DE102016101000B4

DE102016101000B4 - Verfahren zur Filterung einer Flüssigkeit durch eine Filtrationsmembran sowie Filtrationsanlage

Info

Publication number: DE102016101000B4
Application number: DE102016101000.6A
Authority: DE
Inventors: Georg Friedrichowitz
Original assignee: Gruenbeck Wasseraufbereitung GmbH
Current assignee: Gruenbeck Wasseraufbereitung GmbH
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: DE102016101000A1

Abstract

Verfahren zur Filterung einer Flüssigkeit durch eine Filtrationsmembran (1) und Rückspülung der Filtrationsmembran (1), wobei die Flüssigkeit in einem Filtrationsbetrieb zur Erzeugung eines Filtrats in einer Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran (1) geleitet wird und filtratseitig ein Rückspültank (2) mit Filtrat angeordnet ist, um in einem Rückspülbetrieb mit dem Filtrat aus dem Rückspültank (2) periodisch eine Rückspülung der Filtrationsmembran (1) durchzuführen, indem mittels eines unter Druck stehenden Fluids das sich im Rückspültank (2) befindliche Filtrat entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran (1) geleitet wird, wobei der Rückspültank (2) während des Filtrationsbetriebs ständig von einem Strom des Filtrats durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtratleitung (7) an einen Fluideingang (8) angeschlossen ist, welcher mit einem Ventil (10) verschließbar ist, wobei das unter Druck stehende Fluid während des Rückspülbetriebs bei geöffnetem Ventil (10) in die Filtratleitung (7) eingeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filterung einer Flüssigkeit durch eine Filtrationsmembran und Rückspülung der Filtrationsmembran nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Filtrationsanlage mit wenigstens einem Filtrationsmodul, welches eine Filtrationsmembran enthält, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Aus der DE 10 2011 018 478 A1 ist eine Filtrationsanlage und ein Verfahren zur Rückspülung von Filtrationsmodulen mit einer Filtrationsmembran bekannt, wobei filtratseitig ein Rückspültank mit Filtrat angeordnet ist, um mit dem im Rückspültank enthaltenen Filtrat periodisch eine Rückspülung der Filtrationsmodule durchzuführen. Zur Rückspülung der Filtrationsmembran wird das sich im Rückspültank befindliche Filtrat mit Druckluft unter Druck gesetzt und dadurch entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran gepresst. Der Rückspültank ist hierfür als Hydrophor ausgebildet, der auf einen unteren Arbeitsdruck vorverdichtete Luft enthält. Zur Durchführung der Rückspülung wird so lange Filtrat mittels einer Förderpumpe in dem Hydrophor gefördert, bis die Luft im Rückspültank einen oberen Arbeitsdruck erreicht hat, wobei das unter dem oberen Arbeitsdruck stehende Filtrat zur Rückspülung unter schlagartiger Dekompression der Luft entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmodule geleitet wird. Die Filtrationsanlage umfasst dabei eine mit den Filtrationsmodulen verbundene Filtratleitung zur Abführung des erzeugten Filtrats. Der Rückspültank ist dabei getrennt von der Filtratleitung angeordnet und über eine Rückspülleitung mit der Filtratleitung verbunden. Über eine von der Filtratleitung abzweigende Bypassleitung, in der eine Pumpe angeordnet ist, wird der Rückspültank mit Filtrat aus der Filtratleitung befüllt. Während des Filtrationsbetriebs ist der als Hydrophor ausgebildete Rückspültank nicht in Betrieb. Dadurch kann es in dem Rückspültank zu einer ungehinderten Vermehrung von Mikroorganismen und damit zu einer Verkeimung des sich im Rückspültank befindlichen Filtrats kommen. Dies kann im Rückspülbetrieb zu einer Verunreinigung der Filtrationsmodule und der sich darin befindlichen Filtrationsmembran führen.
