EP4200063A1 - Monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane during filter operation - Google Patents

Monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane during filter operation

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Publication number
EP4200063A1
EP4200063A1 EP20841704.8A EP20841704A EP4200063A1 EP 4200063 A1 EP4200063 A1 EP 4200063A1 EP 20841704 A EP20841704 A EP 20841704A EP 4200063 A1 EP4200063 A1 EP 4200063A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
integrity
ultrafiltration
filtrate
prfv
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP20841704.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Arne Götzel
Marcel HAMMER
Michael KSOLL
Michael Reichelt
Danny RÖSLER
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.)
Wilo SE
Original Assignee
Wilo SE
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 Wilo SE filed Critical Wilo SE
Publication of EP4200063A1 publication Critical patent/EP4200063A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D65/00Accessories or auxiliary operations, in general, for separation processes or apparatus using semi-permeable membranes
    • B01D65/10Testing of membranes or membrane apparatus; Detecting or repairing leaks
    • B01D65/104Detection of leaks in membrane apparatus or modules
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D61/00Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/20Accessories; Auxiliary operations
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D61/00Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14Ultrafiltration; Microfiltration
    • B01D61/22Controlling or regulating
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2313/00Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/18Specific valves
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2313/00Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/19Specific flow restrictors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2315/00Details relating to the membrane module operation
    • B01D2315/18Time sequence of one or more process steps carried out periodically within one apparatus

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane in a filter module of an ultrafiltration system for drinking water treatment during its filter operation, the system having an untreated water inlet and a filtrate outlet, between which the filter module is located. Furthermore, the invention relates to an ultrafiltration system that is set up to carry out the method.
  • Ultrafiltration systems for drinking water supply in buildings with filter modules working in parallel are known per se. They are used where a central supply of water of potable quality is not possible or not permanently possible.
  • Residential and multi-family houses, hotels, hospitals, office buildings and public facilities are particularly noteworthy as buildings with such systems, which include a large number of water consumers such as washbasins, toilets, showers, bathtubs, etc. and therefore have extremely dynamic water consumption over the course of the day .
  • a cruise ship is also to be understood as a building in the sense of a mobile hotel.
  • Filter modules of an ultrafiltration system have an inlet connection on the raw water side for supplying raw water and an outlet connection on the filtrate side for supplying filtered water, referred to below as filtrate.
  • filtrate filtered water
  • filter membranes between the inlet and outlet connections, which filter out microorganisms and dirt particles in the raw water supplied.
  • the filter membrane(s) thus spatially separate the raw water side from the filtrate side. Regardless of the actual number of filter membranes in the module, only “one” is Filter membrane spoken in the singular, although also two or a multiplicity of
  • Filter membranes can/can be present.
  • the main integrity tests used are air based, as the wet filter membranes are impermeable to air depending on the level of pressure applied. Air can either be sucked out to create a vacuum or introduced as compressed air. This can be done locally, ie specifically for a specific filter module, or globally for all or part of the system, ie for several filter modules at the same time. Furthermore, this can be done either from the raw water side or from the filtrate side. It is then examined or measured whether and, if so, how large the pressure drop over the membrane or the filter modules over time in order to make a statement about the integrity. The level of the applied transmembrane pressure in a pressure drop test determines the minimum size of the detectable defect.
  • a pressure of 7 bar is required to check the retention of bacteria (0.45 ⁇ m) and a test pressure of 120 bar for viruses (25 nm). These high pressures cannot be achieved with conventional filter modules with, for example, a maximum permissible transmembrane pressure of 4 bar in terms of mechanical stability.
  • a standard transmembrane pressure of 1 bar for integrity testing is only sufficient to detect defects down to a minimum size of 3 pm. If a large number of filter modules are tested simultaneously, the natural diffusion of air through the intact membrane wall into the water medium and mini-leakage outside the membrane wall reduce the sensitivity of the pressure drop measurement.
  • a further disadvantage of this method is the not inconsiderable effort involved in carrying out the integrity test, because the filter module or modules must be emptied before the integrity test and then refilled. Some of the air also remains in the filter modules after the integrity test and reduces the filter efficiency. It must therefore be removed with an additional measure by appropriate venting.
  • Another disadvantage of air-based testing methods is the need to shut down all or part of the operation of the filtration system during the test. As a result, it then supplies little or no drinking water, which, depending on the location of the system, e.g. for hotels, is unacceptable, or allows the process to be used only outside of the main consumption time, i.e. at night.
  • An additional disadvantage is the technical effort required to carry out the process, since the system has to be equipped with the appropriate lines, valves and an oil-free compressed air supply, e.g. a compressor.
  • a very sensitive integrity monitoring method consists of injecting a defined dose of molecular or particulate markers into the raw water and checking whether and, if so, to what extent these markers appear on the filtrate side.
  • the molecular or particulate size of a marker is larger than the nominal pore size of the filter membrane, so that the marker does not reach the filtrate side, if the membrane is intact, or only to a minimal extent.
  • This method has the advantage that it can be used during filtration operations.
  • the method requires additional equipment for dosing and injection as well as additional sensors or subsequent laboratory analysis on the filtrate side in order to detect the presence of the marker in the filtrate.
  • the marker reduces the filter efficiency because it does not get through the filter membrane, but instead contributes to increased fouling of the membrane.
  • such a method is not permitted for drinking water, since the suitability for drinking of the water could be restricted by the marker.
  • TMP transmembrane pressure
  • an object of the present invention to provide a simple method for reliably monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane in a filter module during the Filter operation and can be used without interrupting it and uses only existing pressure sensors. Furthermore, it is the object of the invention to provide a corresponding ultrafiltration system for carrying out the method.
  • the method for monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane in a filter module of an ultrafiltration system for drinking water treatment during its filter operation provides that filtered drinking water flows from the filter module via a backflow preventer to the filtrate outlet, which has a known opening pressure with a filtrate flow, the pressure difference between the pressure determined in the raw water inlet and the pressure in the filtrate outlet and a loss of integrity is assumed if the pressure difference is below a limit value that is greater than the opening pressure. A comparison is thus made between the pressure difference and the limit value and a loss of integrity is assumed if the pressure difference is less than the limit value.
  • the core idea of the invention is therefore to connect the filter module or modules of the ultrafiltration system via a backflow preventer to the filtrate line, which directs the filtrate to the consumers.
  • the filter module and the backflow preventer are therefore connected in series.
  • the backflow preventer only allows a volume flow in the direction of the filtrate line. For structural reasons, it only opens above a certain opening pressure. It then forms hydraulic resistance during the flow of filtrate, so that a pressure drop equal to said opening pressure occurs across it. This is regularly perceived as a disadvantage because attempts are always made to avoid hydraulic resistance in order to minimize hydraulic losses and maximize efficiency.
  • the invention uses the opening pressure of or the pressure loss at the backflow preventer as an advantage in order to determine whether something is flowing through it or the filter module.
  • a filtrate flow is determined via the pressure.
  • the pressure drop across the system is considered, more precisely, the pressure difference between the inlet and outlet, between which the at least one filter membrane to be monitored is located.
  • the opening pressure of the non-return valve contributes to this pressure difference in every operating state with water extraction, so that it can be evaluated as to whether the non-return valve, and thus also the filter module, is being flown through.
  • TMP transmembrane pressure
  • the filter membrane If the integrity of the filter membrane has been lost due to significant defects, such as cracks, larger pores or several severed hollow fibers, it has no hydraulic resistance or the filter module only has a negligibly low hydraulic resistance, so that the transmembrane pressure is zero. As a result, the pressure drop across the system is only in the range of the opening pressure of the non-return valve. Consequently, the finding that the pressure difference between the pressure in the raw water inlet and the pressure in the filtrate outlet is in the range of this opening pressure is an indication of a loss of integrity of the filter membrane.
  • the integrity test method according to the invention requires less effort than other test methods. It is not air-based, so there is no need to perform a drain, refill and bleed of the filter module, nor does it use a marker. Furthermore, neither a special nor an additional sensor or measurement technology is required in the system. Rather, a pressure determination in the inlet line and the is sufficient to carry out the method Filtrate line, which is usually already implemented in conventional ultrafiltration systems for their control.
  • Another advantage of the method is that the integrity monitoring can be performed continuously and not at specific times (1-2 times a day) as in air-based methods or prior art use of markers. A significant membrane defect can thus be detected immediately and the contamination caused by it can be minimized. Finally, the method according to the invention can be carried out during filter operation, which does not have to be stopped for this purpose. This means that the supply of drinking water is not interrupted. At the same time, integrity monitoring is also uninterrupted.
  • the filter module can have one, two or more filter membranes, preferably a large number of hollow fiber membranes.
  • the ultrafiltration system can have one, two or more parallel filter modules, which are each connected to the filtrate outlet or the filtrate line via a backflow preventer.
  • the filter modules are preferably connected together to form groups. For example, two, three or more groups of two, three or more parallel filter modules can be located in parallel.
  • the raw water inlet of the system is at the same time the raw water inlet of the groups or the filter modules.
  • the filtrate outlet of the system is at the same time the filtrate outlet of the groups or the filter modules.
  • the filter membranes, filter modules or groups are always between the raw water inlet and the filtrate outlet.
  • a known opening pressure is a nominal opening pressure specified by the manufacturer for the non-return valve.
  • this terminology takes into account the fact that a physical quantity never exactly reaches a specific value when measured in practice.
  • the actual opening pressure is not identical, even in the case of identical non-return valves, rather it varies.
  • the temperature of the water also plays a role, or rather its temperature-dependent density and dynamic viscosity, so that the actual Opening pressure of the non-return valve fluctuates compared to the nominal value. For this reason, a limit value is used as a decision criterion according to the invention, which takes into account the scatter and temperature-related fluctuation of the opening pressure and is therefore greater than the opening pressure.
  • the limit is at most 20% above the known cracking pressure.
  • the limit may be 20%, 10%, or 5% above the known cracking pressure. It thus forms the upper limit of a possible fluctuation range of the opening pressure. This fluctuation range is to be understood as the "range of the opening pressure".
  • the first-mentioned limit value to form an upper limit of a tolerance band, the lower limit of which is defined by a further limit value, with the loss of integrity being assumed only if the pressure difference lies within the tolerance band.
  • the double comparison is made as to whether the pressure difference is greater than the further limit value and smaller than the first limit value.
  • the further limit value is preferably at most 20% below the opening pressure.
  • the further limit value can be 20%, 10% or 5% less than the known opening pressure.
  • a time duration can be taken into account in addition to the pressure comparison, for which the pressure difference may be below the first-mentioned limit value. Provision can thus be made for a loss of integrity to be assumed only if the value falls below the limit value for at least a predetermined period of time. This determination can be realized, for example, with the help of a counter, which is started when the limit value is undershot and, when a counter reading corresponding to the duration of time is reached, a message about exceeding the permissible limit value outputs time duration.
  • the counter can be an up counter (stopwatch) or a down counter (countdown).
  • the duration can be between 5 and 20 minutes, for example.
  • the duration As an additional decision criterion, it makes sense to differentiate between the times of day, since the characteristics of water consumption change significantly over the course of the day. So there is either no or only minimal water withdrawal at night. In contrast, water withdrawal during the day is high on average and changes very dynamically. This is the main consumption time. The fact that very low volume flows occur during the main consumption time is rather improbable, but at least more improbable than an occurrence outside the main consumption time, especially at night. against this background, in order to quickly identify a loss of integrity, the duration of falling below the limit value used as a further decision criterion for a loss of integrity can be shorter for the main usage time than outside of the main usage time.
  • the loss of integrity is assumed when the limit value is not reached during a main consumption time for a first predetermined time period or outside of the main consumption time for a second predetermined time period, the second time period being longer than the first time period .
  • the duration during the main usage time can be between 5 and 10 minutes and thus form a first duration. Outside of the main consumption time, it can be between 15 and 20 minutes and thus be a second duration.
  • the period between 6 a.m. and 6 p.m. can be regarded as the main consumption time.
  • the period outside of the main consumption time hereinafter also referred to as secondary consumption time, is then between 6 p.m. and 6 a.m.
  • a warning message can be issued if the loss of integrity is accepted. This can be done with an acoustic, visual or electronic warning signal. If necessary, an electronic message can also be sent (SMS, e-mail).
  • the invention also relates to an ultrafiltration system for drinking water treatment, comprising at least one filter module with an ultrafiltration membrane, an untreated water inlet and a filtrate outlet, between which the filter module is located. It comprises a backflow preventer between the filter module and the filtrate outlet, a sensor system for determining the pressure difference between the pressure in the raw water inlet and the pressure in the filtrate outlet and a monitoring unit for monitoring the integrity of the ultrafiltration membrane, the monitoring unit being set up to carry out the method described above according to the invention .
  • the sensors can be a pressure sensor in the raw water inlet and in the filtrate outlet.
  • the monitoring unit can be a PLC (programmable logic controller) or a microcomputer.
  • FIG. 1 an ultrafiltration system according to the invention
  • FIG. 3 a flow chart of the method according to the invention
  • FIG 1 shows an ultrafiltration system 1 for drinking water treatment using three parallel ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c.
  • only one ultrafiltration module or two or more than three parallel ultrafiltration modules can be present.
  • each of these ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c can represent a group formed from two or more parallel ultrafiltration modules. Each group can be understood as an ultrafiltration unit.
  • all ultrafiltration units preferably have the same number of ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c.
  • the ultrafiltration modules of the same ultrafiltration unit can be structurally combined in a common holder, also called a rack.
  • the ultrafiltration system 1 can have two, three or more ultrafiltration units or racks in one embodiment variant, which are hydraulically connected in parallel to one another. It makes sense for all ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c to be structurally identical.
  • the ultrafiltration system 1 is fed from a source 20 with raw water.
  • This source 20 may be a local water utility or a local water reservoir such as a tank or cistern.
  • a central supply line 2 which forms the raw water inlet here, connects the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c to the source 20, with a pressure booster system 21 being arranged in the supply line 2 in order to provide an inlet pressure Pzu of, for example, 10 bar on the inlet side of the ultrafiltration system 1 .
  • the latter is necessary above all in tall buildings and/or extensive drinking water distribution networks within the building, since even the supply pressure provided by any supplier alone is not sufficient to ensure sufficient flow pressure, e.g. 2 bar, at the highest or most distant tapping points or consumers to guarantee.
  • the pressure boosting system is only symbolized by a pump 21 here.
  • a local supply line 2a, 2b, 2c in each of which an inlet valve Za, Zb, Zc lies.
  • the local supply lines 2a, 2b, 2c each end at inlet connections 4au, 4ao, which open into an untreated water side 5a of the corresponding ultrafiltration module 3a, 3b, 3c.
  • inlet connections 4au, 4ao instead of the two inlet connections 4au, 4ao, only one inlet connection can also be present in another embodiment variant.
  • the raw water side 5a is separated from the filtrate side 5b by at least one ultrafiltration membrane 6, from which an outlet connection 4bo leads out.
  • the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c are connected via a respective local filtrate line 8a, 8b, 8c, starting from the outflow connection 4bo, to a central filtrate line 8, which leads to the consumers 40.
  • the filtrate line 8 thus forms a filtrate outlet here.
  • Consumers 40 can be washbasin fittings, toilets, showers, tubs, etc., for example.
  • the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c produce filtrate from the raw water, in that the raw water passes through the membrane 6 and particles in the raw water remain adhering to the raw water side 5a or to the membrane 6.
  • the water or filtrate permeated to the filtrate side 5b is conducted through the local filtrate lines 8a, 8b, 8c to the central filtrate line 8, which then forwards the filtrate to the consumers 40.
  • each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c can be operated independently of the other ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c in a backwash operation, in which the filter membrane 6 is flown through backwards, ie from the filtrate side 5b to the raw water side 5a.
  • the filtrate used for this comes from at least one of the other ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c.
  • each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c is connected via a local retentate line 7a, 7b, 7c, in which there is a retentate valve Ra, Rb, Rc , Connected to a central retentate line 7, which leads to a free outlet 30 where the retentate is deposited.
  • a volume meter 17 also known colloquially as a water meter or water meter.
  • the determination of which ultrafiltration module should filter at a time and which should be cleaned by backwashing is done by setting the inlet valves Za, Zb, Zc and the retentate valves Ra, Rb, Rc, these valves being related to each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c be controlled inverted.
