DE4210531C2 - Verfahren zum Reinigen eines Umkehrosmose-Membranblocks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines Membranblocks, der einen Bestandteil insbesondere einer Umkehrosmose-Anlage (RO-Anlage) bildet und eine unter Druck zugeführte Flüssigkeit in ein Konzentrat und ein Permeat scheidet.

Umkehrosmose-Anlagen dienen bei der Wasseraufbereitung zum Entfernen insbesondere anorganischer Verunreinigungen (Ionen). Während des Betriebs wird die Membran zunehmend durch Beläge (scaling) und Bewüchse (fouling) verunreinigt und in ihrer Funktion beeinträchtigt. Bei Überschreitung bestimmter Grenz­ werte (die sich in einer Permeat-Durchsatzverringerung, in Druckdifferenz-Änderungen oder bestimmten pH-Werten äußern) muß die RO-Anlage außer Betrieb genommen und einer Reinigung (Spülung mit Lösungsmitteln) unterzogen werden. Um die Be­ triebsintervalle zwischen Reinigungsunterbrechungen zu verlän­ gern und die Anzahl der Reinigungsunterbrechungen zu minimie­ ren, unterzieht man das aufzubereitende Wasser einer Vorreini­ gung, die der RO-Anlage betrieblich vorgeschaltet ist. Jedoch verbleiben auch bei intensiver Vorreinigung Scaling- und Fou­ ling-Bildner in dem aufzubereitenden Wasser, verbunden mit an­ organischen und/oder organischen Ablagerungen an der Membran.

Außerdem sind spezielle Betriebsverfahren für Umkehrosmose- Anlagen bekannt, die durch eine Beeinflussung der Druck/Durchfluß-Verhältnisse beim Betrieb eine Verringerung der Ablagerungen auf der Membran erzielen. In der DE-PS 39 14 940 wird ein Verfahren zur Reinwasserherstellung für Haushaltanwen­ dungen beschrieben, bei der ein diskontinuierlicher Abfluß des Konzentrats aus dem Membranblock durch Verwendung des abflie­ ßenden Konzentrats für Verbraucher mit diskontinuierlichem Was­ serbedarf erreicht wird. Die DE-OS 34 11 471 beschreibt ein Verfahren zur kontinuierlichen Druckfiltration, bei dem unter Aufrechterhaltung eines Überdrucks im Filtrat- bzw. Permeatraum der Druck im Retentat- bzw. Konzentratablauf intermittierend oder stetig repetierend periodisch oder aperiodisch soweit ab­ gesenkt wird, daß er kleiner als der Druck im Filtratraum ist. Dabei wird durch eine entgegengesetzte Durchströmung der Mem­ bran ein Reinigungseffekt erzielt. Ein solcher diskontinuierli­ cher Betrieb der Umkehrosmose-Anlage ist jedoch nicht für jeden Anwendungsfall geeignet. Außerdem verbleiben auch bei diesen Betriebsverfahren nach längerer Zeit Verunreinigungen auf der Membran, die nur durch spezielle Reinigungsverfahren zu entfer­ nen sind.

Ablagerungen auf der Membran führen zu "Verblockungen", die eine Reduzierung des Durchsatzes und eine Verkürzung der Mem­ bran-Standzeiten verursachen und sogar irreversibel werden kön­ nen. Bekannt sind Reinigungsverfahren und Spüleinrichtungen, mit deren Hilfe die Beläge durch Lösungsmittel entfernt werden sollen. Derartige Reinigungsverfahren beanspruchen in der Regel einen Zeitraum von 8 bis 36 Stunden. Danach wird die Anlage mit dem auf zubereitenden Wasser freigespült und nach Erreichen der geforderten Permeatqualität wieder in den Produktionsprozeß eingekoppelt.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Spüleinrichtung zur Reinigung von RO-Anlagen. Die Spüleinrichtung besteht aus einen Lösungs­ mittelbehälter 1, der mit einer Spüllösung gefüllt ist. Eine Niederdruckpumpe 2 mit anschließendem Kerzenfilter 3 führt die Spüllösung dem Membranblock 4 zu, der die zugeführte Flüssig­ keit in Konzentrat und Permeat scheidet. Konzentrat und Permeat können mit Hilfe von Dreiwegeventilen 5, 6 wahlweise zum Lö­ sungsmittelbehälter zurückgeleitet oder in einen Vorfluter ab­ geleitet werden. Mit dieser Spüleinrichtung werden die Spüllö­ sungen zur Entfernung von anorganischen und/oder organischen Verblockungen im Kreislauf durch die Membranen geleitet.