Die Druckschrift DE 694 30 478 T2 zeigt ein Filtersystem und insbesondere ein Filterspülsystem zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem Filterelement. Das Spülsystem weist eine Spülfluidkammer auf, in der sich ein Kolben, eine Luftkammer oder ein Luftspeicher befindet, um einen im wesentlichen sofortigen Rückwärtsfluss hoher Intensität und konstanten Drucks durch das Filterelement bereitszustellen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Filtrationsanlage aufzuzeigen, mit denen eine effiziente Rückspülung der Filtrationsmembran mittels eines unter Druck stehenden Fluids ermöglicht wird, ohne dass es zu einer Verkeimung der Filtrationsmembran kommen kann.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Filtrationsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Filtrationsanlage sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine zu filtrierende Flüssigkeit in einem Filtrationsbetrieb zur Erzeugung eines Filtrats in einer Filtrationsrichtung durch wenigstens eine Filtrationsmembran geleitet, wobei filtratseitig ein Rückspültank mit Filtrat angeordnet ist, um in einem Rückspülbetrieb mit dem Filtrat aus dem Rückspültank periodisch eine Rückspülung der Filtrationsmembran durchzuführen, indem mittels eines unter Druck stehenden Fluids das sich im Rückspültank befindliche Filtrat entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran geleitet wird. Erfindungsgemäß wird der Rückspültank dabei während des Filtrationsbetriebs ständig von einem Strom des Filtrats durchflossen. Dadurch wird verhindert, dass das Filtrat während des Filtrationsbetriebs in dem Rückspültank steht und sich in dem stehenden Filtrat Mikroorganismen ungehindert vermehren können. Aufgrund des ständigen Durchflusses von Filtrat durch den Rückspültank während des Filtrationsbetriebs bleibt das sich im Rückspültank befindliche Filtrat ständig in Bewegung und wird ständig ausgetauscht, wodurch eine Verkeimung des Filtrats im Rückspültank ausgeschlossen werden kann.
In der erfindungsgemäßen Filtrationsanlage, welche mindestens ein Filtrationsmodul mit einer Filtrationsmembran umfasst, ist eine an das Filtrationsmodul angeschlossene Filtratleitung vorgesehen, in die das Filtrat eingeleitet wird, wobei an die Filtratleitung ein Fluideingang angeschlossen ist, über den ein unter Druck stehendes Fluid zur Rückspülung des wenigstens einen Filtrationsmoduls in die Filtratleitung eingeleitet und entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran geleitet wird, wobei der Rückspültank in der Filtratleitung stromaufwärts des Fluideingangs angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Rückspültanks in der Filtratleitung wird gewährleistet, dass der Rückspültank während des Filtrationsbetriebs ständig von einem Strom des Filtrats durchflossen wird. An die Filtratleitung ist zur Einleitung des unter Druck stehenden Fluids zweckmäßig ein Fluideingang angeschlossen, der mit einem Ventil verschließbar ist. Das unter Druck stehende Fluid wird dabei während des Rückspülbetriebs bei geöffnetem Ventil in die Filtratleitung eingeleitet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem unter Druck stehenden Fluid um Druckluft, welche in einem Druckluftspeicher bereitgestellt wird. Die sich im Druckluftspeicher befindliche Luft wird dabei zweckmäßig mit einem Kompressor komprimiert.
Die Filtrationsmodule, in denen jeweils mindestens eine Filtrationsmembran angeordnet ist, enthalten in der erfindungsgemäßen Filtrationsanlage jeweils einen Zulauf für Rohflüssigkeit und einen Ablauf für das Filtrat, wobei der Ablauf mit der Filtratleitung in Verbindung steht.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Zeichnung zeigt:

1: Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Filtrationsanlage mit einem Filtrationsmodul, in dem eine Filtrationsmembran angeordnet ist.

