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Dokumentenidentifikation DE10301860A1 29.07.2004
Titel Membrananlage und Verfahren zur permeatseitigen Reinigung dieser Anlage
Anmelder Puron AG, 52070 Aachen, DE
Erfinder Kullmann, Christoph, Dipl.-Ing., 52249 Eschweiler, DE;
Schäfer, Stefan, Dr.-Ing., 52074 Aachen, DE;
Voßenkaul, Klaus, Dr.-Ing., 52074 Aachen, DE
Vertreter Andrejewski, Honke & Sozien, 45127 Essen
DE-Anmeldedatum 17.01.2003
DE-Aktenzeichen 10301860
Offenlegungstag 29.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.2004
IPC-Hauptklasse B01D 65/02
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur permeatseitigen Reinigung einer mit Kapillarmembranen (2) bestückten Membrananlage, deren Kapillarmembranen mit einem offenen, dem Permeatabfluss dienenden Ende an einen Permeatsammelraum (4) angeschlossen sind. Der Permeatsammelraum (4) ist in eine mit einer Umwälzpumpe (13) ausgerüsteten Kreislaufleitung (14) eingebunden. An die Kreislaufleitung (14) ist eine Einrichtung mit einer Speisepumpe (16) für die Zuführung von Reinigungsflüssigkeit (24), ein Permeatablauf (17) und ein Reinigungsmittelablauf (19) angeschlossen. Zur permeatseitigen Reinigung wird die Kreislaufleitung (14) zunächst mit Reinigungsflüssigkeit (24) befüllt. Anschließend wird die Reinigungsflüssigkeit (24) im geschlossenen Kreislauf im Permeatsammelraum verteilt, wobei die zum Permeatsammelraum (4) offenen Enden der Kapillarmembranen (2) von der im Kreislauf umgewälzten Reinigungsflüssigkeit (24) überströmt und dabei vorzugsweise ohne Rückspülung der Kapillarmembranen (2) gemeinsam mit dem Permeatsammelraum gereinigt werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur permeatseitigen Reinigung einer mit Kapillarmembranen bestückten Membrananlage, deren Kapillarmembranen mit einem offenen, dem Permeatabfluss dienenden Ende an einen Permeatsammelraum angeschlossen sind.

Membrananlagen zur Membranfiltration werden unter anderem zur Trinkwasseraufbereitung und zur Reinigung von kommunalem Abwasser und Industrieabwässern eingesetzt. Die Kapillarmembranen besitzen einen Durchmesser von weniger als 5 mm, wobei ein Durchmesserbereich zwischen 0,5 mm und 3 mm für viele Anwendung bevorzugt ist. Die Kapillarmembranen werden außenseitig von einer zu reinigenden Flüssigkeit umströmt oder sind in ein Becken mit der zu reinigenden Flüssigkeit abgetaucht. Die Triebkraft für die Membranfiltration ist eine Druckdifferenz, die rohwasserseitig durch einen Überdruck und/oder durch eine permeatseitige Druckerniedrigung realisiert werden kann. Die gereinigte Flüssigkeit, das Permeat, fließt im Innern der Kapillarmembranen ab und gelangt am offenen Ende der Kapillarmembranen in einen Permeatsammelraum, der mit einem Auslass für das Permeat ausgebildet ist.

In vorgegebenen Intervallen ist eine Spülung des Permeatsammelraumes mit einer Reinigungflüssigkeit erforderlich, um Feststoffe, bakteriellen Bewuchs, organische Rückstände und dergleichen zu beseitigen. Ferner erfolgt in vorgegebenen Intervallen eine Rückspülung der Kapillarmembranen. Hierbei wird eine Reinigungsflüssigkeit unter Druck dem Permeatsammelraum zugeführt, strömt in die Kapillarmembranen ein und permeiert durch die Kapillarmembranen hindurch nach außen. Dabei muss bei einer Rückspülung sichergestellt werden, dass alle Kapillarmembranen der zumeist aus mehreren Filtereinheiten bestehenden Membrananlage gleichmäßig mit der Reinigungsflüssigkeit beaufschlagt wird.