  • the inlet valve Za, Zb, Zc assigned to an ultrafiltration module 3a, 3b, 3c is open, while the retentate valve Ra, Rb, Rc assigned to it is closed, and vice versa.
  • all three ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c deliver filtrate. So you are in filtration mode.
  • the arrows on the various lines and within the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c indicate the respective direction of flow.
  • the valve positions are thus as follows:
  • the advantage of such an ultrafiltration system 1 is that backwashing of the individual ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c can take place during operation of the ultrafiltration system 1, i.e. while filtrate is being delivered to the consumers 20, so that they experience no or at least no significant impairment. There is therefore no standstill or interruption of the filtrate delivery to the consumers 20. Furthermore, the ultrafiltration system 1 according to the invention does not require a backwash tank and a backwash pump, which reduces the complexity and costs of producing it.
  • a special feature of the ultrafiltration system according to the invention in Figure 1 is that each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c not only on the local filtrate line 8a, 8b, 8c, but also via a second line 8', 8a', 8b', 8c' parallel thereto to the central filtrate line 8.
  • the second lines each consist of a module-related, first section 8a′, 8b′, 8c′, which combine to form a common second section 8′, which then opens into the central filtrate line 8 .
  • the second lines 8', 8a', 8b', 8c' are from this common section 8' connected to the filtrate line 8 and from individual lines 8a', 8b', 8c outgoing to the individual ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c ' educated. While the local filtrate lines 8a, 8b, 8c serve to discharge the filtrate in filtration operation, the second lines 8', 8a', 8b', 8c' are provided for a filtrate feed line in backwash operation. For example, filtrate from two of the ultrafiltration modules 3b, 3c can be fed to the third ultrafiltration module 3a via the corresponding second line 8', 8a' of the filtrate side 5b.
  • a pressure reducing element in particular a pressure reducer, in the common section 8' of the second lines 8', 8a', 8b', 8c' 10 arranged.
  • flushing valve Sa, Sb, Sc in each of the individual lines 8a', 8b', 8c' in order to separate the pressure-unreduced filtrate side 5b of the ultrafiltration modules 3b, 3c supplying the filtrate from the filtrate side 5b of the ultrafiltration module 3a to be backflushed , since the pressure reducing member 10 is otherwise bypassed.
  • the flushing valves Sa, Sb, Sc can be designed identically to the inlet valves Za, Zb, Zc, the retentate valves Ra, Rb, Rc and/or the filtrate valves Fa, Fb, Fc.
  • the flushing valves Sa, Sb, Sc are formed by non-return valves.
  • the inlet valves Za, Zb, Zc and/or retentate valves Ra, Rb, Rc can be controlled, in particular switchable (open/closed) or adjustable (0...100%) control valves which are actuated, for example, electrically, electromagnetically or pneumatically will.
  • the control valves are controllable engine valves.
  • the filtrate valves Fa, Fb, Fc are formed by non-return valves. This has the advantage that no active activation of the filtrate valves Fa, Fb, Fc is required.
  • This design also makes use of the fact that the local filtrate lines 8a, 8b, 8c and the second lines 8a', 8b', 8c' are or may only be flowed through in one direction, depending on the operating case "filtering" or " Backwash” alternative.
  • the non-return valves Fa, Fb, Fc allow flow in only one direction due to their directional nature, they are particularly suitable for the ultrafiltration system 1 according to the invention. They are arranged in the local filtrate lines 8a, 8b, 8c in such a way that their input side is connected to the corresponding ultrafiltration module 3a, 3b, 3c and their output side is connected to the central filtrate line 8.
  • the corresponding non-return valve Fa, Fb, Fc opens independently of the volume flow.
  • This opening pressure PRFV is, for example, approx. 0.3 bar even for the smallest volume flows. From this property, which is perceived as disadvantageous in professional circles, the advantage arises within the scope of the present invention that the backflow preventers Fa, Fb, Fc can be used as flow indicators. While the opening pressure of normal backflow preventers is above the measuring tolerance of simple and inexpensive pressure sensors and can therefore be reliably detected, minimal volume flows can only be measured with special, expensive volume flow sensors.
  • backflow preventers Fa, Fb, Fc between the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c and the central filtrate line 8 eliminates the need for a volume flow rate detection for a flow indication. Rather, it allows the pressure difference across the series connection of ultrafiltration module 3a, 3b, 3c and associated Backflow preventer Fa, Fb, Fc a statement about an opening or non-opening of the backflow preventer Fa, Fb, Fc and thus also a statement about the flow or non-flow of filtrate even with the smallest volume flows. This in turn opens up the possibility of recognizing whether and when the ultrafiltration membrane 6 is damaged, ie has lost its integrity.
  • the thickness of the lines in FIG. 1 symbolizes the pressure on the corresponding water-carrying line, the pressure being greater the thicker the line is.
  • the dashed lines carry no water in the operating case shown, because the corresponding valve is closed.
  • the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c are formed from an elongate, essentially cylindrical housing. They each have a large number of hollow fiber membranes 6 between the raw water side 5a and the filtrate side 5b, with the interior of the hollow fiber membranes belonging to the raw water side 5a and the space outside the hollow fiber membranes 6 to the filtrate side 5b in this embodiment variant.
  • Each of the two sides 5a, 5b has the two connections already mentioned, which are each arranged on opposite axial ends of the housing.
  • each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c thus has a lower inlet connection 4au and an upper inlet connection 4ao each for the raw water side 5a, as well as an upper outlet connection 4bo and a lower inlet connection 4bu each for the filtrate side 5b there.
  • the ultrafiltration system 1 also includes an inlet pressure sensor 11 for measuring the inlet pressure Pzu in the supply line 2 and an outlet pressure sensor 12 for measuring the outlet pressure Pab in the central filtrate line 8.
  • another pressure sensor 14 is connected to the common section 8' of the second line 8 ', 8a, 8b, 8c connected to measure the backwash pressure PSP.
  • the measurement signals from these pressure sensors 11 , 12 , 14 are fed to a system controller 9 .
  • This comprises an evaluation unit 13 and a monitoring unit 16 in the form of functional units.
  • the pressure difference APAN is then fed to the monitoring unit 16 in order to evaluate it to determine whether there is a loss of integrity in an ultrafiltration membrane 6 of one of the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c.
  • FIG. 2 illustrates various operating cases A, B, C and D of the ultrafiltration system 1, in which the volume flow Q on the one hand and the pressure difference APAN on the other hand are considered.
  • operating case A no drinking water is drawn off.
  • the pressure Pab in the central filtrate line 8 is identical to the pressure Pzu in the central supply line 2, so that the pressure difference APAN is zero, i.e. no pressure drop across the system.
  • no membrane defect can be detected in this state, no raw water then flows unfiltered through the membrane 6.
  • the secondary consumption time is the period outside of the main consumption time. Essentially, the main consumption time coincides with the day and the secondary consumption time with the night. For example, the main usage time is between 6 a.m. and 6 p.m., the secondary usage time is between 6 p.m. and 6 a.m.
  • Operating case C represents the main operating case during the day.
  • the TMP together with the opening pressure PRFV of the backflow preventer Fa, Fb, Fc forms the Pressure drop APAN across the system 1 .
  • the pressure drop across each of the series circuits of ultrafiltration module and backflow preventer 3a + Fa, 3b + Fb, 3c + Fc is equal to the pressure drop APAN across the system 1, so that considering one of the series circuits is sufficient .
  • Other pressure drops, for example due to pipe friction losses, are negligibly small and are not taken into account here for the sake of simplicity.
  • the calculated pressure difference PAN is divided between the TMP PTMP and the opening pressure PRFV, so that:
  • the pressure difference PAN is thus significantly greater than the opening pressure PRFV of the non-return valve Fa, Fb, Fc.
  • the integrity is OK.
  • the integrity of the filter membrane 6 has been lost (here it is sufficient if just one of several membranes 6 in the filter module 3a, 3b, 3c is damaged). It has no hydraulic resistance, or the filter module 3a, 3b, 3c only has a negligibly small hydraulic resistance, so that the TMP PTMP is approximately equal to zero.
  • the nominal opening pressure PRFV is around 0.3 bar.
  • production-related tolerances and temperature influences allow this to vary in practice.
  • a tolerance T of ⁇ 10% can be taken into account, which defines a tolerance band 15 around the nominal opening pressure PRFV with an upper limit of the value PRFV+T and a lower limit of the value PRFV ⁇ T.
  • a limit value PRFV+T which corresponds to the upper limit of the tolerance band 15, is used to determine a loss of integrity.
  • a higher value between the upper limit and the sum of the nominal opening pressure PRFV and TMP with a clean membrane 6 can also be used.
  • a counter is started when the limit value is not reached in order to check how long this condition lasts. If a certain period of time T1, e.g. 5 minutes, is exceeded, a loss of integrity can be assumed with certainty.
  • Operating case B relates to consumption outside of the main consumption time, especially at night, which is usually characterized by no or minimal water withdrawal. It is therefore more the case here that the pressure difference PAN is in the range of the opening pressure PRFV.
  • a counter timer is also started here when the limit value is undershot in order to check how long this state lasts. If a certain period of time T2, e.g. 15 minutes, is exceeded, a loss of integrity can be assumed with certainty.
  • the time duration T1 is selected to be shorter than the time duration T2, because due to the usually high water withdrawal and strong dynamics in the main consumption time, a minimum volume flow or a pressure difference APAN across the system 1 in the range of the opening pressure PRFV of the backflow preventer Fa, Fb, Fc should only be available for a short time.
  • FIG. 3 illustrates the process sequence of the integrity monitoring according to the invention during filter operation of the ultrafiltration system 1. The process can even be carried out when the system 1 is backwashing one of the filter modules 3a, 3b, 3c.
  • step S1 The method thus begins in the filtration mode, step S1.
  • the calculated pressure difference PAN is made available to the monitoring unit 16, which checks the pressure difference APAN to see whether it lies between an upper and a lower limit value, in particular within the tolerance band 15, step S3.
  • the upper limit here corresponds to the opening pressure PRFV of the non-return valve Fa, Fb, Fc plus a tolerance T, e.g. +10%. However, it can also be higher, as previously described.
  • the lower limit here corresponds to the opening pressure PRFV of the non-return valve Fa, Fb, Fc minus a tolerance T, e.g. +10%. However, it can also be lower or even be zero.
  • the pressure difference APAN is compared with the upper limit value, more precisely, a check is made as to whether the pressure difference APAN is below the upper limit value.
  • the comparison of the pressure difference APAN with the lower limit value that takes place in the second sub-step, more precisely the check as to whether the pressure difference APAN is above the lower limit value, serves to distinguish the integrity error from operating case A, ie the case of no water withdrawal.
  • the second comparison can thus be viewed as a verification of the “integrity error” assumption from the first comparison.
  • the second sub-step can also consist of checking whether the pressure difference APAN is greater than zero. If the pressure difference APAN is above the upper limit value or below the lower limit value, then the integrity of the membrane 6 is OK (no branch) and the determination “no loss of integrity” is made in step S9.
  • step S4 If the pressure difference PAN is between the upper and lower limit values, a further check is made as to whether the main consumption time is currently present, step S4. If this is the case, the method continues with step S5 (yes branch), otherwise with step S8 (no branch). In the case differentiation in step S4, it is only decided which duration T1 is to be taken into account for the main consumption time or T2 for the secondary consumption time in the subsequent step S5, S8.
  • step S5 For the duration T1, in step S8 for the duration T2. More precisely, in these steps S5, S8 a counter is first started and then step S2 and the test are repeated and carried out alternately as to whether the pressure difference APAN remains below the upper limit value until the corresponding duration T1, T2 is reached. If the pressure difference APAN rises above the upper limit value again within the corresponding period T1, T2 (no branch of S5, S8), the brief undershooting of the upper limit value was merely the result of minimal water removal and there is no loss of integrity, step S9. The method is then continued again at the beginning at step S1, since the integrity monitoring is continuously active in the filtration operation.
  • a loss of integrity can thus be reliably detected for each of the filtration operations in a simple manner. It should be noted that the method described only establishes that or if there is a loss of integrity in any membrane 6 of an ultrafiltration module 3a, 3b, 3c. In order to find out where or in which filter module 3a, 3b, 3c this is the case, these can be taken out of operation one after the other by closing the inlet valves Za, Zb, Zc one after the other. If the inlet valves Za, Zb, Zc of that ultrafiltration module 3a, 3b, 3c that has the defective membrane 6 is closed, the pressure difference APAN rises above the upper limit value again. This means that the location of the integrity error has also been tracked down.
  • the invention also includes any changes, alterations or modifications of exemplary embodiments which have the exchange, addition, alteration or omission of elements, components, method steps, values or information as their subject matter, as long as the basic idea according to the invention is retained, regardless of whether the change, alteration, or modifications improves or degrades an embodiment.

Abstract

The invention relates to a method for monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane (6) in a filter module (3a, 3b, 3c) of an ultrafiltration plant (1) for treating drinking water while the ultrafiltration plant is in filter operation, the plant having an untreated water inlet (2) and a filtrate outlet (8) between which the filter module (3a, 3b, 3c) is located. In said method, filtered drinking water flows from the filter module (3a, 3b, 3c) via a backflow preventer (Fa, Fb, Fc) to the filtrate outlet (8) which has a known opening pressure (pRFV) during filtrate flow, wherein the pressure difference (ΔpAN) between the pressure (Pzu) in the untreated water inlet (2) and the pressure (Pab) in the filtrate outlet (8) is determined, and a loss of integrity is assumed if the pressure difference (ΔpAN) is below a limit value (pRFV + T) which is greater than the opening pressure (pRFV).

Description

Überwachung der Integrität einer Ultrafiltrationsmembran im Filterbetrieb Monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane in filter operation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Integrität einer Ultrafiltrationsmembran in einem Filtermodul einer Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung während ihres Filterbetriebs, wobei die Anlage einen Rohwasserzulauf und einen Filtratablauf aufweist, zwischen denen das Filtermodul liegt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Ultrafiltrationsanlage, die eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. The invention relates to a method for monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane in a filter module of an ultrafiltration system for drinking water treatment during its filter operation, the system having an untreated water inlet and a filtrate outlet, between which the filter module is located. Furthermore, the invention relates to an ultrafiltration system that is set up to carry out the method.
Ultrafiltrationsanlagen für die Trinkwasserversorgung in Gebäuden mit parallel arbeitenden Filtermodulen sind an sich bekannt. Sie finden dort Anwendung, wo eine zentrale Versorgung mit Wasser in trinkbarer Qualität nicht oder nicht dauerhaft möglich ist. Als Gebäude mit derartigen Anlagen sind insbesondere Wohn- und Mehrfamilienhäuser, Hotels, Krankenhäuser, Bürogebäude, sowie öffentliche Einrichtungen hervorzuheben, die eine Vielzahl an Wasserverbrauchern wie Waschbecken, Toiletten, Duschen, Badewannen etc. umfassen und dadurch über den Tag betrachtet einen äußerst dynamischen Wasserverbrauch haben. Dabei ist auch ein Kreuzfahrtschiff als Gebäude im Sinne eines mobilen Hotels zu verstehen. Ultrafiltration systems for drinking water supply in buildings with filter modules working in parallel are known per se. They are used where a central supply of water of potable quality is not possible or not permanently possible. Residential and multi-family houses, hotels, hospitals, office buildings and public facilities are particularly noteworthy as buildings with such systems, which include a large number of water consumers such as washbasins, toilets, showers, bathtubs, etc. and therefore have extremely dynamic water consumption over the course of the day . A cruise ship is also to be understood as a building in the sense of a mobile hotel.
Filtermodule einer Ultrafiltrationsanlage besitzen einen Zulaufanschluss auf der Rohwasserseite zur Zuführung von Rohwasser und einen Ablaufanschluss auf der Filtratseite zur Lieferung gefilterten Wassers, nachfolgend Filtrat genannt. Zwischen dem Zulauf- und dem Ablaufanschluss liegt je nach Bauart des Filtermoduls eine oder eine Vielzahl von Filtermembranen, die Mikroorganismen und Schmutzpartikel in dem zugeführten Rohwasser herausfiltern. Die Filtermembran(en) trennt/ trennen somit räumlich die Rohwasserseite von der Filtratseite. Nachfolgend wird ungeachtet der tatsächlichen Anzahl an Filtermembranen im Modul nur von „einer“ Filtermembran im Singular gesprochen, obgleich auch zwei oder eine Vielzahl vonFilter modules of an ultrafiltration system have an inlet connection on the raw water side for supplying raw water and an outlet connection on the filtrate side for supplying filtered water, referred to below as filtrate. Depending on the design of the filter module, there is one or a large number of filter membranes between the inlet and outlet connections, which filter out microorganisms and dirt particles in the raw water supplied. The filter membrane(s) thus spatially separate the raw water side from the filtrate side. Regardless of the actual number of filter membranes in the module, only "one" is Filter membrane spoken in the singular, although also two or a multiplicity of
Filtermembranen vorhanden sein kann/ können. Filter membranes can/can be present.
