationsabschnitt 22 einen Permeatabzug 27 besitzt, stellt sich in den übrigen beiden Randabschnitten 25 und 26 der im Membranfiltermodul 11 herrschende Druck ein. Dieser wird mit Drucksensoren 28 gemessen und dient zur Bestimmung des Druckverlusts Δp welcher sich aufgrund des Reibungswiderstandes der Suspension 40 beim Durchtritt durch die Membranrohre 20 ergibt. In den Randabschnitten 25 und 26 befinden sich wie auch im Filtrationsabschnitt 22 Ventile 29 zur Entlüftung.
Die Beschreibung des Membranfiltermoduls 11 ist lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. Insbesondere sind natürlich auch noch andere Methoden zur Aufteilung des Membranfiltermoduls 11 in Abschnitte denkbar und in dieser Beschreibung umfasst.
Steht ein dermaßen ausgeführtes Filtrationsmodul zur Druckmessung nicht zur Verfügung, muss in periodischen Abständen die Viskosität der zu filtrierenden Suspension 40 festgestellt werden und mittels einer empirisch erstellten Funktion, welche Modulgeometrie, Filterkuchenaufbau bei unterschiedlichem Permeatflux, und Viskosität berücksichtigt die einzubringende Luftmenge an die jeweilige Überströmgeschwindigkeit angepasst werden.
Der Begasungsmodul 7 nach einer möglichen Ausführungsvariante, wie in Fig. 4, Fig. 5a und Fig. 5b dargestellt, zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Vielzahl paralleler, in einer Ebene, symmetrisch angeordnete Stützrohre 5 aufweist, über die entlang der suspensionsberührten Länge, also der Länge zwischen den Rohrwänden des Begasungsmoduls 7, elastische, perforierte Schläuche 16 aufgezogen und durch Schlauchschellen 13 an den Stützrohren befestigt sind. Wird jetzt Gas unter einem Überdruck über die Gaszufuhr 1 , der Verteilerdose 2 und den Verteilerschläuchen 4 in das Stützrohr 5 eingebracht, so tritt das Gas durch eine Öffnung 14 im Stützrohr 5 in den Raum zwischen Stützrohr und elastischem, perforierten Schlauch 16 ein, wodurch sich der
Schlauch 16 ausdehnt und das Gas aus den sich öffnenden Perforationen austritt. Wird die Gaszufuhr unterbrochen, legt sich der Schlauch 16 sofort wieder an das Stützrohr an, womit die Perforationen wieder geschlossen sind. Durch diesen Mechanismus wird verhindert, dass sich die feinen Perforationen durch Schmutz verblocken, wodurch die Begasungsfunktion gewährleistet bleibt.
Die Stützrohre 5 sind durch Verankerungen 6 im Begasungsmodul 7 verankert und an dem der Gaszufuhr abgewandten Ende durch gerade Einschraubverschraubungen 9 verschlossen.
Der Begasungsmodul ist entweder mittels einer Flanschverbindung 3, einer Klemmenverbindung 10 oder einer Schraubverbindung 31 direkt unterhalb des Membranfiltermoduls 11 befestigt.
Der Begasungsmodul 7 nach einer weiteren möglichen Ausführungsvariante, wie in Fig. 6a bis 6c dargestellt, ist mit einer durchströmbaren zylindrischen Ausnehmung aufgebaut und weist zwei Ebenen mit je acht parallel zueinander angeordneten Stützrohren 5 auf, wobei die Stützrohre 5 unterschiedlicher Ebenen normal zueinander angeordnet sind. Gas wird pro Ebene über eine eigene Verteilerdose 2 zugeführt. Die Verteilerdose 2 ist am Begasungsmodul 7 mittels Schrauben 61 und Flachdichtungen 62 angebracht und umschließt die Öffnungen 14 der Stützrohre 5, die hier in als Einschraubverschraubungen ausgebildeten Verankerungen 6 im Begasungsmodul 7 befestigt sind. Die Stützrohre werden am anderen Ende durch Blindstopfen 63 verschlossen. Pro Stützrohr sind drei Porenreihen vorgesehen, die in Längsrichtung der Stützrohre verlaufen und um jeweils 120° gegeneinander versetzt sind. Dabei sind eine Porenreihe an der Oberseite, welche dem Membranfiltermodul 11 zugewandt ist, und zwei Porenreihen an der Unterseite des Stützrohres angebracht. Die Poren sind 4mm breit und schlitzförmig, in einem Abstand von 15 mm zueinander angeordnet, wodurch ein geringerer Strömungswiderstand bei der Begasung bewirkt wird.