Bei einer aus DE 100 45 227 C1 bekannten Membrananlage zur Membranfiltration sind mehrere Faserbündel aus Kapillarmembranen nebeneinander an einen gemeinsamen Permeatsammelraum angeschlossen, der an einem Ende geschlossen und an seinem anderen Ende offen ist (2). Insbesondere, wenn für größere Membrananlagen eine Mehrzahl von Faserbündeln in einer Parallelschaltung an einen gemeinsamen Permeatsammelraum angeschlossen sind, wird eine Spülung des Permeatsammelraumes und eine Rückspülung der Kapillarmembranen problematisch, da die Faserbündel ungleichmäßig mit Reinigungsflüssigkeit beaufschlagt werden und die Reinigungsflüssigkeit sich den Weg des kleinsten Strömungswiderstandes sucht. Erfahrungsgemäß können die in Strömungsrichtung vorderen Faserbündel zufriedenstellend abgereinigt werden, während die in Strömungsrichtung hinteren Faserbündel zunehmend verblocken. Dazu trägt auch bei, dass permeatseitig abgelöste Schmutzpartikel an den offenen Enden in die Kapillarmembranen gedrückt werden und sich in den Kapillarmembranen festsetzen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine wirksame Rückspülung der Kapillarmembranen und eine gute Reinigung des Permeatsammelraumes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Erfindungsgemäß ist der Permeatsammelraum der Membrananlage in eine mit einer Umwälzpumpe ausgerüstete Kreislaufleitung eingebunden. Diese wird bei einer permeatseitigen Reinigung mit Reinigungsflüssigkeit zunächst befüllt. Die Reinigungsflüssigkeit wird danach im geschlossenen Kreislauf gleichmäßig im Permeatsammelraum verteilt, wobei die zum Permeatsammelraum offenen Enden der Kapillarmembranen von der im Kreislauf umgewälzten Reinigungsflüssigkeit überströmt und dabei vorzugsweise ohne Rückspülung der Kapillarmembran gemeinsam mit dem Permeatsammelraum gereinigt werden. Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine gleichmäßige permeatseitige Reinigung auch bei großen Anlagen möglich. Sie ist besonders effektiv, wenn gemäß der bevorzugten Verfahrensführung in einem ersten Verfahrensschritt die Reinigungsflüssigkeit im geschlossenen Kreislauf lediglich umgewälzt wird, ohne dass eine Rückspülung durch die Kapillarmembranen erfolgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung durchströmt die Reinigungsflüssigkeit nacheinander zwei Kammern, in die der Permeatsammelraum durch eine sich bis in die Nähe der Kapillarmembran-Enden erstreckende Trennwand unterteilt ist. Bei einer Spülung des Permeatsammelraumes strömt die Reinigungsflüssigkeit in eine Kammer ein, überströmt die Trennwand des Permeatsammelraumes und strömt in der anderen Kammer ab. Bei der Überströmung der Trennwand wird die Flüssigkeit an den offenen Enden der Kapillarmembranen vorbeigeführt, wobei die Enden der Kapillarmembranen wirksam gereinigt werden. Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung ist eine gründliche Reinigung des Permeatsammelraumes sowie der Anströmfläche der Kapillarmembranen möglich, da die Enden der Kapillarmembranen stets mit sauberer bzw. bei mehrfacher Umwälzung der Flüssigkeit mit lediglich gering verschmutzter Reinigungsflüssigkeit beaufschlagt wird.