Für den ordnungsgemäßen Betrieb der Ultrafiltrationsanlage ist es unerlässlich, dass die bzw. alle Filtermembranen intakt sind, da anderenfalls Schmutzpartikel und Mikroorganismen wie z.B. Bakterien auf die Filtratseite gelangen und die Anlage dort bis zu den Verbrauchern kontaminieren. Eine aufwändige Reinigung und gegebenenfalls Desinfektion der Rohrleitungen und verbundenen hydraulischen Komponenten wären dann erforderlich. Eine Integrität der Membran ist nicht mehr gegeben, wenn Schadstellen, wie z.B. Löcher, Risse, größer als die absolute Porengröße der Membran vorhanden sind. Derartige Defekte entstehen durch heftige Druckstöße z.B. beim Öffnen oder Schließen von Verbraucherventilen, durch äußere Einwirkungen wie z.B. mechanische Stöße bei einem unsachgemäßen Transport, Alterung der Membran und durch chemische Beeinflussung der Membranoberfläche durch z.B. Verunreinigungen im Zulaufwasser, Zusetzen von Desinfektionsmitteln, etc. Aus diesem Grund werden bei Ultrafiltrationsanlagen in regelmäßigen Zeitabständen, meist täglich, sogenannte Integritätstests durchgeführt. For the proper operation of the ultrafiltration system, it is essential that the or all filter membranes are intact, otherwise dirt particles and microorganisms such as bacteria will get to the filtrate side and contaminate the system from there to the consumers. A complex cleaning and, if necessary, disinfection of the pipelines and connected hydraulic components would then be necessary. The integrity of the membrane is no longer given if there are defects such as holes or cracks that are larger than the absolute pore size of the membrane. Such defects are caused by violent pressure surges, e.g. when consumer valves are opened or closed, by external influences such as mechanical impacts due to improper transport, aging of the membrane and chemical influences on the membrane surface by e.g. impurities in the inlet water, clogging of disinfectants, etc. For this reason So-called integrity tests are carried out in ultrafiltration systems at regular intervals, usually daily.
Einige solcher Tests sind als Bestandteil einer Integritätsüberwachung einer Filtrationsanlage beispielsweise in der amerikanischen technischen Norm ASTM D6908-06 (Jahr 2017) und im Membrane Filtration Guidance Manual der US EPA (Nov. 2005) beschrieben. Diese Integritätsüberwachung findet bei Anlagen der Ultrafiltration (UF) und Mikrofiltration (MF) hauptsächlich als Druckabfalltest und bei der Umkehrosmose (RO) und Nanofiltration (NF) meistens als Vakuumabfalltest Anwendung. Some of these tests are described as part of the integrity monitoring of a filtration system, for example in the American technical standard ASTM D6908-06 (year 2017) and in the US EPA's Membrane Filtration Guidance Manual (Nov. 2005). This integrity monitoring is mainly used as a pressure decay test in ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF) systems and mostly as a vacuum decay test in reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) systems.
Die hauptsächlich angewandten Integritätstests sind luftbasiert, da die feuchten Filtermembranen abhängig von der Höhe des angewandten Druckes für Luft undurchlässig sind. Dabei kann entweder Luft herausgesaugt werden, um ein Vakuum zu erzeugen, oder als Druckluft eingebracht werden. Dies kann lokal, d.h. gezielt bei einem bestimmten Filtermodul oder global bei der gesamten oder einem Teil der Anlage, d.h. bei mehreren Filtermodulen gleichzeitig erfolgen. Ferner kann dies entweder von der Rohwasserseite oder von der Filtratseite aus erfolgen. Es wird dann untersucht bzw. gemessen, ob und gegebenenfalls, wie groß der Druckabfall über der Membran bzw. den Filtermodulen über der Zeit ist, um eine Aussage über die Integrität zu treffen. Die Höhe des angewandten Transmembrandruckes bei einem Druckabfalltest entscheidet über die minimale Größe des detektierbaren Defektes. So sind für die Überprüfung der Rückhaltung von Bakterien (0,45 pm) ein Druck von 7 bar und von Viren (25 nm) ein Prüfdruck von 120 bar notwendig. Diese hohen Drücke sind bei üblichen Filtermodulen mit einem z.B. maximal zulässigen Transmembrandruck von 4 bar hinsichtlich der mechanischen Stabilität nicht erreichbar. So ist ein üblicher Transmembrandruck für die Integritätsprüfung von 1 bar nur ausreichend, um Defekte bis zu einer minimalen Größe von 3 pm zu detektieren. Werden eine Vielzahl von Filtermodulen gleichzeitige getestet, reduzieren die natürliche Diffusion von Luft durch die intakte Membranwand in das Medium Wasser und Minileckagen außerhalb der Membranwand die Sensitivität der Druckabfallmessung. The main integrity tests used are air based, as the wet filter membranes are impermeable to air depending on the level of pressure applied. Air can either be sucked out to create a vacuum or introduced as compressed air. This can be done locally, ie specifically for a specific filter module, or globally for all or part of the system, ie for several filter modules at the same time. Furthermore, this can be done either from the raw water side or from the filtrate side. It is then examined or measured whether and, if so, how large the pressure drop over the membrane or the filter modules over time in order to make a statement about the integrity. The level of the applied transmembrane pressure in a pressure drop test determines the minimum size of the detectable defect. A pressure of 7 bar is required to check the retention of bacteria (0.45 μm) and a test pressure of 120 bar for viruses (25 nm). These high pressures cannot be achieved with conventional filter modules with, for example, a maximum permissible transmembrane pressure of 4 bar in terms of mechanical stability. A standard transmembrane pressure of 1 bar for integrity testing is only sufficient to detect defects down to a minimum size of 3 pm. If a large number of filter modules are tested simultaneously, the natural diffusion of air through the intact membrane wall into the water medium and mini-leakage outside the membrane wall reduce the sensitivity of the pressure drop measurement.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht in dem nicht unerheblichen Aufwand bei der Durchführung des Integritätstests, weil das oder die Filtermodule vor dem Integritätstest entleert und anschließend wieder befüllt werden muss/ müssen. Ein Teil der Luft verbleibt außerdem im Anschluss an den Integritätstest in den Filtermodulen und reduziert die Filtereffizienz. Sie muss deshalb mit einer zusätzlichen Maßnahme durch entsprechende Entlüftung entfernt werden. Ein weiterer Nachteil luftbasierter Testverfahren besteht in der Notwendigkeit, den Betrieb der Filtrationsanlage ganz oder teilweise während des Tests zu unterbrechen. Sie liefert dann folglich kein oder weniger Trinkwasser mehr, was je nach Aufstellungsort der Anlage, z.B. für Hotels, inakzeptabel ist, oder eine Anwendung des Verfahrens nur außerhalb der Hauptverbrauchszeit, d.h. nachts, ermöglicht. Ein Zusätzlicher Nachteil ist außerdem der technische Aufwand zur Durchführung des Verfahrens, da die Anlage mit entsprechenden Leitungen, Ventilen und einer ölfreien Druckluftzufuhr, z.B. einem Kompressor ausgestattet werden muss. A further disadvantage of this method is the not inconsiderable effort involved in carrying out the integrity test, because the filter module or modules must be emptied before the integrity test and then refilled. Some of the air also remains in the filter modules after the integrity test and reduces the filter efficiency. It must therefore be removed with an additional measure by appropriate venting. Another disadvantage of air-based testing methods is the need to shut down all or part of the operation of the filtration system during the test. As a result, it then supplies little or no drinking water, which, depending on the location of the system, e.g. for hotels, is unacceptable, or allows the process to be used only outside of the main consumption time, i.e. at night. An additional disadvantage is the technical effort required to carry out the process, since the system has to be equipped with the appropriate lines, valves and an oil-free compressed air supply, e.g. a compressor.
Eine sehr sensitive Methode zur Integritätsüberwachung besteht darin, molekulare oder partikuläre Marker in das Rohwasser in einer definierten Dosis zu injizieren und zu prüfen, ob und gegebenenfalls in welchem Umfang diese Marker auf der Filtratseite auftreten. Die molekulare bzw. partikulare Größe eines Markers ist größer als die nominale Porenweite der Filtermembran, so dass der Marker bei intakter Membran die Filtratseite nicht oder nur in minimalem Umfang erreicht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es während des Filtrationsbetriebs angewendet werden kann. Allerdings erfordert das Verfahren einen zusätzlichen apparativen Aufwand zur Dosierung und Injektion sowie eine zusätzliche Sensorik oder nachfolgende Laboranalytik auf der Filtratseite, um das Auftreten des Markers im Filtrat nachzuweisen. Des Weiteren reduziert der Marker die Filtereffizienz, da er nicht durch die Filtermembran gelangt, sondern zu einem erhöhten Fouling der Membran beiträgt. Ferner ist ein solches Verfahren bei Trinkwasser nicht zulässig, da durch den Marker die Genußtauglichkeit des Wassers eingeschränkt werden könnte. A very sensitive integrity monitoring method consists of injecting a defined dose of molecular or particulate markers into the raw water and checking whether and, if so, to what extent these markers appear on the filtrate side. The molecular or particulate size of a marker is larger than the nominal pore size of the filter membrane, so that the marker does not reach the filtrate side, if the membrane is intact, or only to a minimal extent. This method has the advantage that it can be used during filtration operations. However, the method requires additional equipment for dosing and injection as well as additional sensors or subsequent laboratory analysis on the filtrate side in order to detect the presence of the marker in the filtrate. Furthermore, the marker reduces the filter efficiency because it does not get through the filter membrane, but instead contributes to increased fouling of the membrane. Furthermore, such a method is not permitted for drinking water, since the suitability for drinking of the water could be restricted by the marker.
Weitere Verfahren zur Überwachung der Integrität von Membranen arbeiten über die Analyse der Filtratwasserqualität. Dies kann entweder über die Analyse der Partikelanzahl und -größenverteilung im Filtrat bzw. die Analyse der Trübheit erfolgen. Beide Verfahren benötigen jedoch einen hohen technischen Aufwand für die optischen Sensoren und Messdatenverarbeitung. Other methods for monitoring the integrity of membranes work by analyzing the filtrate water quality. This can be done either by analyzing the particle number and particle size distribution in the filtrate or by analyzing the turbidity. However, both methods require a high level of technical effort for the optical sensors and measurement data processing.
Es ist ferner möglich, über die Permeabilität oder den Transmembrandruck (TMP) der Filtermembran(en) eine Aussage über deren Integrität zu treffen. Beides ist allerdings nur bei gleichbleibender Zulaufwasserqualität möglich, die bei Ultrafiltrationsanlagen in der Gebäudetechnik nicht für jeden Anwendungsort und nicht über die gesamte Lebenszeit gewährleistet ist. Ferner ist der TMP nur bei konstanten Volumenströmen verwendbar, die in der Gebäudetechnik nicht vorliegen. Aufgrund der dort existierenden dynamischen Vorgänge schwankt der TMP stark, z.B. zwischen 1 m3/h und 80 m3/h bei einem Hotel mit ca. 400 Zimmern. Für die Ermittlung der Permeabilität muss der Durchfluss ermittelt werden, was nach dem Stand der Technik mit kostenintensiven Sensoren erfolgt. Die starken Schwankungen des Volumenstroms in der Gebäudetechnik werden von vielen bekannten Sensoren allerdings erst nach einer langen Ansprechzeit erfasst und sind damit häufig fehlerbehaftet. It is also possible to make a statement about the integrity of the filter membrane(s) via the permeability or the transmembrane pressure (TMP). However, both of these are only possible if the supply water quality remains the same, which is not guaranteed for every application location and not over the entire service life of ultrafiltration systems in building technology. Furthermore, the TMP can only be used with constant volume flows, which do not exist in building technology. Due to the dynamic processes that exist there, the TMP fluctuates greatly, for example between 1 m 3 /h and 80 m 3 /h in a hotel with around 400 rooms. To determine the permeability, the flow must be determined, which is done using cost-intensive sensors according to the prior art. However, the strong fluctuations in the volume flow in building technology are only detected by many known sensors after a long response time and are therefore often subject to errors.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zur zuverlässigen Überwachung der Integrität einer Ultrafiltrationsmembran in einem Filtermodul bereitzustellen, das während des Filterbetriebs und ohne dessen Unterbrechung anwendbar ist und ausschließlich vorhandene Drucksensoren verwendet. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Ultrafiltrationsanlage zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen. Against this background, it is an object of the present invention to provide a simple method for reliably monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane in a filter module during the Filter operation and can be used without interrupting it and uses only existing pressure sensors. Furthermore, it is the object of the invention to provide a corresponding ultrafiltration system for carrying out the method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Ultrafiltrationsanlage nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert. This object is achieved by a method according to claim 1 and an ultrafiltration system according to claim 11. Advantageous developments are specified in the respective dependent claims and are explained below.
Erfindungsgemäß ist bei dem Verfahren zur Überwachung der Integrität einer Ultrafiltrationsmembran in einem Filtermodul einer Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung während ihres Filterbetriebs vorgesehen, dass gefiltertes Trinkwasser vom Filtermodul über einen Rückflussverhinderer zum Filtratablauf fließt, der bei einem Filtratfluss einen bekannten Öffnungsdruck aufweist, wobei die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Rohwasserzulauf und dem Druck im Filtratablauf ermittelt und ein Integritätsverlust angenommen wird, wenn die Druckdifferenz unterhalb einem Grenzwert liegt, der größer als der Öffnungsdruck ist. Es wird somit ein Vergleich zwischen der Druckdifferenz und dem Grenzwert durchgeführt und ein Integritätsverlust angenommen, wenn die Druckdifferenz kleiner als der Grenzwert ist. According to the invention, the method for monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane in a filter module of an ultrafiltration system for drinking water treatment during its filter operation provides that filtered drinking water flows from the filter module via a backflow preventer to the filtrate outlet, which has a known opening pressure with a filtrate flow, the pressure difference between the pressure determined in the raw water inlet and the pressure in the filtrate outlet and a loss of integrity is assumed if the pressure difference is below a limit value that is greater than the opening pressure. A comparison is thus made between the pressure difference and the limit value and a loss of integrity is assumed if the pressure difference is less than the limit value.
Der Kerngedenke der Erfindung besteht somit darin, das oder die Filtermodule der Ultrafiltrationsanlage über einen Rückflussverhinderer mit der Filtratleitung zu verbinden, die das Filtrat zu den Verbrauchern leitet. Das Filtermodul und der Rückflussverhinderer sind folglich in Reihe geschaltet. Der Rückflussverhinderer lässt einen Volumenstrom nur in Richtung der Filtratleitung zu. Baulich bedingt, öffnet er erst ab einem bestimmten Öffnungsdruck. Er bildet dann während des Filtratflusses einen hydraulischen Widerstand, so dass an ihm ein Druckabfall in Höhe des besagten Öffnungsdrucks entsteht. Dies wird regelmäßig als Nachteil empfunden, weil stets versucht wird, hydraulische Widerstände zu vermeiden, um die hydraulischen Verluste zu minimieren und den Wirkungsgrad zu maximieren. Die Erfindung nutzt den Öffnungsdruck des bzw. den Druckverlust am Rückflussverhinderer jedoch als Vorteil aus, um festzustellen, ob etwas durch ihn respektive das Filtermodule hindurchfließt. Dies ist üblicherweise nur mit einem Volumenstromsensor möglich, auf den das erfindungsgemäße Verfahren jedoch verzichten kann. Denn erfindungsgemäß erfolgt die Feststellung eines Filtratflusses über den Druck. Hierzu wird der Druckabfall über der Anlage betrachtet, genauer gesagt, die Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf, wozwischen sich die wenigstens eine zu überwachende Filtermembran befindet. Der Öffnungsdruck des Rückflussverhinderers trägt in jedem Betriebszustand mit Wasserentnahme zu dieser Druckdifferenz bei, so dass sie daraufhin ausgewertet werden kann, ob der Rückflussverhinderer, und somit auch das Filtermodul, durchströmt wird. The core idea of the invention is therefore to connect the filter module or modules of the ultrafiltration system via a backflow preventer to the filtrate line, which directs the filtrate to the consumers. The filter module and the backflow preventer are therefore connected in series. The backflow preventer only allows a volume flow in the direction of the filtrate line. For structural reasons, it only opens above a certain opening pressure. It then forms hydraulic resistance during the flow of filtrate, so that a pressure drop equal to said opening pressure occurs across it. This is regularly perceived as a disadvantage because attempts are always made to avoid hydraulic resistance in order to minimize hydraulic losses and maximize efficiency. However, the invention uses the opening pressure of or the pressure loss at the backflow preventer as an advantage in order to determine whether something is flowing through it or the filter module. This is usually with just one Volume flow sensor possible, but the method according to the invention can be dispensed with. According to the invention, a filtrate flow is determined via the pressure. For this purpose, the pressure drop across the system is considered, more precisely, the pressure difference between the inlet and outlet, between which the at least one filter membrane to be monitored is located. The opening pressure of the non-return valve contributes to this pressure difference in every operating state with water extraction, so that it can be evaluated as to whether the non-return valve, and thus also the filter module, is being flown through.