Üblicherweise werden Konzentrat- und Permeat während des ge­ samten Spülvorgangs in den Lösungsmittelbehälter rückgeführt. Die Spüllösung wird mit näherungsweise konstanten Konzentrat- und Permeat-Abflußmengen im Kreislauf geführt und in einem Ker­ zenfilter von ungelösten Partikeln gereinigt. Die Lösung wird ggf. erwärmt und ein entsprechender pH-Wert eingestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad bei der Reinigung zu erhöhen, um die RO-Anlage bei gleichem Reinigungseffekt nach einer wesentlich kürzeren Zeit wieder in Betriebsbereitschaft versetzen zu können.

- Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während einer er­ sten Phase des Reinigungsverfahrens dem Membranblock ein Lö­ sungsmittel zugeführt, das Permeat abgeführt und der Volumen­ strom des aus dem Membranblock abgeführten Konzentrats abwech­ selnd vermindert und gesteigert wird; während einer zweiten Phase das Lösungsmittel weiter dem Membranblock zugeführt, das Permeat in den Reinigungsprozeß zurückgeleitet und dem Lösungsmittel beigemischt und der Konzentrat-Volumenstrom abwechselnd vermindert und gesteigert wird; während einer dritten Phase dem Membranblock anstelle des Lösungsmittels Deionat und/oder zurückgeführtes Permeat zugeführt wird; und daß das Konzentrat zumindest während der ersten und zweiten Phasen aus dem Reini­ gungsprozeß abgeführt wird.

Die Erfindung ermöglicht es, die RO-Anlage bereits nach ei­ nem Bruchteil (z. B. 10-40%) der bisher üblichen Reinigungs­ zeiten wieder in Betriebsbereitschaft zu versetzen. In der Pra­ xis war eine Reinigungszeit von ca. 3 Stunden (gegenüber bisher 8-36 h) ausreichend. Der erfindungsgemäß vorgesehene dynami­ sche Konzentratabzug durch zyklische Verminderung und Steige­ rung des abfließenden Konzentrat-Volumenstroms verstärkt die pro Zeiteinheit erzielte Ablösung der Ablagerungen von der Mem­ bran. Der Einsatz von Permeat oder Deionat als Waschwasser in der dritten Reinigungsphase verkürzt die Auswaschzeit ebenfalls erheblich.

Das Abführen des Konzentrats während des Reinigungsprozesses (z. B. während der ersten beiden Reinigungsphasen) verhindert die Einschleusung von resistenten Bakterien in den Spülkreislauf und reduziert die erneute Verblockungsneigung der RO-Anlage. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf biozide Spülchemikalien verzichtet werden. Dadurch ist es möglich, eine Minimierung des Spülwassereinsatzes und eine hohe Rückführungsrate wieder nutzbaren Wassers (z. B. in den Einlauf einer Vorreinigungsstufe der Wasseraufbereitungsanlage) zu erzielen.

Eine zweckmäßige Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß nach der ersten Reinigungsphase der Konzentrat-Volumenstrom kurzzeitig auf einen Maximalwert angehoben wird. Der Maximalwert entspricht den anlagenbedingten Grenzbelastungen des Membranblocks. Durch eine auf diese Weise erzeugte "Scherkraft" werden ungelöste Belagsreste von der Membranoberfläche "gerissen" oder noch verbleibende Belagsreste in ihrem Zusammenhalt untereinander gestört.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des, erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die Anordnung einer bekannten Spüleinrichtung zur Reinigung des Membranblocks einer RO-Anlage;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spüleinrichtung; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Spüleinrichtung zur Reinigung des Membranblocks 4 weist ebenso wie die bekannte Spüleinrichtung gemäß Fig. 1 einen Lösungsmittelbehälter 1, eine Pumpe und einen Kerzenfilter 3 auf. Im Unterschied zur Spüleinrichtung gemäß Fig. 1 gelangt die Spüllösung aus dem Lö­ sungsmittelbehälter 1 über Dreiwegeventile 7 und 8 zunächst in den Kerzenfilter 3 und dann zu einer Hochdruckpumpe 9, von wel­ cher sie dann in den Membranblock 4 der RO-Anlage gedrückt wird. Die eingesetzte Hochdruckpumpe 9 erzeugt einen Druck von etwa 15-25 bar, was dem ca. 4- bis 6fachen des bei der bekann­ ten Spüleinrichtung (Fig. 1) erzeugten Druckes entspricht. Der Membranblock 4 scheidet die Lösung in Konzentrat und Permeat. Der in einen Vorfluter abgeführte Volumenstrom des Konzentrats kann über ein regelbares Ventil 10 gesteuert werden. Das Per­ meat gelangt über ein regelbares Dreiwegeventil 11 entweder in den Vorfluter oder über Leitung 15 zurück in die Spüleinrich­ tung.