Durch die gekreuzte Anordnung der Stützrohre wird im Betrieb eine höhere Linearisierung der Strömung erzielt.
Der Begasungsmodul 7 ist hier mittels einer Klemmenverbindung am Membranfiltermodul 11 befestigt, es kann aber auch mittels einer Flanschverbindung oder einer Schraubverbindung direkt unterhalb des Membranfiltermoduls 11 befestigt sein.
Die Fig. 6b zeigt die Seitenansicht des Begasungsmoduls 7 ohne Verteilerdose 2, die Fig. 6c zeigt einen entsprechenden Schnitt durch das Begasungsmodul 7 mit montierter Verteilerdose 2 und Gaszufuhr 1. Das Begasungsmodul ist mit einer Kupplung 64 zum Verbinden mit den angrenzenden Teilen ausgestattet.
Zur Steigerung der Laufzeit und des Wirkungsgrades sind für das Filtrationsverfahren während des normalen Betriebes zweckmäßigerweise verschiedene Reinigungsprozeduren vorgesehen.
Um einen wirkungsvollen Austrag des Filterkuchens aus den Membranrohren 20 zu gewährleisten kann in periodischen Zeitabständen die Permeatproduktion unterbunden werden. Der Transmembrandruck ist in diesem Betriebszustand Null wodurch der Filterkuchen von der turbulenten Überströmung langsam von der Membranoberfläche abtragen wird. Ein Vorteil dieses Reinigungsverfahrens ist der geringe Aufwand betreffend der Energiekosten und der Anlagenkomponenten. Zusätzlich kann es als vorteilhaft angesehen werden, dass kein Permeat 30 für Spülzwecke verloren geht. Stellt die zu filtrierende Suspension 40 einen biologischen Schlamm dar, so tendieren in diesem gewissen Gruppen von Mikroorganismen zur Ansiedlung auf den Membranoberflächen. Mittels Schleimen findet eine Anbindung an die Membranoberflächen oder in die Membranporen statt. Diese Immobilisierung führt bei dem betreffenden Mikroorganismus zu einem Selektionsvorteil. Durch den Verlust von freien Membranporen geht die Membranpermeabilität zurück. Zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Permeatfluxes muß dann der Transmembrandruck erhöht werden. Je länger die Kontaktzeit zwischen Mikroorganismus und Membranoberfläche, desto stärker findet sogenanntes biologische Fouling statt. Für einen störungsfreien Betrieb erweist es sich daher als zweckmäßig, in periodischen Zeitabständen, Permeat 30 gegen die Produktionsrichtung durch die Membran zu pressen. Dadurch wird der Filterkuchen wirkungsvoll von der Membranoberfläche abgehoben und vom Rezirkulationsstrom aus den Membranrohren 20 ausgetragen.
Um den Betrieb der Vorrichtung an Durchsatzschwankungen anpassen zu können, ist vorgesehen, dass eine in Abhängigkeit von der Menge der zugeführten, zu filtrierenden Suspension 40 reagierende Reinigungsprozedur vorgesehen ist. Im Falle einer massiven Beaufschlagung des Membranfiltermoduls 11 kommt es zu einer starken Anlagerung von Feststoffen auf der Membranoberfläche. Durch ungenügenden Austrag der Feststoffe aus den Membranröhren 20 kann es zu einer völligen Verschließung derselben kommen. Für einen störungsfreien Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in einer Phase der Überproduktion die Überströmgeschwindigkeit in den Membranröhren 20 durch einen oder mehrere getaktete Luftstöße in die Eintrittsöffnung des Membranfiltermoduls 11 angehoben werden. Dieser Luftstoß, und die damit verbundene Druckwelle durch die Membranrohre 20, erweist sich als sehr effektiv um Verblockungen von Membranrohren 20 zu verhindern. Aufgrund des Druckanstieges im Membranfiltermodul 11 kommt es jedoch auch zu einer kurzfristigen Permeatfluxsteigerung. Dadurch werden Feststoffe mit großem Druck in die Membranporen verfrachtet, was sich langfristig negativ auf die Permeabilität auswirkt. Mit besonderen Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren des Luftstoßes daher nur bei gleichzeitigem Rückspülen von Permeat 30 durch die Membranoberfläche mittels der Rückspülpumpe 49 durchgeführt. Der Filterkuchen wird dadurch gleichzeitig wirkungsvoll von der Membranoberfläche abgehoben und durch den Luftstoß aus den Membranrohren 20 ausgetragen.