Die in 1 schematisch dargestellte Filtrationsanlage umfasst ein Filtrationsmodul A, in dem wenigstens eine Filtrationsmembran 1 angeordnet ist. Bei dem Filtrationsmodul A kann es sich beispielsweise um ein Mikro- oder ein Ultrafiltrationsmodul handeln. Im Falle eines Mikrofiltrationsmoduls ist in dem Filtrationsmodul A eine Mikro-Filtrationsmembran mit einer Porengröße im Bereich von 0,1 bis 10 µm angeordnet und im Falle eines Ultrafiltrationsmoduls enthält das Modul eine Ultrafiltrationsmembran mit einer Porengröße im Bereich von 2 bis 100 nm. Bei dem Filtrationsmodul A kann es sich auch um ein Nanofiltrationsmodul oder um ein Umkehrosmosemodul handeln, wobei die Porengröße der Filtrationsmembran bei einem Nanofiltrationsmodul im Bereich von 1 bis 2 nm und bei einem Umkehrosmosemodul kleiner als 1 nm ist. Die Filtrationsmembran 1 kann in dem Filtrationsmodul A sowohl im „Dead-End“-Betrieb als auch im Querstrom-Betrieb („Cross-Flow“-Filtration) von einer zu filtrierenden Flüssigkeit angeströmt werden.
Die zu filtrierende Flüssigkeit wird dem Filtrationsmodul A über einen Zulauf 5 für Rohflüssigkeit zugeführt und in dem Filtrationsmodul A durch die Filtrationsmembran 1 geleitet. Das Filtrat wird über wenigstens einen Ablauf 6 aus dem Filtrationsmodul 1 in eine Filtrationsleitung 7 abgeführt. In dem zeichnerisch in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Filtrationsmodul A zwei Abläufe 6, welche jeweils mit der Filtrationsleitung 7 verbunden sind, um das Filtrat in die Filtrationsleitung 7 einzuleiten.
In der Filtrationsleitung 7 ist ein Rückspültank 2 angeordnet. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rückspültank 2 rohrförmig bzw. zylindrisch ausgebildet. Der Rückspültank 2 weist dabei ein Volumen V auf, welches wesentlich größer als das Aufnahmevolumen v der Filtratleitung 7 ist. Zweckmäßig liegt das Verhältnis des Volumens V des Rückspültanks 2 zum Volumen v der Filtratleitung 7 im Bereich von V/v = 200:1 bis 20:1.
Stromabwärts des Rückspültanks 2 ist an die Filtratleitung 7 ein Fluideingang 8 angeschlossen. Der Fluideingang 8 steht mit einem Druckspeicher 3 über wenigstens ein Fluidventil 10 in Verbindung. In dem Druckspeicher 3 befindet sich ein unter Druck stehendes Fluid. Zweckmäßig handelt es sich bei dem Druckspeicher 3 um einen Druckluftspeicher, in dem Druckluft bevorratet ist. Zur Erzeugung des Drucks ist an dem Druckspeicher 3 ein Kompressor 4 angeschlossen. Das sich in dem Druckspeicher 3 befindliche Fluid kann mittels des Kompressors 4 auf einen vorgegebenen und für die Rückspülung des Filtrationsmoduls A benötigten Druck komprimiert werden. Zweckmäßig ist zwischen dem Kompressor 4 und dem Fluideingang 8, ergänzend zu dem Fluidventil 10, ein Rückschlagventil 15 vorgesehen, das bspw. bei einem Ausfall des Kompressors verhindert, dass ungehindert Filtrat in den Kompressor fließt.
Stromabwärts des Fluideingangs 8 (in Filtrationsrichtung) mündet das Leitungsende der Filtratleitung 7 in einen Filtratspeicher 14 oder zu einem Verbraucher, der das erzeugte Filtrat benötigt. In Bezug auf die Filtrationsrichtung vor dem Filtratspeicher 14 bzw. dem Verbraucher ist ein Endventil 9 zum Verschließen des Leitungsendes der Filtratleitung 7 vorgesehen.
Das Filtrationsmodul A ist weiterhin über eine Kanalleitung 12 mit einem Kanal 11 verbunden. In der Kanalleitung 12 ist ein Ventil 13 angeordnet.