Die Dreiwegeventile 8 und 12 dienen zum Ein- und Auskoppeln der RO-Anlage (9, 3, 2, 4, 10, 11) in den Spül-Reinigungsprozeß bzw. in den normalen Permeat-Produktionsprozeß. Während des normalen Permeat-Produktionsprozesses gelangt vorgereinigtes Wasser aus der Vorreinigungsstufe der Wasseraufbereitungsanlage über die Leitung 13 zum Dreiwegeventil 8 und von dort über das Kerzenfilter 3 und die Hochdruckpumpe 9 zum RO-Membranblock 4. Das entstehende Konzentrat wird über das Ventil 10 in den Vor­ fluter abgeleitet, und das Permeat wird über das Dreiwegeventil 11, das Dreiwegeventil 12 und die Leitung 14 zu den Permeat­ speichern oder -verbrauchern geleitet.

Während des Reinigungsprozesses der RO-Anlage mit Hilfe dieser Spüleinrichtung gelangt das entstehende Permeat über die Dreiwegeventile 11 und 12 und die Leitung 15 zurück in die Spüleinrichtung, beispielsweise in den Lösungsmittelbehälter 1. Die erfindungsgemäße Spüleinrichtung weist einen zusätzlichen Permeat/Deionat-Behälter 16 auf. In dem weiter unten beschrie­ benen erfindungsgemäßen Verfahren ist es mit Hilfe dieses Per­ meat/Deionat-Behälters 16 möglich, über das Dreiwegeventil 7 das im Permeat/Deionat-Behälter 16 befindliche Permeat und/oder Deionat dem RO-Membranblock 4 als Spülmittel (Waschwasser) zu­ zuführen. Außerdem weist die Spüleinrichtung gemäß Fig. 2 ein zusätzliches Dreiwegeventil 17 auf, welches es gestattet, das über Leitung 15 zurückgeführte Permeat wahlweise entweder in den Lösungsmittelbehälter 1 (zum Verdünnen des Lösungsmittels) oder in den Permeatbehälter 16 (zum Nachfüllen) zurückzuleiten.

Ein mit Hilfe der Spüleinrichtung gemäß Fig. 2 realisiertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens soll im folgenden anhand von Fig. 3 näher beschrieben werden. Zunächst wird die RO-Anlage (bestehend aus der Hochdruckpumpe 9, dem Kerzenfilter 3, dem Membranblock 4 und den Permeat- und Konzen­ trat-Ableitungen mit den Ventilen 10 und 11) mit Hilfe der Dreiwegeventile 8 und 12 aus dem Produktionsprozeß ausgekoppelt und in die Spüleinrichtung eingebunden. Die Membranreinigung läuft in drei Phasen ab: Vorspülung (I.), Nachspülung (II.) und Freispülung (III.). Diese drei Phasen, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel zusammen etwa drei Stunden beanspruchen, werden im folgenden näher beschrieben.