In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, dass im Anschluss an den ersten Reinigungsvorgang die Reinigungsflüssigkeit ausgetauscht wird und danach die Kapillarmembranen durch Rückspülung gereinigt werden. Die frische Reinigungsflüssigkeit für den nachfolgenden Reinigungsvorgang wird vorzugsweise vor der Rückspülung zunächst durch Zirkulation im geschlossenen Kreislauf gleichmäßig im Permeatsammelraum verteilt.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens geeignete Membrananlage nach Anspruch 5. Zum grundsätzlichen Aufbau der Membrananlage gehören mindestens ein Membranfilter, das mit Kapillarmembranen bestückt ist und einen Permeatsammelraum aufweist, an den die Kapillarmembranen mit permeatseitig offenen Enden angeschlossen sind. Erfindungsgemäß weist der Permeatsammelraum einen Strömungseinlass und einen Strömungsauslass für Reinigungsflüssigkeit auf und ist in einer mit einer Pumpe versehenen Kreislaufleitung dergestalt eingebunden, dass die Enden der Kapillarmembranen von der den Permeatsammelraum durchströmenden Reinigungsflüssigkeit überströmbar sind. An die Kreislaufleitung ist eine Einrichtung mit einer Speisepumpe für die Zuführung der Reinigungsflüssigkeit, ein Permeatablauf und ein Reinigungsmittelablauf angeschlossen. Vorzugsweise ist der Permeatsammelraum durch eine sich bis in die Nähe der Kapillarmembranen erstreckenden Trennwand in zwei Kammern unterteilt, die bei einem Übertritt der Reinigungsflüssigkeit über die Trennwand nacheinander durchströmbar sind. Der Abstand der Trennwand ist von der Anströmfläche der Kapillarmembranen so gewählt, dass der beim Überströmen der Trennwand auftretende Druckverlust größer ist als der Strömungsdruckverlust in den Kammern.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:

1 die Seitenansicht eines mit Kapillarmembranen bestückten Membranfilters,

2 in einer perspektivischen Darstellung einen Ausschnitt A aus dem in 1 dargestellten Membranfilter,

3 bis 8 eine Membrananlage mit dem in 1 dargestellten Membranfilter in verschiedenen Funktionsstellungen.

Das in 1 dargestellte Membranfilter 1 ist mit Kapillarmembranen 2 bestückt und beispielsweise im Tauchbetrieb einsetzbar. Es ist aus Modulen 3 aufgebaut, die in 2 dargestellt sind. Mehrere der Module 3 sind nebeneinander angeordnet und fest miteinander verbunden. Dadurch entsteht ein Permeatsammelraum 4, an den die Kapillarmembranen 2 mit permeatseitig offenen Enden angeschlossen sind. Der Permeatsammelraum 4 weist an beiden Enden Öffnungen 5, 6 auf und ist durchströmbar. Die Öffnungen 5, 6 bilden einen Strömungseinlass 5 und einen Strömungsauslass 6 für Reinigungsflüssigkeit. In dem Permeatsammelraum 4 ist eine Trennwand 7 angeordnet, die sich bis in die Nähe eines die Kapillarmembran-Enden enthaltenden Kopfstückes erstreckt und den Permeatsammelraum 4 in zwei parallel durchströmbare Kammer 8, 8' unterteilt. Bei einer Spülung des Permeatsammelraums 4 strömt Reinigungsflüsskeit in die Kammer 8 ein, überströmt die Trennwand 7 und strömt in der anderen Kammer 8' ab. Bei der Überströmung der Trennwand 7 wird die Flüssigkeit an den offenen Enden der Kapillarmembranen 2 vorbeigeführt. Dabei ist eine wirksame Abreinigung von Verschmutzungen, bakteriellem Befall und dergleichen an den offenen Enden der Kapillarmembranen 2 gewährleistet. Den 1 und 2 entnimmt man ferner, dass das Membranfilter 1 einen Luftversorgungskanal 9 enthält, der sich unterhalb und parallel zu dem Permeatsammelraum 4 erstreckt. An diesen sind Luftleitungen 10 angeschlossen, die innerhalb der zu Faserbündeln 11 zusammengefassten Kapillarmembranen enden. Die Faserbündel 11 können begast werden. Durch die Begasung lassen sich Deckschichten und Schmutzablagerungen an den Außenflächen der Kapillarmembranen 2 abreinigen.

Den 3 bis 8 entnimmt man, dass das Membranfilter 1 in ein Becken 12 abgesenkt ist und im Tauchprinzip eingesetzt wird. Der Permeatsammelraum 4 ist in eine mit einer Umwälzpumpe 13 ausgerüstete Kreislaufleitung 14 eingebunden. An die Kreislaufleitung 14 ist eine Einrichtung mit einem Vorlagebehälter 15 für Reinigungsflüssigkeit sowie einer Speisepumpe 16 für die Zuführung der Reinigungsflüssigkeit, ein Permeatablauf 17 mit einem nachfolgenden Permeatsammelbehälter 18 sowie ein Reinigungsmittelablauf 19 angeschlossen. In den angeschlossenen Leitungen sind Absperrventile vorgesehen.