In einem weiteren Reinigungsverfahren kann im Falle einer massiven Beaufschlagung der Filtereinrichtung die Überströmgeschwindigkeit in den Membranrohren 20 durch Anheben der Überströmgeschwindigkeit mittels Rezirkulationspumpe oder Entspannung eines Druckkessels angehoben werden. Diese Anhebung der Überströmung und die damit verbundene Druckwelle durch die Membranrohre 20 erweist sich ebenfalls als sehr effektiv um Verblockungen von Membranrohren 20 zu verhindern. Mit besonderen Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren der kurzfristig gesteigerten Überströmgeschwindigkeit bei gleichzeitigem Rückspülen von Permeat 30 durch die Membranoberfläche mittels der Rückspülpumpe 49 durchgeführt.
Für einen sehr wirkungsvollen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in Phasen der massiven Überbeanspruchung der Filtrationseinheit der Luftstoß gleichzeitig mit der Anhebung der Überströmgeschwindigkeit durch eine Druckwelle, bzw. durch eine beliebige andere Kombination von Reinigungsverfahren, durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Membranfilteranlage zum Filtern einer Suspension mit zumindest einem Behälter (41) für die zu filternde Suspension, einer Vorrichtung zur Begasung (7) der Suspension, einem in Strömungsrichtung durchströmten Membranfiltermodul (11), das in Strömungsrichtung nach der Vorrichtung zur Begasung (7) angeordnet ist, einer Einrichtung zur Abfuhr des durch die Filterung gewonnen Permeats (30), sowie einer Einrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe (42), die die zu filternde Suspension durch die Membranfilteranlage fördert, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Begasung (7) als durchströmbare, verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit (7) ausgebildet ist.
2. Membranfilteranlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schlauchbegasungseinheit (7) in Strömungsrichtung unmittelbar vor dem Membranfiltermodul (11) angeordnet ist, die dem Membranfiltermodul (11) zugewandte Seite der Schlauchbegasungseinheit (7) über eine lösbare Verbindung (3, 10, 31) am Membranfiltermodul (11) befestigt ist und die dem Membranfiltermodul (11) abgewandte Seite der Schlauchbegasungseinheit (7) mittels lösbarer Verbindung (3, 10, 31 ) mit einem die Suspension zuführenden Strömungsrohr (8) verbunden ist.
3. Membranfilteranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schlauchbegasungseinheit (7) mehrere, in zumindest einer Ebene jeweils parallel angeordnete Stützrohre (5) enthalten sind, über die entlang der suspensionsberührten Länge ein perforierter, elastischer Schlauch (16) aufgezogen ist.
4. Membranfilteranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ebenen von Stützrohren (5) parallel zueinander angeordnet sind und die Stützrohre (5) einer Ebene normal zu den Stützrohren (5) der anderen Ebene angeordnet sind.
5. Membranfilteranlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) über den Querschnitt der Schlauchbegasungseinheit (7) symmetrisch angeordnet sind.
6. Membranfilteranlage nach Anspruch 3, 4, oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) in der Schlauchbegasungseinheit (7) verankert sind.
7. Membranfilteranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verankerungen (6) der Stützrohre (5) außerhalb der Schlauchbegasungseinheit (7) angeordnet sind.
8. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) mit einer Öffnung (14) versehen sind, durch die das Gas in den
Raum zwischen Stützrohr (5) und perforierten, elastischen Schlauch (16) einbringbar ist.
9. Membranfilteranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (14) unmittelbar außerhalb der Wand der Schlauchbegasungseinheit (7) angeordnet ist.
10. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierten, elastischen Schläuche (16) jeweils an den Enden der Stützrohre (5) gasdicht und wasserdicht auf den Stützrohren (5) befestigt sind.
11. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierten, elastischen Schläuche (16) nur entlang der Strecke zwischen den beiden Innenseiten der Wände der Schlauchbegasungseinheit (7) perforiert sind.
12. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre (5) an ihren der Gaszufuhr abgewandten Enden wasserdicht und gasdicht verschlossen sind.
13. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrohre durch eine gemeinsame Verteilerdose (2) und Zuleitungsschläuche (4) durch einen Kompressor (51) mit Gas, insbesondere Luft, versorgt sind.