Bei der Vorspülung wird das Spülmittel (Lösungsmittel) un­ ter Druck in den RO-Membranblock eingeführt und sowohl das Kon­ zentrat als auch das Permeat durch Abführen in den Vorfluter aus dem Reinigungsprozeß ausgekoppelt. Im Ausführungsbeispiel ist die Vorspülung nochmals unterteilt in eine Impulsspülung und eine daran anschließende kurze Abreiß-Spülung. Während der Impulsspülung wird die Konzentratabflußmenge in zwei- bis dreiminütigen Intervallen auf eine Minimalabflußmenge reduziert und anschließend schlagartig auf eine größere Abflußmenge ange­ hoben. Im Ausführungsbeispiel betrug die Minimalabflußmenge 100 Liter pro Stunde und die große Abflußmenge 800 Liter pro Stunde. Die Impulsspülung der Vorspülung besteht aus etwa fünf Intervallen. Es sei darauf hingewiesen, daß sowohl die gewähl­ ten Abflußmengen als auch die Anzahl der Spülzyklen stark von den Anlagendimensionen der RO-Anlage abhängig sind und dement­ sprechend variieren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Während der anschließenden Abreiß-Spülung wird für etwa 30 Sekunden die Konzentratabflußmenge auf den maximal zulässigen Wert angehoben, um durch die so erzeugte Scherkraft ungelöste Beläge von der Membranoberfläche "abzureißen". Die maximal zu­ lässige Konzentratabflußmenge hängt von den konstruktiven Para­ metern des RO-Membranblocks ab. Sie darf nicht überschritten werden, wenn mechanische Beschädigungen der Membran vermieden werden sollen.

Während der zweiten Reinigungsphase, der Nachspülung wird das Konzentrat weiterhin in die Vorflut abgeleitet, das Permeat aber in den Lösungsmittelbehälter zurückgeführt. Entsprechend seinem Restlösemittelvolumen wird durch die Permeatrückführung eine Verdünnung des Lösemittels (Verringerung der Lösungsmit­ telkonzentration) erreicht. Das Volumen des Lösungsmittelbehäl­ ters wird durch das Volumen der zu spülenden RO-Membranmodule vorgegeben. Im Ausführungsbeispiel wird die Nachspülung wie­ derum als Impulsspülung (fünf Intervalle von jeweils drei Minu­ ten) ausgeführt, wobei die Abflußmenge - wie im ersten Reini­ gungsschritt - durch Regelung des Dreiwegeventils 10 gesteuert wird.

Bei praktischen Versuchen waren nach der Durchführung der Phasen I. und II. der Membranreinigung im Konzentrat der RO-An­ lage keine ungelösten Substanzen mehr nachweisbar.

Die anschließende dritte Phase der Membranreinigung, die Freispülung (III.), dient dem Auswaschen des Lösungsmittels aus der RO-Anlage. Dazu wird mit Hilfe des Dreiwegeventils 7 die Zuleitung zum Kerzenfilter 3 auf die Waschwasserleitung des Permeat/Deionat-Behälters 16 umgeschaltet. Das Waschwasser wird in den RO-Membranblock 4 eingeführt, das Konzentrat weiterhin in die Vorflut abgeleitet und das erzeugte Permeat je nach Be­ darf in den Lösungsmittel- bzw. Permeatbehälter eingespeist. Der Einsatz von Permeat bzw. Deionat als Waschwasser verkürzt die Auswaschzeit erheblich. So kann nach einer Auswaschzeit von etwa 2-3 Stunden der gereinigte RO-Membranblock 4 mit Hilfe der Dreiwegeventile 8 und 12 wieder aus dem Reinigungsprozeß ausge­ koppelt und in die normale Permeatproduktion eingebunden wer­ den. Die erhebliche Verkürzung des gesamten Reinigungsverfah­ rens wird durch den Einsatz der Impulsspülung in der ersten und in der zweiten Phase (I.a, II.) erreicht. Der Wechsel der Strö­ mungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit entlang der Membranober­ flächen im Membranblock führt zu Strömungseffekten, die ein schnelleres und gründlicheres Entfernen der Ablagerungen auf der Membranoberflächen bewirken. Die Strömungseffekte bewirken ein Aufbrechen des unlöslichen Filmbelags, was anschließend zu einer leichteren Entfernbarkeit führt. Durch die zusätzliche Abreiß-Spülung (I.b) am Ende der ersten Reinigungsphase wird ein Entfernen der verbliebenen Reste des aufgebrochenen Filmbe­ lags durch die wirkenden Scherkräfte erreicht.