Wird kein Wasser entnommen, ist die Druckdifferenz gleich null. In diesem Zustand kann zwar kein Membrandefekt erkannt werden, jedoch strömt dann auch kein Rohwasser ungefiltert durch die Membran, so dass dieser Fall in der Praxis unbedeutend ist. Im gewöhnlichen Tagesgebrauch der Ultrafiltrationsanlage besteht regelmäßig eine sehr dynamische aber konstant hohe Wasserentnahme. Der Volumenstrom schwankt entsprechend stark um einen Mittelwert und verursacht über der Membran einen Druckabfall, der gemeinsam mit dem Öffnungsdruck des Rückflussverhinderers den Druckabfall über der Anlage bildet. Der Druckabfall über der Membran wird nachfolgend als Transmembrandruck (TMP) bezeichnet. Er ist nicht konstant, sondern steigt mit der Zeit, da sich an der Oberfläche der Membran zunehmend Partikel und Mikroorganismen aus dem Rohwasser anlagern. Ist die Integrität der Filtermembran durch signifikante Defekte, wie z.B. Risse, größere Poren oder mehrere durchtrennte Hohlfasern verloren gegangen, hat sie keinen bzw. das Filtermodul nur noch einen vernachlässigbar geringen hydraulischen Widerstand, so dass der Transmembrandruck gleich null ist. Folgemäßig liegt der Druckabfall über der Anlage nur noch im Bereich des Öffnungsdrucks des Rückflussverhinderers. Folgemäßig ist die Feststellung, dass die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Rohwasserzulauf und dem Druck im Filtratablauf im Bereich dieses Öffnungsdrucks liegt, ein Hinweis auf einen Integritätsverlust der Filtermembran. If no water is withdrawn, the pressure difference is zero. In this state, no membrane defect can be detected, but no unfiltered unfiltered water flows through the membrane, so that this case is insignificant in practice. In normal daily use of the ultrafiltration system, there is regularly a very dynamic but constantly high water extraction. The volume flow fluctuates strongly around a mean value and causes a pressure drop across the membrane, which, together with the opening pressure of the backflow preventer, forms the pressure drop across the system. The pressure drop across the membrane is hereinafter referred to as the transmembrane pressure (TMP). It is not constant, but increases over time, as particles and microorganisms from the raw water increasingly accumulate on the surface of the membrane. If the integrity of the filter membrane has been lost due to significant defects, such as cracks, larger pores or several severed hollow fibers, it has no hydraulic resistance or the filter module only has a negligibly low hydraulic resistance, so that the transmembrane pressure is zero. As a result, the pressure drop across the system is only in the range of the opening pressure of the non-return valve. Consequently, the finding that the pressure difference between the pressure in the raw water inlet and the pressure in the filtrate outlet is in the range of this opening pressure is an indication of a loss of integrity of the filter membrane.
Das erfindungsgemäße Integritätstestverfahren hat einen geringeren Aufwand, als andere Testverfahren. Es ist weder luftbasiert, so dass kein Entleeren, Wiederbefüllen und Entlüften des Filtermoduls durchgeführt werden muss, noch verwendet es einen Marker. Ferner ist weder eine besondere noch eine zusätzliche Sensorik oder Messtechnik in der Anlage erforderlich. Vielmehr genügt zur Durchführung des Verfahrens eine Druckermittlung in der Zulaufleitung und der Filtratleitung, die bei konventionellen Ultrafiltrationsanlagen üblicherweise bereits zu deren Steuerung durchgeführt wird. The integrity test method according to the invention requires less effort than other test methods. It is not air-based, so there is no need to perform a drain, refill and bleed of the filter module, nor does it use a marker. Furthermore, neither a special nor an additional sensor or measurement technology is required in the system. Rather, a pressure determination in the inlet line and the is sufficient to carry out the method Filtrate line, which is usually already implemented in conventional ultrafiltration systems for their control.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die Integritätsüberwachung kontinuierlich und nicht wie bei luftbasierten Verfahren oder Nutzung von Markern nach Stand der Technik zu bestimmten Zeitpunkten (1-2 Mal am Tag) durchgeführt werden kann. Ein signifikanter Membrandefekt kann somit unverzüglich erkannt und die dadurch bedingte Verunreinigung minimiert werden. Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren während des Filterbetriebs ausgeführt werden, der hierfür nicht gestoppt werden muss. Somit erfolgt keine Unterbrechung der Versorgung mit Trinkwasser. Gleichzeitig ist auch die Integritätsüberwachung unterbrechungsfrei. Another advantage of the method is that the integrity monitoring can be performed continuously and not at specific times (1-2 times a day) as in air-based methods or prior art use of markers. A significant membrane defect can thus be detected immediately and the contamination caused by it can be minimized. Finally, the method according to the invention can be carried out during filter operation, which does not have to be stopped for this purpose. This means that the supply of drinking water is not interrupted. At the same time, integrity monitoring is also uninterrupted.
Das Filtermodul kann ein, zwei oder mehr Filtermembranen, vorzugsweise eine Vielzahl Hohlfasermembranen aufweisen. Außerdem kann die Ultrafiltrationsanlage ein, zwei oder mehr parallele Filtermodule aufweisen, die jeweils über einen Rückflussverhinderer mit dem Filtratablauf bzw. der Filtratleitung verbunden sind. Vorzugsweise sind die Filtermodule zu Gruppen zusammengeschaltet. So können beispielsweise zwei, drei oder mehr Gruppen zu je zwei, drei oder mehr parallelen Filtermodulen parallel liegen. Der Rohwasserzulauf der Anlage ist gleichzeitig der Rohwasserzulauf der Gruppen bzw. der Filtermodule. Ferner ist der Filtratablauf der Anlage gleichzeitig der Filtratablauf der Gruppen bzw. der Filtermodule. Somit liegen die Filtermembranen, Filtermodule oder Gruppen stets zwischen dem Rohwasserzulauf und dem Filtratablauf. The filter module can have one, two or more filter membranes, preferably a large number of hollow fiber membranes. In addition, the ultrafiltration system can have one, two or more parallel filter modules, which are each connected to the filtrate outlet or the filtrate line via a backflow preventer. The filter modules are preferably connected together to form groups. For example, two, three or more groups of two, three or more parallel filter modules can be located in parallel. The raw water inlet of the system is at the same time the raw water inlet of the groups or the filter modules. Furthermore, the filtrate outlet of the system is at the same time the filtrate outlet of the groups or the filter modules. Thus, the filter membranes, filter modules or groups are always between the raw water inlet and the filtrate outlet.
Als bekannter Öffnungsdruck ist ein nominaler Öffnungsdruck zu verstehen, der herstellerseitig für den Rückflussverhinderer angegeben wird. Soweit im Rahmen der Erfindung von einem „Bereich des Öffnungsdrucks“ gesprochen wird, so berücksichtigt diese Terminologie die Tatsache, dass eine physikalische Größe bei messtechnischer Erfassung in der Praxis niemals exakt einen bestimmten Wert erreicht. Des Weiteren ist zu berücksichtigen, dass der tatsächliche Öffnungsdruck selbst bei baugleichen Rückflussverhinderern nicht identisch ist, er streut vielmehr. Dabei spielt auch die Temperatur des Wassers eine Rolle, respektive seine temperaturabhängige Dichte und dynamische Viskosität, so dass der tatsächliche Öffnungsdruck des Rückflussverhinderers gegenüber dem nominalen Wert schwankt. Aus diesem Grund wird als Entscheidungskriterium erfindungsgemäß ein Grenzwert verwendet, der die Streuung und temperaturbedingte Schwankung des Öffnungsdrucks berücksichtigt und deshalb größer als der Öffnungsdruck ist. A known opening pressure is a nominal opening pressure specified by the manufacturer for the non-return valve. Insofar as a “range of the opening pressure” is spoken of within the scope of the invention, this terminology takes into account the fact that a physical quantity never exactly reaches a specific value when measured in practice. Furthermore, it must be taken into account that the actual opening pressure is not identical, even in the case of identical non-return valves, rather it varies. The temperature of the water also plays a role, or rather its temperature-dependent density and dynamic viscosity, so that the actual Opening pressure of the non-return valve fluctuates compared to the nominal value. For this reason, a limit value is used as a decision criterion according to the invention, which takes into account the scatter and temperature-related fluctuation of the opening pressure and is therefore greater than the opening pressure.
Geeigneterweise liegt der Grenzwert maximal 20% über dem bekannten Öffnungsdruck. Zum Beispiel kann der Grenzwert 20%, 10% oder 5% über dem bekannten Öffnungsdruck liegen. Er bildet somit die obere Grenze eines möglichen Schwankungsbereichs des Öffnungsdrucks. Als „Bereich des Öffnungsdrucks“ ist dieser Schwankungsbereich zu verstehen. Suitably the limit is at most 20% above the known cracking pressure. For example, the limit may be 20%, 10%, or 5% above the known cracking pressure. It thus forms the upper limit of a possible fluctuation range of the opening pressure. This fluctuation range is to be understood as the "range of the opening pressure".
Um die Erkennungsgenauigkeit zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass der erstgenannte Grenzwert eine obere Grenze eines Toleranzbandes bildet, dessen untere Grenze durch einen weiteren Grenzwert definiert ist, wobei der Integritätsverlust nur dann angenommen wird, wenn die Druckdifferenz innerhalb des Toleranzbands liegt. Mit anderen erfolgt der zweifache Vergleich, ob die Druckdifferenz größer als der weitere Grenzwert und kleiner als der erstgenannte Grenzwert ist. In order to improve the detection accuracy, provision can be made for the first-mentioned limit value to form an upper limit of a tolerance band, the lower limit of which is defined by a further limit value, with the loss of integrity being assumed only if the pressure difference lies within the tolerance band. With others, the double comparison is made as to whether the pressure difference is greater than the further limit value and smaller than the first limit value.
Der weitere Grenzwert liegt vorzugsweise maximal 20% unter dem Öffnungsdruck. Zum Beispiel kann der weitere Grenzwert um 20%, 10% oder 5% kleiner als der bekannte Öffnungsdruck sein. The further limit value is preferably at most 20% below the opening pressure. For example, the further limit value can be 20%, 10% or 5% less than the known opening pressure.
Da der TMP strömungsabhängig ist, liegt bei sehr geringen Volumenströmen, beispielsweise bei weniger als 1 m3/h infolge einer minimalen Wasserentnahme an den Verbrauchern auch nur ein geringer TMP vor. Um diesen Fall von dem Fall eines Integritätsverlusts zu unterscheiden, kann zusätzlich zu dem Druckvergleich eine zeitliche Dauer berücksichtigt werden, für die die Druckdifferenz unterhalb des erstgenannten Grenzwerts liegen darf. So kann vorgesehen sein, dass ein Integritätsverlust nur dann angenommen wird, wenn die Grenzwertunterschreitung mindestens für eine vorbestimmte zeitliche Dauer besteht. Diese Feststellung kann beispielsweise mit Hilfe eines Zählers realisiert werden, der mit der Unterschreitung des Grenzwerts gestartet wird und bei Erreichen eines der zeitlichen Dauer entsprechenden Zählerstands eine Meldung über die Überschreitung der zulässigen zeitlichen Dauer ausgibt. Der Zähler kann ein Aufwärtszähler (Stoppuhr) oder ein Rückwärtszähler (Countdown) sein. Since the TMP is flow-dependent, there is only a low TMP at very low volume flows, for example less than 1 m 3 /h, as a result of minimal water withdrawal at the consumers. In order to distinguish this case from the case of a loss of integrity, a time duration can be taken into account in addition to the pressure comparison, for which the pressure difference may be below the first-mentioned limit value. Provision can thus be made for a loss of integrity to be assumed only if the value falls below the limit value for at least a predetermined period of time. This determination can be realized, for example, with the help of a counter, which is started when the limit value is undershot and, when a counter reading corresponding to the duration of time is reached, a message about exceeding the permissible limit value outputs time duration. The counter can be an up counter (stopwatch) or a down counter (countdown).
Die zeitliche Dauer kann beispielsweise zwischen 5 und 20 Minuten betragen. The duration can be between 5 and 20 minutes, for example.
Bei der Verwendung der zeitlichen Dauer als zusätzliches Entscheidungskriterium ist es sinnvoll, zwischen den Tagezeiten zu unterscheiden, da sich die Charakteristik des Wasserverbrauchs über den Tag stark ändert. So finden nachts entweder keine oder nur minimalen Wasserentnahmen statt. Demgegenüber ist die Wasserentnahme am Tag im Durchschnitt hoch und ändert sich sehr dynamisch. Hier liegt die Hauptverbrauchszeit vor. Dass während der Hauptverbrauchszeit sehr geringe Volumenströme auftreten, ist eher unwahrscheinlich, zumindest jedoch unwahrscheinlicher, als ein Auftreten außerhalb der Hauptverbrauchszeit, insbesondere nachts. Vor diesem Hintergrund kann, um einen Integritätsverlust schnell zu erkennen, die als weiteres Entscheidungskriterium für einen Integritätsverlust verwendete zeitliche Dauer der Grenzwertunterschreitung für die Hauptverbrauchszeit kürzer sein, als außerhalb der Hauptverbrauchszeit. When using the duration as an additional decision criterion, it makes sense to differentiate between the times of day, since the characteristics of water consumption change significantly over the course of the day. So there is either no or only minimal water withdrawal at night. In contrast, water withdrawal during the day is high on average and changes very dynamically. This is the main consumption time. The fact that very low volume flows occur during the main consumption time is rather improbable, but at least more improbable than an occurrence outside the main consumption time, especially at night. Against this background, in order to quickly identify a loss of integrity, the duration of falling below the limit value used as a further decision criterion for a loss of integrity can be shorter for the main usage time than outside of the main usage time.
Es kann somit vorgesehen sein, dass der Integritätsverlust dann angenommen wird, wenn die Grenzwertunterschreitung während einer Hauptverbrauchszeit für eine erste vorbestimmte zeitliche Dauer oder außerhalb der Hauptverbrauchszeit für eine zweite vorbestimmte zeitliche Dauer besteht, wobei die zweite zeitliche Dauer länger ist, als die erste zeitliche Dauer. It can thus be provided that the loss of integrity is assumed when the limit value is not reached during a main consumption time for a first predetermined time period or outside of the main consumption time for a second predetermined time period, the second time period being longer than the first time period .
Beispielsweise kann die zeitliche Dauer während der Hauptverbrauchszeit zwischen 5 und 10 Minuten betragen und somit eine erste Dauer bilden. Außerhalb der Hauptverbrauchszeit kann sie zwischen 15 und 20 Minuten betragen und somit eine zweite Dauer sein. For example, the duration during the main usage time can be between 5 and 10 minutes and thus form a first duration. Outside of the main consumption time, it can be between 15 and 20 minutes and thus be a second duration.