Die 3 zeigt den Filtrationsbetrieb der Membrananlage. Durch eine ausreichende Tauchtiefe und/oder durch eine permatseitige Druckerniedrigung ist der Druck an der Membranaußenseite größer als im Innern der Kapillarmembranen 2. Infolge der Druckdifferenz permeiert Flüssigkeit durch die Membranen hindurch und gelangt in den Permeatsammelraum 4. Der Permeatzufluss wird abgepumpt und dem Permeatsammelbehälter 18 zugeführt. Der 3 entnimmt man, dass während des Filtrationsprozesses ein mengenmäßig regelbarer Flüssigkeitsstrom in der Kreislaufleitung umgewälzt werden kann. Die resultierende Durchströmung des Permeatsammelraumes 4 verhindert die Bildung von Ablagerungen, so dass eine Spülung des Permeatsammelraumes 4 seltener erforderlich ist.

In vorgegebenen Intervallen ist jedoch eine Reinigung des Permeatsammelraumes 4 und/oder eine Rückspülung der Kapillarmembranen 2 erforderlich. Der Verfahrensablauf bei der permeatseitigen Reinigung ist in den 4 bis 8 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Kreislaufleitung 14 mit Reinigungsflüssigkeit befüllt (4). Dazu wird das in der Speiseleitung vorgesehene Absperrventil 20 geöffnet und Reinigungsflüssigkeit mittels der Speisepumpe 16 aus dem Vorlagebehälter 15 in die Kreislaufleitung 14 gepumpt. Infolge eines Druckaufbaus in der Kreislaufleitung 14 kommt es zu einer Rückspülung durch die Kapillarmembranen 2, wobei im Permeatsammelraum 4 sowie in der Kreislaufleitung 14 enthaltenes Permeat 23 durch Reinigungsflüssigkeit 24 verdrängt wird.

Die Reinigungsflüssigkeit 24 wird anschließend im geschlossenen Kreislauf gleichmäßig im Permeatsammelraum 4 verteilt, wobei die zum Permeatsammelraum 4 offenen Enden der Kapillarmembranen 2 von der im Kreislauf umgewälzten Reinigungsflüssigkeit 24 überströmt und ohne Rückspülung der Kapillarmembranen gemeinsam mit dem Permeatsammelraum gereinigt werden. Dieser Verfahrensschritt ist in 5 dargestellt. Die Absperrventile 20, 21, 22 der an die Kreislaufleitung 14 angeschlossenen Leitungen sind geschlossen. Die Reinigungsflüssigkeit 24 wird in einem geschlossenen Kreislauf umgepumpt. Dabei kommt es zu einem Druckausgleich zwischen der Permeatseite und der Rohwasserseite.

Im Anschluss an den beschriebenen Reinigungsvorgang wird die Reinigungsflüssigkeit 24 ausgetauscht. Das Absperrventil 21 im Reinigungsmittelablauf 19 wird geöffnet und die Reinigungsflüssigkeit abgepumpt (6). Durch eine damit verbundene Druckerniedrigung im Permeatsammelraum 4 bzw. in der Kreislaufleitung 14 setzt eine Filtration durch die Kapillarmembranen 2 ein. Dadurch füllt sich der Permeatsammelraum 4 sowie die angeschlossene Kreislaufleitung 14 wieder mit Permeat 23.

In vorgegebenen Intervallen ist auch eine Rückspülung der Kapillarmembranen 2 erforderlich. Bei der Rückspülung wird der Filtrationsfluss umgekehrt. Wenn eine Rückspülung mit Reinigungsflüssigkeit gewünscht wird, werden zunächst die in den 4 und 5 dargestellten Verfahrensschritte wiederholt. Die sich daran anschließende Rückspülung mit Reinigungsflüssigkeit ist in 7 dargestellt. Das Absperrventil 20 der Speiseleitung wird geöffnet und mittels der Speisepumpe 16 Reinigungsflüssigkeit 24 in die mit Reinigungsflüssigkeit 24 bereits befüllte Kreislaufleitung gepumpt. Infolge der damit verbundenen permeatseitigen Druckerhöhung setzt eine Rückspülung durch die Kapillarmembranen 2 ein.