Im Filtrationsbetrieb wird bei geschlossenen Ventilen 10 und 13 und geöffnetem Endventil 9 eine gegebenenfalls vorfiltrierte Rohflüssigkeit durch den Zulauf 5 in das Filtrationsmodul A geleitet. Erforderlichenfalls wird die zuströmende Rohflüssigkeit dabei unter Druck in das Filtrationsmodul A eingeleitet. Falls es sich bei dem Filtrationsmodul A um ein Umkehrosmosemodul handelt, beträgt der für die Umkehrosmose benötigte Filtrationsdruck zwischen 10 und 80 bar. Im Falle von Mikro-, Ultra- oder Nanofiltrationsmodule reichen geringere Filtrationsdrücke im Bereich von 1 bis 20 bar aus.
Die zu filtrierende Rohflüssigkeit durchströmt im Filtrationsbetrieb die im Filtrationsmodul A angeordnete Filtrationsmembran 1, wobei ein Filtrat erzeugt wird, welches von in der Rohflüssigkeit enthaltenen Partikeln und darin gelösten Stoffen befreit ist. Das Filtrat wird über den Ablauf 6 in die Filtratleitung 7 geleitet. Das Filtrat durchströmt den als Filtratrohr ausgebildeten und in der Filtratleitung 7 angeordneten Rückspültank 2 zweckmäßig entgegen der Schwerkraft in vertikaler Richtung von unten nach oben. Zur Vermeidung von Toträumen ist der Rückspültank 2 zweckmäßig im Wesentlichen rohrförmig bzw. zylindrisch mit abgerundeten Ecken an den Stirnseiten des Zylinders ausgebildet. Das Filtrat wird stromabwärts des Rückspültanks 2 über die Filtratleitung 7 durch das geöffnete Endventil 9 dem Filtratspeicher 14 oder einem Verbraucher zugeführt.
Zur Rückspülung des Filtrationsmoduls A wird in einem Rückspülbetrieb der Zulauf 5 durch ein Ventil geschlossen und die Ventile 10 und 13 werden geöffnet. Weiterhin wird das Endventil 9 geschlossen. Durch das Öffnen des Ventils 10 kann das unter Druck stehende Fluid aus dem Druckspeicher 3 über den Fluideingang 8 in die Filtratleitung 7 strömen. Das unter Druck stehende Fluid verdrängt dabei das sich noch in der Filtratleitung 7 und in dem Rückspültank 2 befindliche Filtrat und fördert das verdrängte Filtrat in das Filtrationsmodul A. Im Filtrationsmodul A wird das verdrängte Filtrat entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran 1 gepresst und über die Kanalleitung 12 in den Kanal 11 abgeführt. Dadurch wird die Filtrationsmembran 1 durch das verdrängte Filtrat rückgespült und ein sich gegebenenfalls an der Oberfläche der Filtrationsmembran 1 gebildeter Filterkuchen wird von der Filtrationsmembran abgelöst. Dadurch wird die Filtrationsmembran gereinigt und für nachfolgende Filtrationsgänge regeneriert.
Die Erfindung ist nicht auf das zeichnerisch dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Beispielsweise kann in dem Druckspeicher 3 ein anderes Fluid als Druckluft unter Druck bevorratet werden. Zweckmäßig ist in dem Druckspeicher 3 ein Druckgas bevorratet, da Gase im Vergleich zu Flüssigkeiten leichter komprimierbar sind. Weiterhin ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Anordnung eines Rückspültanks 2 in einer Filtratleitung 7 mehrere parallel oder seriell geschaltete Filtrationsmodule 1 in einem Rückspülbetrieb zu spülen. Zweckmäßig umfasst dabei jedes der Filtrationsmodule wenigstens eine Filtrationsmembran 1. Erforderlichenfalls können für die Rückspülung mehrerer Filtrationsmodule 1 auch mehrere Rückspültanks 2 in der Rückspülleitung 7 angeordnet sein, wobei zweckmäßig jedem Filtrationsmodul A ein Rückspültank 2 zugeordnet ist.