Als Hauptverbrauchszeit kann der Zeitraum zwischen 6 Uhr und 18 Uhr betrachtet werden. Der Zeitraum außerhalb der Hauptverbrauchszeit, nachfolgend auch Nebenverbrauchszeit genannt, liegt dann zwischen 18 Uhr und 6 Uhr. Vorteilhafterweise kann eine Warnmeldung ausgegeben werden, wenn der Integritätsverlust angenommen wird. Dies kann durch ein akustisches, optisches, oder ein elektronisches Warnsignal erfolgen. Gegebenenfalls kann auch eine elektronische Nachricht verschickt (SMS, E-Mail) werden. The period between 6 a.m. and 6 p.m. can be regarded as the main consumption time. The period outside of the main consumption time, hereinafter also referred to as secondary consumption time, is then between 6 p.m. and 6 a.m. Advantageously, a warning message can be issued if the loss of integrity is accepted. This can be done with an acoustic, visual or electronic warning signal. If necessary, an electronic message can also be sent (SMS, e-mail).
Die Erfindung betrifft außerdem eine Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung umfassend wenigstens ein Filtermodul mit einer Ultrafiltrationsmembran, einen Rohwasserzulauf und einen Filtratablauf, zwischen denen das Filtermodul liegt. Sie umfasst einen Rückflussverhinderer zwischen dem Filtermodul und dem Filtratablauf, eine Sensorik zur Bestimmung der Druckdifferenz zwischen dem Druck im Rohwasserzulauf und dem Druck im Filtratablauf und eine Überwachungseinheit zur Überwachung der Integrität der Ultrafiltrationsmembran, wobei die Überwachungseinheit eingerichtet ist, das vorbeschriebene Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen. The invention also relates to an ultrafiltration system for drinking water treatment, comprising at least one filter module with an ultrafiltration membrane, an untreated water inlet and a filtrate outlet, between which the filter module is located. It comprises a backflow preventer between the filter module and the filtrate outlet, a sensor system for determining the pressure difference between the pressure in the raw water inlet and the pressure in the filtrate outlet and a monitoring unit for monitoring the integrity of the ultrafiltration membrane, the monitoring unit being set up to carry out the method described above according to the invention .
Bei der Sensorik kann es sich um jeweils einen Drucksensor im Rohwasserzulauf und im Filtratablauf handeln. Die Überwachungseinheit kann eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) oder ein Mikrocomputer sein. The sensors can be a pressure sensor in the raw water inlet and in the filtrate outlet. The monitoring unit can be a PLC (programmable logic controller) or a microcomputer.
Weitere Merkmale, Vorteile, Eigenschaften und Wirkungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren erläutert. Identische oder äquivalente, insbesondere funktionsgleiche Elemente haben in den Figuren dasselbe Bezugszeichen. Die Bezugszeichen behalten von einer Figur zur anderen ihre Gültigkeit. Further features, advantages, properties and effects of the invention are explained below using exemplary embodiments and the attached figures. Identical or equivalent elements, in particular elements with the same function, have the same reference symbols in the figures. The reference numbers remain valid from one figure to another.
Es sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die Begriffe „aufweisen“, „umfassen“ oder „beinhalten“ keinesfalls das Vorhandensein weiterer Merkmale ausschließen. Ferner schließt die Verwendung des unbestimmten Artikels bei einem Gegenstand nicht dessen Plural aus. It should be pointed out that, in the context of the present description, the terms “have”, “comprise” or “contain” in no way exclude the presence of other features. Furthermore, the use of the indefinite article with an object does not exclude its plural form.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 : eine erfindungsgemäße Ultrafiltrationsanlage FIG. 1: an ultrafiltration system according to the invention
Figur 2: zwei Diagramme zur Veranschaulichung verschiedener Betriebsfälle der Ultrafiltrationsanlage Figur 3: ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens Figure 2: two diagrams to illustrate different operating cases of the ultrafiltration system FIG. 3: a flow chart of the method according to the invention
Figur 1 zeigt eine Ultrafiltrationsanlage 1 zur Trinkwasseraufbereitung unter Verwendung von drei parallelen Ultrafiltrationsmodulen 3a, 3b, 3c. In einer anderen Variante kann auch nur ein Ultrafiltrationsmodul, oder können zwei oder mehr als drei parallele Ultrafiltrationsmodule vorhanden sein. Des Weiteren kann jedes dieser Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c stellvertretend für eine Gruppe stehen, die aus zwei oder mehr parallelen Ultrafiltrationsmodulen gebildet ist. Jede Gruppe kann als Ultrafiltrationseinheit verstanden werden. Um ein identisches Filtrations- und Rückspülverhalten zu erreichen, besitzen alle Ultrafiltrationseinheiten bevorzugt dieselbe Anzahl an Ultrafiltrationsmodulen 3a, 3b, 3c. Die Ultrafiltrationsmodule derselben Ultrafiltrationseinheit können baulich in einer gemeinsamen Halterung, auch Rack genannt, zusammengefasst sein. Je nach Filtratbedarf bzw. gleichzeitig zu versorgender Verbraucher, kann die Ultrafiltrationsanlage 1 in einer Ausführungsvariante zwei, drei oder mehr Ultrafiltrationseinheiten bzw. Racks besitzen, die hydraulisch zueinander parallel verschaltet sind. Sinnvollerweise sind alle Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c baugleich. Figure 1 shows an ultrafiltration system 1 for drinking water treatment using three parallel ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c. In another variant, only one ultrafiltration module or two or more than three parallel ultrafiltration modules can be present. Furthermore, each of these ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c can represent a group formed from two or more parallel ultrafiltration modules. Each group can be understood as an ultrafiltration unit. In order to achieve identical filtration and backwashing behavior, all ultrafiltration units preferably have the same number of ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c. The ultrafiltration modules of the same ultrafiltration unit can be structurally combined in a common holder, also called a rack. Depending on the filtrate requirement or consumers to be supplied at the same time, the ultrafiltration system 1 can have two, three or more ultrafiltration units or racks in one embodiment variant, which are hydraulically connected in parallel to one another. It makes sense for all ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c to be structurally identical.
Die Ultrafiltrationsanlage 1 wird aus einer Quelle 20 mit Rohwasser gespeist. Diese Quelle 20 kann ein lokaler Wasserversorger oder ein lokales Wasserreservoir wie z.B. ein Tank oder eine Zisterne sein. Eine zentrale Versorgungsleitung 2, die hier den Rohwasserzulauf bildet, verbindet die Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c mit der Quelle 20, wobei in der Versorgungsleitung 2 eine Druckerhöhungsanlage 21 angeordnet ist, um einen Eingangsdruck Pzu von beispielsweise 10 bar an der Eingangsseite der Ultrafiltrationsanlage 1 bereitzustellen. Letzteres ist vor allem bei hohen Gebäuden und/ oder sich weit erstreckenden Trinkwasserverteilnetzen innerhalb des Gebäudes notwendig, da selbst der von einem etwaigen Versorger bereitgestellte Versorgungsdruck allein nicht ausreicht, um einen ausreichenden Fließdruck, z.B. 2 bar, an den höchstgelegenen oder entferntesten Entnahmestellen bzw. Verbrauchern zu gewährleisten. Die Druckerhöhungsanlage ist hier lediglich durch eine Pumpe 21 symbolisiert. The ultrafiltration system 1 is fed from a source 20 with raw water. This source 20 may be a local water utility or a local water reservoir such as a tank or cistern. A central supply line 2, which forms the raw water inlet here, connects the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c to the source 20, with a pressure booster system 21 being arranged in the supply line 2 in order to provide an inlet pressure Pzu of, for example, 10 bar on the inlet side of the ultrafiltration system 1 . The latter is necessary above all in tall buildings and/or extensive drinking water distribution networks within the building, since even the supply pressure provided by any supplier alone is not sufficient to ensure sufficient flow pressure, e.g. 2 bar, at the highest or most distant tapping points or consumers to guarantee. The pressure boosting system is only symbolized by a pump 21 here.
Von der zentralen Versorgungsleitung 2 geht zu jedem der Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c eine lokale Versorgungsleitung 2a, 2b, 2c ab, in der jeweils ein Zulaufventil Za, Zb, Zc liegt. Die lokalen Versorgungsleitungen 2a, 2b, 2c enden jeweils an Zulaufanschlüssen 4au, 4ao, die in eine Rohwasserseite 5a des entsprechenden Ultrafiltrationsmoduls 3a, 3b, 3c münden. Anstelle der zwei Zulaufanschlüssen 4au, 4ao kann in einer anderen Ausführungsvariante auch nur ein Zulaufanschluss vorhanden sein. Die Rohwasserseite 5a ist die durch zumindest eine Ultrafiltrationsmembran 6 von der Filtratseite 5b getrennt, aus der ein Ablaufanschluss 4bo herausführt. Über eine jeweilige lokale Filtratleitung 8a, 8b, 8c sind die Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c ausgehend vom Ablaufanschluss 4bo mit einer zentralen Filtratleitung 8 verbunden, die zu den Verbrauchern 40 führt. Die Filtratleitung 8 bildet hier somit einen Filtratablauf. Verbraucher 40 können beispielsweise Waschtischarmaturen, Toiletten, Duschen, Wannen etc. sein. A local supply line 2a, 2b, 2c, in each of which an inlet valve Za, Zb, Zc lies. The local supply lines 2a, 2b, 2c each end at inlet connections 4au, 4ao, which open into an untreated water side 5a of the corresponding ultrafiltration module 3a, 3b, 3c. Instead of the two inlet connections 4au, 4ao, only one inlet connection can also be present in another embodiment variant. The raw water side 5a is separated from the filtrate side 5b by at least one ultrafiltration membrane 6, from which an outlet connection 4bo leads out. The ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c are connected via a respective local filtrate line 8a, 8b, 8c, starting from the outflow connection 4bo, to a central filtrate line 8, which leads to the consumers 40. The filtrate line 8 thus forms a filtrate outlet here. Consumers 40 can be washbasin fittings, toilets, showers, tubs, etc., for example.
Im Filtrationsbetrieb erzeugen die Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c aus dem Rohwasser Filtrat, indem das Rohwasser durch die Membran 6 hindurchtritt und Partikel im Rohwasser auf der Rohwasserseite 5a bzw. an der Membran 6 haftend verbleiben. Das zur Filtratseite 5b permeierte Wasser bzw. Filtrat wird durch die lokalen Filtratleitungen 8a, 8b, 8c zur zentralen Filtratleitung 8 geleitet, welche das Filtrat weiter zu den Verbrauchern 40 leitet. In filtration operation, the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c produce filtrate from the raw water, in that the raw water passes through the membrane 6 and particles in the raw water remain adhering to the raw water side 5a or to the membrane 6. The water or filtrate permeated to the filtrate side 5b is conducted through the local filtrate lines 8a, 8b, 8c to the central filtrate line 8, which then forwards the filtrate to the consumers 40.
Um an der Oberfläche der Membran 6 haftende Partikel zu lösen, kann jedes Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c unabhängig von den anderen Ultrafiltrationsmodulen 3a, 3b, 3c in einem Rückspülbetrieb betrieben werden, in dem die Filtermembran 6 rückwärts durchströmt wird, d.h. von der Filtratseite 5b zur Rohwasserseite 5a. Das hierfür verwendete Filtrat stammt von wenigstens einem der anderen Ultrafiltrationsmodulen 3a, 3b, 3c. Um das durch die Membran 6 hindurchtretende Wasser im Rückspülbetrieb von der Rohwasserseite 5a abzuführen, ist die Rohwasserseite 5a eines jeden Ultrafiltrationsmoduls 3a, 3b, 3c über eine lokale Retentatleitung 7a, 7b, 7c, in der sich jeweils ein Retentatventil Ra, Rb, Rc befindet, mit einer zentralen Retentatleitung 7 verbunden, die zu einem freien Ablauf 30 führt, an dem das Retentat abgeschieden wird. In der zentralen Retentatleitung 7 ist ein Volumenzähler 17, umgangssprachlich auch Wasseruhr oder Wasserzähler genannt, angeordnet. Die Festlegung, welches Ultrafiltrationsmodul zu einem Zeitpunkt filtern soll und welches durch Rückspülung gereinigt werden soll, erfolgt durch eine Einstellung der Zulaufventile Za, Zb, Zc und der Retentatventile Ra, Rb, Rc, wobei diese Ventile bezogen auf jedes Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c invertiert angesteuert werden. Das bedeutet, dass das einem Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c zugeordnete Zulaufventil Za, Zb, Zc geöffnet ist, während das ihm zugeordnete Retentatventil Ra, Rb, Rc geschlossen ist, und umgekehrt. Gemäß der in Figur 1 gezeigten Momentaufnahme der Betriebszustände liefern alle drei Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c Filtrat. Sie befinden sich also im Filtrationsbetrieb. Die Pfeile an den diversen Leitungen und innerhalb der Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c geben die jeweilige Strömungsrichtung an. Die Ventilstellungen sind somit wir folgt: In order to loosen particles adhering to the surface of the membrane 6, each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c can be operated independently of the other ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c in a backwash operation, in which the filter membrane 6 is flown through backwards, ie from the filtrate side 5b to the raw water side 5a. The filtrate used for this comes from at least one of the other ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c. In order to drain the water passing through the membrane 6 from the raw water side 5a in backwash operation, the raw water side 5a of each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c is connected via a local retentate line 7a, 7b, 7c, in which there is a retentate valve Ra, Rb, Rc , Connected to a central retentate line 7, which leads to a free outlet 30 where the retentate is deposited. In the central retentate line 7 is a volume meter 17, also known colloquially as a water meter or water meter. The determination of which ultrafiltration module should filter at a time and which should be cleaned by backwashing is done by setting the inlet valves Za, Zb, Zc and the retentate valves Ra, Rb, Rc, these valves being related to each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c be controlled inverted. This means that the inlet valve Za, Zb, Zc assigned to an ultrafiltration module 3a, 3b, 3c is open, while the retentate valve Ra, Rb, Rc assigned to it is closed, and vice versa. According to the snapshot of the operating states shown in FIG. 1, all three ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c deliver filtrate. So you are in filtration mode. The arrows on the various lines and within the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c indicate the respective direction of flow. The valve positions are thus as follows:
Wie in Figur 1 zu erkennen ist und nachfolgend als Konvention verwendet wird, kennzeichnen gefüllte Ventilsymbole geschlossene Ventile und unausgefüllte Ventilsymbole geöffnete Ventile. As can be seen in Figure 1 and as will be used below as a convention, filled valve symbols indicate closed valves and unfilled valve symbols open valves.
Der Vorteil einer derartigen Ultrafiltrationsanlage 1 besteht darin, dass ein Rückspülen der einzelnen Ultrafiltrationsmodule3a, 3b, 3c im Betrieb der Ultrafiltrationsanlage 1 erfolgen kann, d.h. während Filtrat an die Verbraucher 20 geliefert wird, so dass diese keine oder zumindest keine Wesentliche Beeinträchtigung erfahren. Es kommt also nicht zu einem Stillstand bzw. zu keiner Unterbrechung der Filtratlieferung an die Verbraucher 20. Ferner kommt die erfindungsgemäße Ultrafiltrationsanlage 1 ohne einen Rückspülbehälter und ohne eine Rückspülpumpe aus, wodurch der Aufwand und die Kosten zu deren Herstellung reduziert werden. The advantage of such an ultrafiltration system 1 is that backwashing of the individual ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c can take place during operation of the ultrafiltration system 1, i.e. while filtrate is being delivered to the consumers 20, so that they experience no or at least no significant impairment. There is therefore no standstill or interruption of the filtrate delivery to the consumers 20. Furthermore, the ultrafiltration system 1 according to the invention does not require a backwash tank and a backwash pump, which reduces the complexity and costs of producing it.
Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Ultrafiltrationsanlage in Figur 1 besteht darin, dass jedes Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c nicht nur über die lokale Filtratleitung 8a, 8b, 8c, sondern zusätzlich über eine hierzu parallele zweite Leitung 8‘, 8a‘, 8b‘, 8c‘ mit der zentralen Filtratleitung 8 verbunden ist. Dabei bestehen die zweiten Leitungen jeweils aus einem modulbezogenen, ersten Abschnitt 8a‘, 8b‘, 8c‘, die sich zu einem gemeinsamen zweiten Abschnitt 8‘ vereinigen, welcher dann in die zentrale Filtratleitung 8 mündet. Anders betrachtet, sind die zweiten Leitungen 8‘, 8a‘, 8b‘, 8c‘ aus diesem, mit der Filtratleitung 8 verbundenen gemeinsamen Abschnitt 8‘ und davon zu den einzelnen Ultrafiltrationsmodulen 3a, 3b, 3c abgehenden Einzelleitungen 8a‘, 8b‘, 8c‘ gebildet. Während die lokalen Filtratleitungen 8a, 8b, 8c zur Filtratableitung im Filtrationsbetrieb dienen, sind die zweiten Leitungen 8‘, 8a‘, 8b‘, 8c‘ für eine Filtratzuleitung im Rückspülbetrieb vorgesehen. So kann beispielsweise Filtrat von zweien der Ultrafiltrationsmodulen 3b, 3c über die entsprechende zweite Leitung 8‘, 8a‘ der Filtratseite 5b dem dritten Ultrafiltrationsmodul 3a zugeführt werden. Dies erfolgt, indem das Zulaufventil Za zum dritten Ultrafiltrationsmoduls 3a geschlossen und das dem dritten Ultrafiltrationsmodul 3a zugeordnete Retentatventil Ra geöffnet wird. Die Zuführung des Filtrats zum dritten Ultrafiltrationsmoduls 3a erfolgt über einen weiteren Anschluss 4bu auf der Filtratseite 5b. A special feature of the ultrafiltration system according to the invention in Figure 1 is that each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c not only on the local filtrate line 8a, 8b, 8c, but also via a second line 8', 8a', 8b', 8c' parallel thereto to the central filtrate line 8. The second lines each consist of a module-related, first section 8a′, 8b′, 8c′, which combine to form a common second section 8′, which then opens into the central filtrate line 8 . Viewed differently, the second lines 8', 8a', 8b', 8c' are from this common section 8' connected to the filtrate line 8 and from individual lines 8a', 8b', 8c outgoing to the individual ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c ' educated. While the local filtrate lines 8a, 8b, 8c serve to discharge the filtrate in filtration operation, the second lines 8', 8a', 8b', 8c' are provided for a filtrate feed line in backwash operation. For example, filtrate from two of the ultrafiltration modules 3b, 3c can be fed to the third ultrafiltration module 3a via the corresponding second line 8', 8a' of the filtrate side 5b. This is done by closing the inlet valve Za to the third ultrafiltration module 3a and opening the retentate valve Ra assigned to the third ultrafiltration module 3a. The filtrate is fed to the third ultrafiltration module 3a via a further connection 4bu on the filtrate side 5b.
Um den Druck über einem rückzuspülenden Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c zu begrenzen und damit die entsprechende Membran 6 zu schützen, ist in dem gemeinsamen Abschnitt 8‘ der zweiten Leitungen 8‘, 8a‘, 8b‘, 8c‘ ein Druckreduzierelement, insbesondere ein Druckminderer 10 angeordnet. In order to limit the pressure above an ultrafiltration module 3a, 3b, 3c to be backwashed and thus to protect the corresponding membrane 6, there is a pressure reducing element, in particular a pressure reducer, in the common section 8' of the second lines 8', 8a', 8b', 8c' 10 arranged.
Bei dieser Anordnung ist es erforderlich, in den Einzelleitungen 8a‘, 8b‘, 8c‘ jeweils ein Spülventil Sa, Sb, Sc vorzusehen, um die druckungeminderte Filtratseite 5b der Filtrat liefernden Ultrafiltrationsmodule 3b, 3c von der Filtratseite 5b des rückzuspülenden Ultrafiltrationsmoduls 3a zu trennen, da das Druckreduzierelement 10 anderenfalls umgangen wird. Die Spülventile Sa, Sb, Sc können identisch ausgeführt sein, wie die Zulaufventile Za, Zb, Zc, die Retentatventile Ra, Rb, Rc und/ oder die Filtratventile Fa, Fb, Fc. Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante sind die Spülventile Sa, Sb, Sc durch Rückflussverhinderer gebildet. Diese sind in den Einzelleitungen 8a‘, 8b‘, 8c‘ so angeordnet, dass ihre jeweilige Eingangsseite mit dem gemeinsamen Abschnitt 8‘ und ihre jeweilige Ausgangsseite mit dem entsprechenden Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c verbunden ist. Die Zulaufventile Za, Zb, Zc und/ oder Retentatventile Ra, Rb, Rc können in einer Ausführungsvariante gesteuerte, insbesondere schaltbare (auf/ zu) oder einstellbare (0...100%) Stellventile sein, die beispielsweise elektrisch, elektromagnetisch oder pneumatisch betätigt werden. Beispielsweise sind die Stellventile ansteuerbare Motorventile. With this arrangement, it is necessary to provide a flushing valve Sa, Sb, Sc in each of the individual lines 8a', 8b', 8c' in order to separate the pressure-unreduced filtrate side 5b of the ultrafiltration modules 3b, 3c supplying the filtrate from the filtrate side 5b of the ultrafiltration module 3a to be backflushed , since the pressure reducing member 10 is otherwise bypassed. The flushing valves Sa, Sb, Sc can be designed identically to the inlet valves Za, Zb, Zc, the retentate valves Ra, Rb, Rc and/or the filtrate valves Fa, Fb, Fc. In the embodiment variant shown in FIG. 1, the flushing valves Sa, Sb, Sc are formed by non-return valves. These are arranged in the individual lines 8a', 8b', 8c' in such a way that their respective input side is connected to the common section 8' and their respective output side is connected to the corresponding ultrafiltration module 3a, 3b, 3c. In one embodiment variant, the inlet valves Za, Zb, Zc and/or retentate valves Ra, Rb, Rc can be controlled, in particular switchable (open/closed) or adjustable (0...100%) control valves which are actuated, for example, electrically, electromagnetically or pneumatically will. For example, the control valves are controllable engine valves.
Erfindungsgemäß sind die Filtratventile Fa, Fb, Fc durch Rückflussverhinderer gebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass keine aktive Ansteuerung der Filtratventile Fa, Fb, Fc erforderlich ist. Diese Ausführung nutzt außerdem den Umstand aus, dass die lokalen Filtratleitungen 8a, 8b, 8c und die zweiten Leitungen 8a‘, 8b‘, 8c‘ jeweils nur in einer Richtung durchströmt werden bzw. werden dürfen und zwar je nach Betriebsfall „Filtern“ oder „Rückspülen“ alternativ. Da die Rückflussverhinderer Fa, Fb, Fc aufgrund ihrer Richtungsgebundenheit den Fluss nur in eine Richtung zu lassen, sind sie für die erfindungsgemäße Ultrafiltrationsanlage 1 besondere geeignet. Dabei sind sie derart in den lokalen Filtratleitungen 8a, 8b, 8c angeordnet, dass ihre Eingangsseite mit dem entsprechenden Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c und ihre Ausgangsseite mit der zentralen Filtratleitung 8 verbunden sind. According to the invention, the filtrate valves Fa, Fb, Fc are formed by non-return valves. This has the advantage that no active activation of the filtrate valves Fa, Fb, Fc is required. This design also makes use of the fact that the local filtrate lines 8a, 8b, 8c and the second lines 8a', 8b', 8c' are or may only be flowed through in one direction, depending on the operating case "filtering" or " Backwash” alternative. Because the non-return valves Fa, Fb, Fc allow flow in only one direction due to their directional nature, they are particularly suitable for the ultrafiltration system 1 according to the invention. They are arranged in the local filtrate lines 8a, 8b, 8c in such a way that their input side is connected to the corresponding ultrafiltration module 3a, 3b, 3c and their output side is connected to the central filtrate line 8.
Liegt der an den Rückflussverhinderern Fa, Fb, Fc von der Eingangsseite zur Ausgangsseite anliegende Druck über einem gewissen Öffnungsdruck PRFV, öffnet der entsprechende Rückflussverhinderer Fa, Fb, Fc unabhängig vom Volumenstrom. Dieser Öffnungsdruck PRFV liegt auch für minimalste Volumenströme z.B. bei ca. 0,3 bar. Aus dieser, in Fachkreisen als nachteilig empfundenen Eigenschaft, erwächst im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Vorteil, dass die Rückflussverhinderer Fa, Fb, Fc als Strömungsindikatoren verwendet werden können. Während der Öffnungsdruck üblicher Rückflussverhinderer über der Messtoleranz einfacher und preiswerter Drucksensoren liegt und damit sicher erkannt werden kann, sind minimale Volumenströme nur mit speziellen, teuren Volumenstromsensoren messbar. Durch die Verwendung von Rückflussverhinderern Fa, Fb, Fc zwischen den Ultrafiltrationsmodulen 3a, 3b, 3c und der zentralen Filtratleitung 8 erübrigt sich jedoch die Notwendigkeit einer Volumenstromerfassung für eine Strömungsindikation. Vielmehr ermöglicht es die Druckdifferenz über der Reihenschaltung aus Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c und zugehörigem Rückflussverhinderer Fa, Fb, Fc eine Aussage über ein Öffnen oder Nichtöffnen des Rückflussverhinderers Fa, Fb, Fc und damit auch eine Aussage über das Fließen oder Nichtfließen von Filtrat selbst bei kleinsten Volumenströmen zu erkennen. Dies wiederum eröffnet die Möglichkeit zu erkennen, ob und wenn die Ultrafiltrationsmembran 6 beschädigt ist, d.h. ihre Integrität verloren hat. If the pressure applied to the non-return valves Fa, Fb, Fc from the inlet side to the outlet side is above a certain opening pressure PRFV, the corresponding non-return valve Fa, Fb, Fc opens independently of the volume flow. This opening pressure PRFV is, for example, approx. 0.3 bar even for the smallest volume flows. From this property, which is perceived as disadvantageous in professional circles, the advantage arises within the scope of the present invention that the backflow preventers Fa, Fb, Fc can be used as flow indicators. While the opening pressure of normal backflow preventers is above the measuring tolerance of simple and inexpensive pressure sensors and can therefore be reliably detected, minimal volume flows can only be measured with special, expensive volume flow sensors. However, the use of backflow preventers Fa, Fb, Fc between the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c and the central filtrate line 8 eliminates the need for a volume flow rate detection for a flow indication. Rather, it allows the pressure difference across the series connection of ultrafiltration module 3a, 3b, 3c and associated Backflow preventer Fa, Fb, Fc a statement about an opening or non-opening of the backflow preventer Fa, Fb, Fc and thus also a statement about the flow or non-flow of filtrate even with the smallest volume flows. This in turn opens up the possibility of recognizing whether and when the ultrafiltration membrane 6 is damaged, ie has lost its integrity.
Die Dicke der Linien in Figur 1 symbolisiert den auf der entsprechenden wasserführenden Leitung befindlichen Druck, wobei der Druck umso größer ist, je dicker die Linie ist. Die gestrichelten Leitungen führen demgegenüber in dem dargestellten Betriebsfall kein Wasser, weil das entsprechende Ventil geschlossen ist. The thickness of the lines in FIG. 1 symbolizes the pressure on the corresponding water-carrying line, the pressure being greater the thicker the line is. In contrast, the dashed lines carry no water in the operating case shown, because the corresponding valve is closed.
Die Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c sind in dieser Ausführungsvariante aus einem länglichen, im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse gebildet. Sie besitzen jeweils eine Vielzahl Hohlfasermembranen 6 zwischen der Rohwasserseite 5a und der Filtratseite 5b, wobei in dieser Ausführungsvariante das Innere der Hohlfasermembranen zur Rohwasserseite 5a und der Raumbereich außerhalb der Hohlfasermembranen 6 zur Filtratseite 5b gehört. Jede der beiden Seiten 5a, 5b besitzt die bereits angesprochenen zwei Anschlüsse, die jeweils an gegenüberliegenden axialen Enden des Gehäuses angeordnet sind. In der bestimmungsgemäß senkrechten Anordnung der Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c besitzt somit jedes Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c einen unteren Zulaufanschluss 4au und einen oberen Zulaufanschluss 4ao jeweils zur Rohwasserseite 5a hin, sowie einen oberen Ablaufanschluss 4bo und einen unteren Zulaufanschluss 4bu jeweils zur Filtratseite 5b hin. In this embodiment variant, the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c are formed from an elongate, essentially cylindrical housing. They each have a large number of hollow fiber membranes 6 between the raw water side 5a and the filtrate side 5b, with the interior of the hollow fiber membranes belonging to the raw water side 5a and the space outside the hollow fiber membranes 6 to the filtrate side 5b in this embodiment variant. Each of the two sides 5a, 5b has the two connections already mentioned, which are each arranged on opposite axial ends of the housing. In the intended vertical arrangement of the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c, each ultrafiltration module 3a, 3b, 3c thus has a lower inlet connection 4au and an upper inlet connection 4ao each for the raw water side 5a, as well as an upper outlet connection 4bo and a lower inlet connection 4bu each for the filtrate side 5b there.
Die Ultrafiltrationsanlage 1 umfasst des Weiteren einen Eingangsdrucksensor 11 zur Messung des Eingangsdrucks Pzu in der Versorgungsleitung 2 sowie einen Ausgangsdrucksensor 12 zur Messung des Ausgangsdrucks Pab in der zentralen Filtratleitung 8. Darüber hinaus ist ein weiterer Drucksensor 14 mit dem gemeinsamen Abschnitt 8‘ der zweiten Leitung 8‘, 8a, 8b, 8c verbunden, um den Rückspüldruck PSP zu messen. Die Messsignale dieser Drucksensoren 11 , 12, 14 sind einer Anlagensteuerung 9 zugeführt. Diese umfasst in Gestalt von Funktionseinheiten eine Auswerteeinheit 13 und eine Überwachungseinheit 16. Die Auswerteeinheit 13 berechnet aus den Messwerten Pzu, Pa die Druckdifferenz APAN zwischen dem Druck Pzu im Rohwasserzulauf 2 und dem Druck Pab im Filtratablauf 8: APAN = Pzu - Pab. Dies wird auch als Anlagendruck oder Druck über der Anlage bezeichnet. Die Druckdifferenz APAN wird dann der Überwachungseinheit 16 zugeführt, um sie dahingehend auszuwerten, ob ein Integritätsverlust einer Ultrafiltrationsmembran 6 eines der Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c vorliegt. Wann dies der Fall ist und wie dies erkannt wird, ist nachfolgend anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben. The ultrafiltration system 1 also includes an inlet pressure sensor 11 for measuring the inlet pressure Pzu in the supply line 2 and an outlet pressure sensor 12 for measuring the outlet pressure Pab in the central filtrate line 8. In addition, another pressure sensor 14 is connected to the common section 8' of the second line 8 ', 8a, 8b, 8c connected to measure the backwash pressure PSP. The measurement signals from these pressure sensors 11 , 12 , 14 are fed to a system controller 9 . This comprises an evaluation unit 13 and a monitoring unit 16 in the form of functional units. The evaluation unit 13 uses the measured values Pzu, Pa to calculate the pressure difference APAN between the pressure Pzu in the raw water inlet 2 and the pressure Pab in the filtrate outlet 8: APAN = Pzu - Pab. This is also known as plant pressure or pressure across the plant. The pressure difference APAN is then fed to the monitoring unit 16 in order to evaluate it to determine whether there is a loss of integrity in an ultrafiltration membrane 6 of one of the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c. When this is the case and how this is recognized is described below with reference to FIGS.
Figur 2 veranschaulicht verschiedenen Betriebsfälle A, B, C und D der Ultrafiltrationsanlage 1 , bei denen jeweils der Volumenstrom Q einerseits und die Druckdifferenz APAN andererseits betrachtet werden. Bei Betriebsfall A wird kein Trinkwasser entnommen. In diesem Fall ist der Druck Pab in der zentralen Filtratleitung 8 identisch dem Druck Pzu in der zentralen Versorgungsleitung 2, so dass die Druckdifferenz APAN null ist, d.h. kein Druck über der Anlage abfällt. In diesem Zustand kann zwar kein Membrandefekt erkannt werden, jedoch strömt dann auch kein Rohwasser ungefiltert durch die Membran 6. FIG. 2 illustrates various operating cases A, B, C and D of the ultrafiltration system 1, in which the volume flow Q on the one hand and the pressure difference APAN on the other hand are considered. In operating case A, no drinking water is drawn off. In this case, the pressure Pab in the central filtrate line 8 is identical to the pressure Pzu in the central supply line 2, so that the pressure difference APAN is zero, i.e. no pressure drop across the system. Although no membrane defect can be detected in this state, no raw water then flows unfiltered through the membrane 6.