14. Verfahren zum Filtern einer Suspension (40) in einer Membranfilteranlage, bei dem die zu filternde Suspension (40) durch ein Membranfiltermodul (11) befördert wird und vor Eintritt in den Membranfiltermodul (11) begast wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension (40) so begast wird, dass der Druckunterschied Δp zwischen Eintritt (32) und Austritt (33) des Membranfiltermoduls (11), nach Berücksichtigung des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeitssäule der Suspension (40) im Membranfiltermodul (11), gleich Null wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Druckunterschieds Δp die Drücke am Eintritt (32) und am Austritt (33) des Membranfiltermoduls (11) gemessenen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung des Membranfiltermoduls (11) in periodischen Zeitabständen die Permeatproduktion unterbunden wird und somit der Filterkuchen von der turbulenten Überströmung von der Membranoberfläche abgetragen wird.
17. Membranfilteranlage zum Filtern einer Suspension mit zumindest einem Behälter (41) für die zu filternde Suspension (40), einer Vorrichtung zur Begasung (7) der Suspension (40), einem in Strömungsrichtung durchströmten Membranfiltermodul (11), das in
Strömungsrichtung nach der Vorrichtung zur Begasung (7) angeordnet ist, einer Einrichtung zur Abfuhr des durch die Filterung gewonnen Permeats (30), sowie einer Einrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe (42), die die zu filternde Suspension (40) durch die Membranfilteranlage fördert, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfiltermodul (11) so ausgebildet ist, dass zumindest eine Druckmesseinrichtung (28) zur Messung des
Druckunterschieds Δp zwischen Eintritt (32) und Austritt (33) des Membranfiltermoduls (11) anordenbar ist, und dass die Druckmesseinrichtung (28) mit einer Steuerung der Vorrichtung zur Begasung (7) verbundenen ist.
18. Membranfilteranlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfiltermodul (11) in axialer Richtung in zumindest drei permeatseitig abgedichtete Abschnitte (22, 25, 26), nämlich zumindest einen Filtrationsabschnitt (22) und zumindest zwei Randabschnitte (25, 26) zur Druckmessung, geteilt ist und in jedem Randabschnitt zumindest eine Druckmesseinrichtung (28) vorgesehen ist.
19. Membranfilteranlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abteilung des Membranfiltermoduls (11) Lochscheiben (23) vorgesehen sind.
20. Membranfilteranlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Abschnitten zwei übereinander angeordneten Lochscheiben (23) angeordnet sind, deren Zwischenraum mit einem geeigneten Mittel (24), beispielsweise mit Kunstharz, ausgegossen ist.
21. Membranfilteranlage nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Enden des Membranfiltermoduls (11) je eine Lochscheibe (23) vorgesehen ist und dass der Raum zwischen der Lochscheibe (23) und der Stirnfläche des Membranfiltermoduls (11) mit einem geeigneten Mittel (24), beispielsweise mit Kunstharz, ausgegossen ist.
22. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass am Filtrationsabschnitt (22) des Membranfiltermoduls (11) eine Abzugvorrichtung (27) zur Abfuhr des Permeats (30) vorgesehen ist.
23. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass an allen drei Abschnitten (21 , 25, 26) zumindest eine Einrichtung zum Entlüften (29), vorzugsweise ein Lüftungsventil, vorgesehen ist.
24. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Begasungseinheit als verblockungssichere Schlauchbegasungseinheit (7) ausgebildet ist.
25. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere vor der Schlauchbegasungseinheit (7), eine Durchfiussmesseinheit (44) für die zugeführte Suspension (40) angeordnet ist und in Abhängigkeit von der gemessenen Durchflussmenge eine vorgegebene Überströmung im Membranfiltermodul (11) einstellbar ist.
26. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gaszuführungseinrichtung der Schlauchbegasungseinheit (7) eine Regelblende
(52) für zugeführtes Gas, vorzugsweise Luft, angeordnet ist, mit welcher in Abhängigkeit von den mit den Druckmesseinrichtungen (28) gemessenen Drücken die Menge des in den Membranfiltermodul (11) eingebrachten Gases so einstellbar ist, dass sich die Druckdifferenz zwischen Druck am Eintritt (32) und am Austritt (33) zu Null ergibt, Δp = 0.
27. Membranfilteranlage nach einem der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reinigung eine Rückspülpumpe (49) angeordnet ist, mit welcher bereits gewonnenes Permeat (30) über die Membranoberfläche in den Membranfiltermodul (11) rückspülbar ist.
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