Claims

Verfahren zur Filterung einer Flüssigkeit durch eine Filtrationsmembran (1) und Rückspülung der Filtrationsmembran (1), wobei die Flüssigkeit in einem Filtrationsbetrieb zur Erzeugung eines Filtrats in einer Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran (1) geleitet wird und filtratseitig ein Rückspültank (2) mit Filtrat angeordnet ist, um in einem Rückspülbetrieb mit dem Filtrat aus dem Rückspültank (2) periodisch eine Rückspülung der Filtrationsmembran (1) durchzuführen, indem mittels eines unter Druck stehenden Fluids das sich im Rückspültank (2) befindliche Filtrat entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran (1) geleitet wird, wobei der Rückspültank (2) während des Filtrationsbetriebs ständig von einem Strom des Filtrats durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtratleitung (7) an einen Fluideingang (8) angeschlossen ist, welcher mit einem Ventil (10) verschließbar ist, wobei das unter Druck stehende Fluid während des Rückspülbetriebs bei geöffnetem Ventil (10) in die Filtratleitung (7) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unter Druck stehende Fluid in einem Druckspeicher (3) bereit gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Druckspeicher (3) um einen Druckluftspeicher handelt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das im Druckspeicher (3) befindliche Fluid mit einem Kompressor (4) komprimiert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtrationsmembran (1) in einem Filtrationsmodul (A) angeordnet ist, wobei das Filtrationsmodul (A) über einen Zulauf (5) für Rohflüssigkeit und wenigstens einen Ablauf (6) für das Filtrat verfügt und der oder jeder Ablauf (6) mit einer Filtratleitung (7) in Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückspültank (2) in der Filtratleitung (7) angeordnet ist, bevorzugt unmittelbar stromabwärts des Ablaufs (6) und stromaufwärts des Fluideingangs (8).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Filtrationsmembran (1) um eine Keramik- oder eine Polymermembran und/oder um eine Mikro- oder Ultrafiltrationsmembran oder um eine Umkehrosmosemembran handelt.
Filtrationsanlage mit einem oder mehreren Filtrationsmodulen (A), welche jeweils eine Filtrationsmembran (1) enthalten, durch die eine Flüssigkeit zur Erzeugung eines Filtrats in einer Filtrationsrichtung geleitet wird, und mit einer Filtratleitung (7), in die das Filtrat eingeleitet wird, wobei filtratseitig ein Rückspültank (2) angeordnet ist, in den Filtrat eingeleitet und zur Rückspülung der Filtrationsmodule (A) mittels eines unter Druck stehenden Fluids entgegen der Filtrationsrichtung durch die Filtrationsmembran (1) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass an die Filtratleitung (7) ein Fluideingang (8) angeschlossen ist, über den das unter Druck stehende Fluid zur Rückspülung der Filtrationsmodule (A) in die Filtratleitung (7) eingeleitet wird, und dass der Rückspültank (2) in der Filtratleitung (7) stromaufwärts in Bezug auf die Filtrationsrichtung des Fluideingangs (8) angeordnet ist, wobei der Fluideingang (8) mit einem Fluidventil (10) verschließbar ist und das unter Druck stehende Fluid während des Rückspülbetriebs bei geöffnetem Fluidventil (10) in die Filtratleitung (7) eingeleitet wird.
Filtrationsanlage nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch, einen Druckspeicher (3), in dem das unter Druck stehende Fluid bereit gestellt wird.
Filtrationsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Druckspeicher (3) um einen Druckluftspeicher handelt.
Filtrationsanlage nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen Kompressor (4), der mit dem Druckspeicher (3) in Verbindung steht.