Für die übrigen Betriebsfällen B, C, D wird zwischen der Hauptverbrauchszeit und der Nebenverbrauchszeit unterschieden. Die Nebenverbrauchszeit ist der Zeitraum außerhalb der Hauptverbrauchszeit. Im Wesentlichen deckt sich die Hauptverbrauchszeit mit dem Tag und die Nebenverbrauchszeit mit der Nacht. Beispielsweise liegt die Hauptverbrauchszeit zwischen 6 Uhr morgens und 18 Uhr abends, die Nebenverbrauchszeit zwischen 18 Uhr abends und 6 Uhr morgens. For the other operating cases B, C, D, a distinction is made between the main consumption time and the secondary consumption time. The secondary consumption time is the period outside of the main consumption time. Essentially, the main consumption time coincides with the day and the secondary consumption time with the night. For example, the main usage time is between 6 a.m. and 6 p.m., the secondary usage time is between 6 p.m. and 6 a.m.
Betriebsfall C stellt den Hauptbetriebsfall am Tag dar. Im gewöhnlichen Tagesgebrauch der Ultrafiltrationsanlage 1 besteht eine sehr dynamische aber konstant hohe Wasserentnahme. Der daraus resultierende Volumenstrom Q = Qnorm verursacht über der Membran 6 einen Druckabfall PTMP (den Transmembrandruck), der mit der Zeit ansteigt, da sich an der Oberfläche der Membran 6 zunehmend Partikel und Mikroorganismen aus dem Rohwasser anlagern. Der TMP bildet gemeinsam mit dem Öffnungsdruck PRFV des Rückflussverhinderers Fa, Fb, Fc den Druckabfall APAN über der Anlage 1 . Da die Ultrafiltrationsmodule 3a, 3b, 3c parallel liegen, ist der Druckabfall über jeder der Reihenschaltungen aus Ultrafiltrationsmodul und Rückflussverhinderer 3a + Fa, 3b + Fb, 3c + Fc gleich dem Druckabfall APAN über der Anlage 1 , so dass die Betrachtung einer der Reihenschaltung ausreicht. Weitere Druckabfälle, beispielsweise durch Rohrreibungsverluste, sind vernachlässigbar klein und werden hier der Einfachheit halber nicht berücksichtigt. Die berechnete Druckdifferenz PAN teilt sich also auf den TMP PTMP und den Öffnungsdruck PRFV auf, so dass gilt: Operating case C represents the main operating case during the day. In normal daily use of the ultrafiltration system 1, there is a very dynamic but constantly high water extraction. The resulting volume flow Q=Qnorm causes a pressure drop PTMP (the transmembrane pressure) across the membrane 6, which increases over time because particles and microorganisms from the raw water increasingly accumulate on the surface of the membrane 6. The TMP together with the opening pressure PRFV of the backflow preventer Fa, Fb, Fc forms the Pressure drop APAN across the system 1 . Since the ultrafiltration modules 3a, 3b, 3c are parallel, the pressure drop across each of the series circuits of ultrafiltration module and backflow preventer 3a + Fa, 3b + Fb, 3c + Fc is equal to the pressure drop APAN across the system 1, so that considering one of the series circuits is sufficient . Other pressure drops, for example due to pipe friction losses, are negligibly small and are not taken into account here for the sake of simplicity. The calculated pressure difference PAN is divided between the TMP PTMP and the opening pressure PRFV, so that:
APAN = Pzu - Pab = PRFV + PTMP APAN = Pzu - Pab = PRFV + PTMP
Die Druckdifferenz PAN ist somit deutlich größer als der Öffnungsdruck PRFV des Rückflussverhinderers Fa, Fb, Fc. Die Integrität ist in Betriebsfall C in Ordnung. The pressure difference PAN is thus significantly greater than the opening pressure PRFV of the non-return valve Fa, Fb, Fc. In operating case C, the integrity is OK.
Im Betriebsfall D ist die Integrität der Filtermembran 6 verloren gegangen (hier genügt es, wenn allein eine von mehreren Membran 6 im Filtermodul 3a, 3b, 3c beschädigt ist). Sie hat keinen bzw. das Filtermodul 3a, 3b, 3c nur noch einen vernachlässigbar geringen hydraulischen Widerstand, so dass der TMP PTMP annähernd gleich null ist. Folgemäßig liegt der Druckabfall APAN über der Anlage 1 nur noch im Bereich des Öffnungsdrucks PRFV des Rückflussverhinderers Fa, Fb, Fc: APAN ~ PRFV, wobei weiterhin eine konstant hohe Wasserentnahme vorliegt und der daraus resultierende Volumenstrom Q = Qnorm normal ist und keinen Hinweis auf einen Integritätsverlust gibt. Folgemäßig ist die Feststellung, dass die Druckdifferenz PAN zwischen dem Druck im Rohwasserzulauf 2 und dem Druck im Filtratablauf 8 im Bereich des Öffnungsdrucks PRFV liegt, ein Hinweis auf einen Integritätsverlust der Filtermembran. In operating case D, the integrity of the filter membrane 6 has been lost (here it is sufficient if just one of several membranes 6 in the filter module 3a, 3b, 3c is damaged). It has no hydraulic resistance, or the filter module 3a, 3b, 3c only has a negligibly small hydraulic resistance, so that the TMP PTMP is approximately equal to zero. As a result, the pressure drop APAN across system 1 is only in the range of the opening pressure PRFV of the non-return valve Fa, Fb, Fc: APAN ~ PRFV, whereby there is still a constantly high level of water withdrawal and the resulting volume flow Q = Qnorm is normal and there is no indication of one loss of integrity. Consequently, the finding that the pressure difference PAN between the pressure in the raw water inlet 2 and the pressure in the filtrate outlet 8 is in the range of the opening pressure PRFV is an indication of a loss of integrity of the filter membrane.
In der Regel liegt der nominale Öffnungsdruck PRFV bei ca. 0,3bar. Herstellungsbedingte Toleranzen und Temperatureinflüsse, lassen diesen jedoch in der Praxis schwanken. Beispielsweise kann eine Toleranz T von ± 10% berücksichtigt werden, die ein Toleranzband 15 um den nominalen Öffnungsdruck PRFV mit einer oberen Grenze des Werts PRFV + T und einer unteren Grenze des Werts PRFV - T definiert. Zur Feststellung eines Integritätsverlusts wird ein Grenzwert PRFV + T verwendet, der der oberen Grenze des Toleranzbands 15 entspricht. Es kann jedoch auch ein höherer Werte zwischen der oberen Grenze und der Summe aus nominalem Öffnungsdruck PRFV und TMP bei sauberer Membran 6 verwendet werden. As a rule, the nominal opening pressure PRFV is around 0.3 bar. However, production-related tolerances and temperature influences allow this to vary in practice. For example, a tolerance T of ±10% can be taken into account, which defines a tolerance band 15 around the nominal opening pressure PRFV with an upper limit of the value PRFV+T and a lower limit of the value PRFV−T. A limit value PRFV+T, which corresponds to the upper limit of the tolerance band 15, is used to determine a loss of integrity. However, a higher value between the upper limit and the sum of the nominal opening pressure PRFV and TMP with a clean membrane 6 can also be used.
Theoretisch kann es vorkommen, dass in der Hauptverbrauchszeit die Wasserentnahme kurzzeitig derart gering ist, dass sich der TMP kaum von null unterscheidet. Um diesen Fall von einem Integritätsverlust zu unterscheiden, wird mit der Unterschreitung des Grenzwerts ein Zähler (Timer) gestartet, um zu prüfen, wie lange dieser Zustand anhält. Ist eine bestimmte zeitliche Dauer T1 z.B. 5 Minuten überschritten, kann mit Sicherheit von einem Integritätsverlust ausgegangen werden. Theoretically, it can happen that during the main consumption time, the water withdrawal is so low for a short time that the TMP hardly differs from zero. In order to distinguish this case from a loss of integrity, a counter (timer) is started when the limit value is not reached in order to check how long this condition lasts. If a certain period of time T1, e.g. 5 minutes, is exceeded, a loss of integrity can be assumed with certainty.
Betriebsfall B betrifft den Verbrauch außerhalb der Hauptverbrauchszeit, insbesondere in der Nacht, der üblicherweise durch keine oder minimale Wasserentnahmen gekennzeichnet ist. Somit ist es hier eher der Fall, dass die Druckdifferenz PAN im Bereich des Öffnungsdrucks PRFV liegt. Um diesen fehlerfreien Betriebsfall B1 von einem Betriebsfall B2 mit Integritätsverlust zu unterscheiden, wird auch hier mit der Unterschreitung des Grenzwerts ein Zähler (Timer) gestartet, um zu prüfen, wie lange dieser Zustand anhält. Ist eine bestimmte zeitliche Dauer T2 z.B. 15 Minuten überschritten, kann mit Sicherheit von einem Integritätsverlust ausgegangen werden. Operating case B relates to consumption outside of the main consumption time, especially at night, which is usually characterized by no or minimal water withdrawal. It is therefore more the case here that the pressure difference PAN is in the range of the opening pressure PRFV. In order to distinguish this error-free operating case B1 from an operating case B2 with a loss of integrity, a counter (timer) is also started here when the limit value is undershot in order to check how long this state lasts. If a certain period of time T2, e.g. 15 minutes, is exceeded, a loss of integrity can be assumed with certainty.
Die zeitliche Dauer T1 ist geringer als die zeitliche Dauer T2 gewählt, weil aufgrund der für gewöhnlich hohen Wasserentnahme und starken Dynamik in der Hauptverbrauchszeit ein minimaler Volumenstrom bzw. eine Druckdifferenz APAN über der Anlage 1 im Bereich des Öffnungsdrucks PRFV des Rückflussverhinderers Fa, Fb, Fc nur kurzzeitig vorliegen sollte. The time duration T1 is selected to be shorter than the time duration T2, because due to the usually high water withdrawal and strong dynamics in the main consumption time, a minimum volume flow or a pressure difference APAN across the system 1 in the range of the opening pressure PRFV of the backflow preventer Fa, Fb, Fc should only be available for a short time.
Es sei angemerkt, dass, obwohl die in Figur 2 skizzierten Betriebsfälle A, B, C, D über einem gemeinsamen Zeitstrahl t aufgetragen sind, die Nebeneinanderstellung der Betriebsfälle A, B, C, D in keiner Weise deren zeitliche Abfolge angibt. Allerdings wird in der Praxis Betriebsfall D auf Betriebsfall C und Betriebsfall B2 auf Betriebsfall B1 folgen. Der gemeinsamen Zeitstrahl t ist hier nur zur Vereinfachung der grafischen Darstellung gewählt. Figur 3 veranschaulicht den Verfahrensablauf der erfindungsgemäßen Integritätsüberwachung während des Filterbetriebs der Ultrafiltrationsanlage 1. Das Verfahren kann sogar auch dann ausgeführt werden, wenn die Anlage 1 eines der Filtermodule 3a, 3b, 3c rückspült. It should be noted that although the operating cases A, B, C, D outlined in FIG. 2 are plotted over a common time line t, the juxtaposition of the operating cases A, B, C, D in no way indicates their chronological sequence. However, in practice case D will follow case C and case B2 will follow case B1. The common timeline t is chosen here only to simplify the graphic representation. FIG. 3 illustrates the process sequence of the integrity monitoring according to the invention during filter operation of the ultrafiltration system 1. The process can even be carried out when the system 1 is backwashing one of the filter modules 3a, 3b, 3c.
Das Verfahren beginnt folglich im Filtrationsbetrieb, Schritt S1. Während dieses Betriebs werden der Druck Pzu im Rohwasserzulauf 2 mittels des Drucksensors 11 und der Druck Pab im Filtratablauf 8 mittels des Drucksensors 12 gemessen und die Messwerte an die Auswerteeinheit 13 übermittelt, welche daraus die Druckdifferenz APAN = Pzu - Pab berechnet. Dies erfolgt in Schritt S2. The method thus begins in the filtration mode, step S1. During this operation, the pressure Pzu in the raw water inlet 2 is measured by the pressure sensor 11 and the pressure Pab in the filtrate outlet 8 by the pressure sensor 12 and the measured values are transmitted to the evaluation unit 13, which uses them to calculate the pressure difference APAN = Pzu - Pab. This takes place in step S2.
Die berechnete Druckdifferenz PAN wird der Überwachungseinheit 16 zur Verfügung gestellt, welche die Druckdifferenz APAN dahingehend überprüft, ob sie zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert, insbesondere im Toleranzband 15 liegt, Schritt S3. Der obere Grenzwert entspricht hier dem Öffnungsdruck PRFV des Rückflussverhinderers Fa, Fb, Fc zuzüglich einer Toleranz T, z.B. +10%. Er kann jedoch auch höher sein, wie dies zuvor beschrieben wurde. Der untere Grenzwert entspricht hier dem Öffnungsdruck PRFV des Rückflussverhinderers Fa, Fb, Fc abzüglich einer Toleranz T, z.B. +10%. Er kann jedoch auch niedriger sein oder sogar null betragen. The calculated pressure difference PAN is made available to the monitoring unit 16, which checks the pressure difference APAN to see whether it lies between an upper and a lower limit value, in particular within the tolerance band 15, step S3. The upper limit here corresponds to the opening pressure PRFV of the non-return valve Fa, Fb, Fc plus a tolerance T, e.g. +10%. However, it can also be higher, as previously described. The lower limit here corresponds to the opening pressure PRFV of the non-return valve Fa, Fb, Fc minus a tolerance T, e.g. +10%. However, it can also be lower or even be zero.
Es erfolgt somit in einem Teilschritt ein Vergleich der Druckdifferenz APAN mit dem oberen Grenzwert, genauer gesagt eine Prüfung, ob die Druckdifferenz APAN unter dem oberen Grenzwert liegt. Die Erfüllung dieser Bedingung allein lässt bereits auf einen Integritätsfehler schließen. Der in dem zweiten Teilschritt erfolgende Vergleich der Druckdifferenz APAN mit dem unteren Grenzwert, genauer gesagt die Prüfung, ob die Druckdifferenz APAN über dem unteren Grenzwert liegt, dient der Unterscheidung des Integritätsfehlers vom Betriebsfall A, d.h. den Fall fehlender Wasserentnahme. Damit kann der zweite Vergleich als Verifikation der Annahme „Integritätsfehler“ aus dem ersten Vergleich betrachtet werden. Im einfachsten Fall kann der zweite Teilschritt auch in der Prüfung bestehen, ob die Druckdifferenz APAN größer als null ist. Liegt die Druckdifferenz APAN über dem oberen Grenzwert oder unter dem unteren Grenzwert, so ist die Integrität der Membran 6 in Ordnung (nein-Zweig) und es erfolgt die Feststellung „Kein Integritätsverlust“ in Schritt S9. In a partial step, the pressure difference APAN is compared with the upper limit value, more precisely, a check is made as to whether the pressure difference APAN is below the upper limit value. The fulfillment of this condition alone already indicates an integrity error. The comparison of the pressure difference APAN with the lower limit value that takes place in the second sub-step, more precisely the check as to whether the pressure difference APAN is above the lower limit value, serves to distinguish the integrity error from operating case A, ie the case of no water withdrawal. The second comparison can thus be viewed as a verification of the “integrity error” assumption from the first comparison. In the simplest case, the second sub-step can also consist of checking whether the pressure difference APAN is greater than zero. If the pressure difference APAN is above the upper limit value or below the lower limit value, then the integrity of the membrane 6 is OK (no branch) and the determination “no loss of integrity” is made in step S9.
Liegt die Druckdifferenz PAN zwischen dem oberen und unteren Grenzwert, so wird weiter geprüft, ob aktuell die Hauptverbrauchszeit vorliegt, Schritt S4. Ist dies der Fall wird das Verfahren bei Schritt S5 fortgesetzt (ja-Zweig), anderenfalls bei Schritt S8 (nein-Zweig). Bei der Fallunterscheidung in Schritt S4 wird lediglich entschieden, welche Dauer T1 für die Hauptverbrauchszeit oder T2 für die Nebenverbrauchszeit im Folgeschritt S5, S8 zu berücksichtigen ist. If the pressure difference PAN is between the upper and lower limit values, a further check is made as to whether the main consumption time is currently present, step S4. If this is the case, the method continues with step S5 (yes branch), otherwise with step S8 (no branch). In the case differentiation in step S4, it is only decided which duration T1 is to be taken into account for the main consumption time or T2 for the secondary consumption time in the subsequent step S5, S8.
