Überwachung der Integrität einer Ultrafiltrationsmembran im Filterbetrieb
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.
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.
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 von
Filtermembranen vorhanden sein kann/ können.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die zeitliche Dauer kann beispielsweise zwischen 5 und 20 Minuten betragen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es zeigen:
Figur 1 : eine erfindungsgemäße Ultrafiltrationsanlage
Figur 2: zwei Diagramme zur Veranschaulichung verschiedener Betriebsfälle der Ultrafiltrationsanlage
Figur 3: ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens
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.
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.
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.
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.
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:
![Figure imgf000015_0001](https://patentimages.storage.googleapis.com/80/a3/74/a1903bb39fc8f7/imgf000015_0001.png)
Wie in Figur 1 zu erkennen ist und nachfolgend als Konvention verwendet wird, kennzeichnen gefüllte Ventilsymbole geschlossene Ventile und unausgefüllte Ventilsymbole geöffnete Ventile.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bezugszeichenliste
1 Ultrafiltrationsanlage
2 Rohrwasserzulauf, zentrale Versorgungsleitung
2a, 2b, 2c lokale Versorgungsleitung
3 Ultrafiltrationseinheit
3a, 3b, 3c Ultrafiltrationsmodul
4ao oberer Zulaufanschluss
4au unterer Zulaufanschluss
4bo oberer Ablaufanschluss
4bu unterer Zulaufanschluss
5a Rohwasserseite
5b Filtratseite
6 Filtrationsmembran
7 zentrale Retentatleitung
7a, 7b, 7c lokale Retentatleitungen
8 Filtratablauf, zentrale Filtratleitung
8a, 8b, 8c lokale erste Filtratleitung, erste Leitung zur Filtratableitung
8a‘, 8b‘, 8c‘ lokale zweite Filtratleitung, zweite Leitung zur Filtratzuleitung
8‘ gemeinsamer Abschnitt der zweiten Filtratleitung
9 Anlagensteuerung
10 Druckreduzierelement
11 Eingangsdrucksensor
12 Ausgangsdrucksensor
13 Auswerteeinheit
14 Rückspüldrucksensor
15 Toleranzband
16 Überwachungseinheit
17 Volumenzähler
20 Rohwasserquelle
30 Verbraucher
40 freier Ablauf
Za, Zb, Zc Zulaufventile
Ra, Rb, Rc Retentatventile
Fa, Fb, Fc Filtratventile
Sa, Sb, Sc Rückspülventile