In 8 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, um die Reinigungsflüssigkeit 24 aus der Kreislaufleitung 14 zu verdrängen. Die Verdrängung erfolgt unter Verwendung von Permeat 23, das aus dem Permeatsammelbehälter 18 abgezogen und an der Saugseite der Umwälzpumpe 13 der Kreislaufleitung 14 zugeführt wird. Dabei wird die Kreislaufleitung 14 bei einem Druck betrieben, der größer ist als der die Membranen umgebende Druck im Rohwasser. Folglich wird die Reinigungsflüssigkeit durch die Kapillarmembranen 2 hindurch in das Becken 12 hinein verdrängt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur permeatseitigen Reinigung einer mit Kapillarmembranen bestückten Membrananlage, deren Kapillarmembranen mit einem offenen, den Permeatabfluss dienenden Ende an einen Permeatsammelraum angeschlossen sind, wobei der Permeatsammelraum in eine mit einer Umwälzpumpe ausgerüsteten Kreislaufleitung eingebunden ist, mit folgenden Verfahrensschritten:

    1.1) Die Kreislaufleitung wird mit Reinigungsflüssigkeit befüllt;

    1.2) die Reinigungsflüssigkeit wird danach im geschlossenen Kreislauf gleichmäßig im Permeatsammelraum verteilt, wobei die zum Permeatsammelraum offenen Enden der Kapillarmembranen von der im Kreislauf umgewälzten Reinigungsflüssigkeit überströmt und dabei vorzugsweise ohne Rückspülung der Kapillarmembranen gemeinsam mit dem Permeatsammelraum gereinigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsflüssigkeit nacheinander zwei Kammern durchströmt, in die der Permeatsammelraum durch eine sich bis in die Nähe der Kapillarmembran-Enden erstreckende Trennwand unterteilt ist, wobei beim Übertritt von der einen in die andere Kammer die Reinigungsflüssigkeit über die Trennwand strömt und dabei die Enden der Kapillarmembranen reinigt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an den ersten Reinigungsvorgang die Reinigungsflüssigkeit ausgetauscht wird und danach die Kapillarmembranen durch Rückspülung gereinigt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass frische Reinigungsflüssigkeit für den nachfolgenden Reinigungsvorgang vor der Rückspülung zunächst durch Zirkulation im geschlossenen Kreislauf gleichmäßig im Permeatsammelraum verteilt wird.
  5. Membrananlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit mindestens einem Membranfilter (1) , das mit Kapillarmembranen (2) bestückt ist und einen Permeatsammelraum (4) aufweist, an den die Kapillarmembranen (2) mit permeatseitig offenen Enden angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet , dass der Permeatsammelraum (4) einen Strömungseinlass (5) und einen Strömungsauslass (6) für Reinigungsflüssigkeit (24) aufweist und in eine mit einer Pumpe 13 versehene Kreislaufleitung (14) dergestalt eingebunden ist, dass die Enden der Kapillarmembranen (2) von der den Permeatsammelraum (4) durchströmenden Reinigungsflüssigkeit (24) überströmbar sind, wobei an die Kreislaufleitung (14) eine Einrichtung mit einer Speisepumpe (16) für die Zuführung der Reinigungsflüssigkeit (24), ein Permeatablauf (17) und ein Reinigungsmittelablauf (19) angeschlossen sind.
  6. Membrananlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Permeatsammelraum (4) durch eine sich bis in die Nähe der Kapillarmembran-Enden erstreckende Trennwand (7) in zwei Kammern (8, 8') unterteilt ist, die bei einem Übertritt der Reinigungsflüssigkeit über die Trennwand (7) nacheinander druchströmbar sind.
  7. Membrananlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Trennwand (7) von der Anströmfläche der Kapillarmembranen (2) so gewählt ist, dass der beim Überströmen der Trennwand (7) auftretende Druckverlust größer als der Strömungsdruckverlust in den Kammern (8, 8') ist.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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