Es wird anschließend überwacht, ob die Druckdifferenz APAN für eine zeitliche Dauer unter dem oberen Grenzwert verbleibt. Diese Prüfung wird in Schritt S5 für die zeitliche Dauer T1 , in Schritt S8 für die zeitliche Dauer T2 durchgeführt. Genauer betrachtet, wird in diesen Schritten S5, S8 jeweils zunächst ein Zähler gestartet und anschließend wiederholt und abwechseln Schritt S2 und die Prüfung durchgeführt, ob die Druckdifferenz APAN unter dem oberen Grenzwert verbleibt, bis die entsprechende Dauer T1 , T2 erreicht ist. Steigt die Druckdifferenz APAN innerhalb der entsprechenden Dauer T1 , T2 wieder über den oberen Grenzwert (nein-Zweig von S5, S8), war die kurzzeitige Unterschreitung des oberen Grenzwerts lediglich das Ergebnis einer minimalen Wasserentnahme, und es liegt kein Integritätsverlust vor, Schritt S9. Das Verfahren wird dann wieder am Anfang bei Schritt S1 fortgesetzt, da die Integritätsüberwachung kontinuierlich im Filtrationsbetrieb aktiv ist. It is then monitored whether the pressure difference APAN remains below the upper limit value for a period of time. This check is carried out in step S5 for the duration T1, in step S8 for the duration T2. More precisely, in these steps S5, S8 a counter is first started and then step S2 and the test are repeated and carried out alternately as to whether the pressure difference APAN remains below the upper limit value until the corresponding duration T1, T2 is reached. If the pressure difference APAN rises above the upper limit value again within the corresponding period T1, T2 (no branch of S5, S8), the brief undershooting of the upper limit value was merely the result of minimal water removal and there is no loss of integrity, step S9. The method is then continued again at the beginning at step S1, since the integrity monitoring is continuously active in the filtration operation.
Verbleibt die Druckdifferenz APAN jedoch für die entsprechende Dauer T1 , T2 unter dem oberen Grenzwert (ja-Zweig von S5, S8), ist die Unterschreitung des oberen Grenzwerts tatsächlich das Ergebnis eines Integritätsverlusts, so dass in Schritt S6 eine solche Feststellung getroffen wird. In Schritt S7 wird infolgedessen eine Fehlermeldung ausgegeben. However, if the pressure difference APAN remains below the upper limit value for the corresponding period T1, T2 (yes branch of S5, S8), falling below the upper limit value is actually the result of a loss of integrity, so that such a determination is made in step S6. As a result, an error message is output in step S7.
Somit kann zu jeder des Filtrationsbetriebs auf einfache Weise zuverlässig ein Integritätsverlust erkannt werden. Es sei angemerkt, dass mit dem beschriebenen Verfahren lediglich festgestellt werden, dass bzw. wenn ein Integritätsverlust irgendeiner Membran 6 eines Ultrafiltrationsmoduls 3a, 3b, 3c vorliegt. Um herauszufinden, wo bzw. in welchem Filtermodul 3a, 3b, 3c die der Fall ist, können diese nacheinander außer Betriebs genommen werden, indem die Zulaufventile Za, Zb, Zc nacheinander geschlossen werden. Wird das Zulaufventile Za, Zb, Zc desjenigen Ultrafiltrationsmoduls 3a, 3b, 3c geschlossen, das die defekte Membran 6 hat, steigt die Druckdifferenz APAN wieder über den oberen Grenzwert. Damit ist auch der Ort des Integritätsfehlers aufgespürt. A loss of integrity can thus be reliably detected for each of the filtration operations in a simple manner. It should be noted that the method described only establishes that or if there is a loss of integrity in any membrane 6 of an ultrafiltration module 3a, 3b, 3c. In order to find out where or in which filter module 3a, 3b, 3c this is the case, these can be taken out of operation one after the other by closing the inlet valves Za, Zb, Zc one after the other. If the inlet valves Za, Zb, Zc of that ultrafiltration module 3a, 3b, 3c that has the defective membrane 6 is closed, the pressure difference APAN rises above the upper limit value again. This means that the location of the integrity error has also been tracked down.
Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung lediglich beispielhaft zum Zwecke der Veranschaulichung gegeben ist und den Schutzbereich der Erfindung keineswegs einschränkt. Merkmale der Erfindung, die als „kann“, „beispielhaft“, „bevorzugt“, „optional“, „ideal“, „vorteilhaft“, „gegebenenfalls“ oder „geeignet“ angegeben sind, sind als rein fakultativ zu betrachten und schränken ebenfalls den Schutzbereich nicht ein, welcher ausschließlich durch die Ansprüche festgelegt ist. Soweit in der vorstehenden Beschreibung Elemente, Komponenten, Verfahrensschritte, Werte oder Informationen genannt sind, die bekannte, naheliegende oder vorhersehbare Äquivalente besitzen, werden diese Äquivalente von der Erfindung mit umfasst. Ebenso schließt die Erfindung jegliche Änderungen, Abwandlungen oder Modifikationen von Ausführungsbeispielen ein, die den Austausch, die Hinzunahme, die Änderung oder das Weglassen von Elementen, Komponenten, Verfahrensschritte, Werten oder Informationen zum Gegenstand haben, solange der erfindungsgemäße Grundgedanke erhalten bleibt, ungeachtet dessen, ob die Änderung, Abwandlung oder Modifikationen zu einer Verbesserung oder Verschlechterung einer Ausführungsform führt. It should be understood that the foregoing description is given by way of example for purposes of illustration and does not limit the scope of the invention in any way. Features of the invention that are indicated as "may", "exemplary", "preferred", "optional", "ideal", "advantageous", "optional" or "suitable" are to be considered purely optional and also limit the does not include a scope of protection, which is defined solely by the claims. Insofar as elements, components, process steps, values or information are mentioned in the above description which have known, obvious or foreseeable equivalents, these equivalents are also included in the invention. The invention also includes any changes, alterations or modifications of exemplary embodiments which have the exchange, addition, alteration or omission of elements, components, method steps, values or information as their subject matter, as long as the basic idea according to the invention is retained, regardless of whether the change, alteration, or modifications improves or degrades an embodiment.
Obgleich die vorstehende Erfindungsbeschreibung eine Vielzahl körperlicher, unkörperlicher oder verfahrensgegenständlicher Merkmale in Bezug zu einem oder mehreren konkreten Ausführungsbeispiel(en) nennt, so können diese Merkmale auch isoliert von dem konkreten Ausführungsbeispiel verwendet werden, jedenfalls soweit sie nicht das zwingende Vorhandensein weiterer Merkmale erfordern. Umgekehrt können diese in Bezug zu einem oder mehreren konkreten Ausführungsbeispiel(en) genannten Merkmale beliebig miteinander sowie mit weiteren offenbarten oder nicht offenbarten Merkmalen von gezeigten oder nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden, jedenfalls soweit sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen oder zu technischen Unvereinbarkeiten führen. Although the above description of the invention mentions a large number of physical, non-physical or procedural features in relation to one or more specific exemplary embodiments, these features can also be used in isolation from the specific exemplary embodiment, at least insofar as they do not necessarily require the presence of further features. Conversely, these features mentioned in relation to one or more specific exemplary embodiment(s) may or may not be disclosed in any way with one another and with others disclosed features of shown or not shown embodiments can be combined, at least insofar as the features are not mutually exclusive or lead to technical incompatibilities.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Ultrafiltrationsanlage 1 ultrafiltration plant
2 Rohrwasserzulauf, zentrale Versorgungsleitung 2 pipe water inlet, central supply line
2a, 2b, 2c lokale Versorgungsleitung 2a, 2b, 2c local supply line
3 Ultrafiltrationseinheit 3 ultrafiltration unit
3a, 3b, 3c Ultrafiltrationsmodul 3a, 3b, 3c ultrafiltration module
4ao oberer Zulaufanschluss 4ao upper inlet connection
4au unterer Zulaufanschluss 4au lower inlet connection
4bo oberer Ablaufanschluss 4bo top drain connection
4bu unterer Zulaufanschluss 4bu lower inlet connection
5a Rohwasserseite 5a raw water side
5b Filtratseite 5b filtrate side
6 Filtrationsmembran 6 filtration membrane
7 zentrale Retentatleitung 7 central retentate line
7a, 7b, 7c lokale Retentatleitungen 7a, 7b, 7c local retentate lines
8 Filtratablauf, zentrale Filtratleitung 8 Filtrate drain, central filtrate line
8a, 8b, 8c lokale erste Filtratleitung, erste Leitung zur Filtratableitung8a, 8b, 8c local first filtrate line, first line for filtrate discharge
8a‘, 8b‘, 8c‘ lokale zweite Filtratleitung, zweite Leitung zur Filtratzuleitung8a', 8b', 8c' local second filtrate line, second line to filtrate feed line
8‘ gemeinsamer Abschnitt der zweiten Filtratleitung 8' common section of the second filtrate line
9 Anlagensteuerung 9 plant control
10 Druckreduzierelement 10 pressure reducing element
11 Eingangsdrucksensor 11 inlet pressure sensor
12 Ausgangsdrucksensor 12 outlet pressure sensor
13 Auswerteeinheit 13 evaluation unit
14 Rückspüldrucksensor 14 backwash pressure sensor
15 Toleranzband 15 tolerance band
16 Überwachungseinheit 16 surveillance unit
17 Volumenzähler 20 Rohwasserquelle 17 volume counters 20 Raw Water Source
30 Verbraucher 30 consumers
40 freier Ablauf 40 free drain
Za, Zb, Zc ZulaufventileZa, Zb, Zc inlet valves
Ra, Rb, Rc RetentatventileRa, Rb, Rc retentate valves
Fa, Fb, Fc FiltratventileFa, Fb, Fc filtrate valves
Sa, Sb, Sc Rückspülventile Sa, Sb, Sc backwash valves

Claims

25 25
Ansprüche Verfahren zur Überwachung der Integrität einer Ultrafiltrationsmembran (6) in einem Filtermodul (3a, 3b, 3c) einer Ultrafiltrationsanlage (1 ) zur Trinkwasseraufbereitung während ihres Filterbetriebs, wobei die Anlage einen Rohwasserzulauf (2) und einen Filtratablauf (8) aufweist, zwischen denen das Filtermodul (3a, 3b, 3c) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass gefiltertes Trinkwasser vom Filtermodul (3a, 3b, 3c) über einen Rückflussverhinderer (Fa, Fb, Fc) zum Filtratablauf (8) fließt, der bei einem Filtratfluss einen bekannten Öffnungsdruck (PRFV) aufweist, wobei die Druckdifferenz (APAN) zwischen dem Druck (Pzu) im Rohwasserzulauf (2) und dem Druck (Pab) im Filtratablauf (8) ermittelt und ein Integritätsverlust angenommen wird, wenn die Druckdifferenz (APAN) unterhalb einem Grenzwert (PRFV + T) liegt, der größer als der Öffnungsdruck (PRFV) ist. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (PRFV + T) maximal 20% über dem bekannten Öffnungsdruck (PRFV) liegt, vorzugsweise bei 10% oder 5% über dem bekannten Öffnungsdruck (PRFV). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (PRFV + T) eine obere Grenze eines Toleranzbandes (15) bildet, dessen untere Grenze durch einen weiteren Grenzwert (PRFV - T) definiert ist, und dass der Integritätsverlust nur dann angenommen wird, wenn die Druckdifferenz (APAN) innerhalb des Toleranzbands (15) liegt. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Grenzwert (PRFV - T) maximal 20% unter dem bekannten Öffnungsdruck (PRFV) liegt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Integritätsverlust nur dann angenommen wird, wenn die Grenzwertunterschreitung mindestens für eine vorbestimmte zeitliche Dauer (T1 , T2) besteht. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer (T1 , T2) zwischen 5 und 20 Minuten beträgt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Integritätsverlust dann angenommen wird, wenn die Grenzwertunterschreitung während einer Hauptverbrauchszeit für eine erste vorbestimmte zeitliche Dauer (T1 ) oder außerhalb der Hauptverbrauchszeit für eine zweite vorbestimmte zeitliche Dauer (T2) besteht, wobei die zweite zeitliche Dauer (T2) länger ist, als die erste zeitliche Dauer (T1 ). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, die erste zeitliche Dauer (T1 ) zwischen 5 und 10 Minuten und die zweite zeitliche Dauer zwischen 15 und 20 Minuten beträgt. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptverbrauchszeit zwischen 6 Uhr und 18 Uhr liegt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Warnmeldung ausgegeben wird, wenn der Integritätsverlust angenommen wird. Ultrafiltrationsanlage (1 ) zur Trinkwasseraufbereitung umfassend wenigstens ein Filtermodul (3a, 3b, 3c) mit einer Ultrafiltrationsmembran (6), einen Rohwasserzulauf (2) und einen Filtratablauf (7), zwischen denen das Filtermodul (3a, 3b, 3c) liegt, gekennzeichnet durch einen Rückflussverhinderer (Fa, Fb, Fc) zwischen dem Filtermodul (3a, 3b, 3c) und dem Filtratablauf (7), eine Sensorik (11 , 12, 13) zur Bestimmung der Druckdifferenz (APAN) zwischen dem Druck (Pzu) im Rohwasserzulauf (2) und dem Druck (Pab) im Filtratablauf (7) und eine Überwachungseinheit (16) zur Überwachung der Integrität der Ultrafiltrationsmembran (6), wobei die Überwachungseinheit (16) eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen. Claims Method for monitoring the integrity of an ultrafiltration membrane (6) in a filter module (3a, 3b, 3c) of an ultrafiltration system (1) for drinking water treatment during its filter operation, the system having a raw water inlet (2) and a filtrate outlet (8) between which the filter module (3a, 3b, 3c) is located, characterized in that filtered drinking water flows from the filter module (3a, 3b, 3c) via a backflow preventer (Fa, Fb, Fc) to the filtrate outlet (8), which has a known opening pressure when the filtrate flows (PRFV), wherein the pressure difference (APAN) between the pressure (Pzu) in the raw water inlet (2) and the pressure (Pab) in the filtrate outlet (8) is determined and a loss of integrity is assumed if the pressure difference (APAN) is below a limit value ( PRFV + T) that is greater than the cracking pressure (PRFV). Method according to claim 1, characterized in that the limit value (PRFV + T) is a maximum of 20% above the known opening pressure (PRFV), preferably 10% or 5% above the known opening pressure (PRFV). Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the limit value (PRFV + T) forms an upper limit of a tolerance band (15), the lower limit of which is defined by a further limit value (PRFV - T), and that the loss of integrity is only accepted when the pressure difference (APAN) is within the tolerance band (15). Method according to Claim 3, characterized in that the further limit value (PRFV - T) is at most 20% below the known opening pressure (PRFV). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the loss of integrity is only assumed if the limit value is not reached for at least a predetermined period of time (T1, T2). Method according to Claim 5, characterized in that the duration (T1, T2) is between 5 and 20 minutes. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the loss of integrity is assumed when the limit value is not reached during a main consumption time for a first predetermined time period (T1) or outside the main consumption time for a second predetermined time period (T2), the second duration (T2) is longer than the first duration (T1). Method according to Claim 7, characterized in that the first duration (T1) is between 5 and 10 minutes and the second duration is between 15 and 20 minutes. Method according to Claim 7 or 8, characterized in that the main usage time is between 6 a.m. and 6 p.m. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a warning message is issued if the loss of integrity is accepted. Ultrafiltration system (1) for drinking water treatment comprising at least one filter module (3a, 3b, 3c) with an ultrafiltration membrane (6), an untreated water inlet (2) and a filtrate outlet (7), between which the filter module (3a, 3b, 3c) is located by a backflow preventer (Fa, Fb, Fc) between the filter module (3a, 3b, 3c) and the filtrate outlet (7), a sensor system (11, 12, 13) for determining the pressure difference (APAN) between the pressure (Pzu) im raw water inlet (2) and the pressure (Pab) in the filtrate outlet (7) and a monitoring unit (16) for monitoring the integrity of the ultrafiltration membrane (6), the monitoring unit (16) being set up to carry out the method according to one of Claims 1 to 10 .
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