Während des gesamten Spülreinigungsverfahrens wird das Kon­ zentrat in den Vorfluter abgeleitet. Dadurch wird vermieden, daß ungelöste Substanzen in den Spülkreislauf zurückgelangen und als Nahrung für Bakterien zur Verfügung stehen können. Auch das Permeat wird in der ersten Phase (I.) des Membranreini­ gungsprozesses in den Vorfluter abgeleitet. Dadurch wird ver­ mieden, daß infolge der Permeat-Rückführung die Lösungsmittel­ konzentration abnimmt. Auch war die bisherige Rückführung in den Lösungsmittelbehälter 1 bei der Beseitigung von Biofilmen mit einem nicht zu unterschätzenden Risiko verbunden. Bei der Abtötung von Bakterien muß immer damit gerechnet werden, daß einige Bakterien übrig bleiben und dadurch gegenüber dem einge­ setzten Biozid (Lösungsmittel) resistent werden. Die Anhebung der Temperatur auf 35-45°C im Lösungsmittelbehälter zur Unter­ stützung der Wirkung des Lösungsmittels begünstigt aber auch das Wachstum vorhandener Bakterien. Die auf diese Weise bei herkömmlichen Kreislauf-Reinigungsverfahren gezüchteten Bakte­ rienstämme werden schon während der Spülphase zusätzlich in die zu reinigenden Membranen eingeschleust und bilden den Ursprung einer schnelleren Verblockung (Belagbildung) während des fol­ genden Produktionszyklus. Bei der herkömmlichen Kreislaufspü­ lung werden die Zeitintervalle zwischen zwei Membranreinigungen somit immer kürzer, die Verblockungsneigung immer größer, und eine Reduzierung der Membranstandzeiten ist zu erwarten. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese Vorgänge durch Ab­ leiten des mit Mikroorganismen belasteten Konzentrats und Per­ meats in den Vorfluter. Das Verfahren hat somit auch den Vor­ teil, daß der Einsatz biozider Spülchemikalien reduziert oder vermieden werden kann. Dadurch ist es möglich, eine weitestge­ hende Minimierung des Spülwassereinsatzes und eine hohe Rück­ führungsrate wieder nutzbaren Wassers (z. B. in den Einlauf ei­ ner Vorreinigungsstufe) zu erzielen.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwand­ lungen des Verfahrens denkbar. So können in der Vorspülungs­ phase mehrere Impulsspülungen und Abreiß-Spülungen abwechselnd vorgenommen werden. Die Anzahl der Intervalle kann ebenso wie ihre Dauer verändert werden. Die Anstiegszeiten, die Haltezei­ ten und die Abfallzeiten der zeitlich veränderlichen Konzen­ tratabflußmenge können in Abhängigkeit von konstruktiven Para­ metern der Anlage und von der Art der Membranbeläge variieren.

Außerdem kann ggf. im dritten Verfahrensschritt, dem Frei­ spülen, auf ein Zurückführen des Permeats in den Spülprozeß verzichtet werden, sofern ausreichend Waschwasser zur Verfügung steht. Dadurch ist zusätzlich eine Anreicherung eventuell ver­ bliebener Mikroorganismen im erwärmten Spülkreislauf vermeid­ bar. Eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dann auch mit Anlagen möglich, die keinen zusätzlichen Permeat- Behälter aufweisen. Als notwendiger Bestandteil von Spülein­ richtungen zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbleibt eine Einrichtung, mit deren Hilfe die Konzentratab­ flußmenge gesteuert werden kann.

Claims (6)

1. Verfahren zum Reinigen eines Membranblocks, der einen Bestandteil insbesondere einer Umkehrosmose-Anlage (RO-Anlage) bildet und eine unter Druck zugeführte Flüssigkeit in ein Kon­ zentrat und ein Permeat scheidet, dadurch gekennzeichnet,
daß während einer ersten Phase des Reinigungsverfahrens dem Membranblock ein Lösungsmittel zugeführt, das Permeat abgeführt und der Volumenstrom des aus dem Membranblock abgeführten Konzentrats abwechselnd vermindert und gesteigert wird;
während einer zweiten Phase das Lösungsmittel weiter dem Membranblock zugeführt, das Permeat in den Reinigungsprozeß zurückgeleitet und dem Lösungsmittel beigemischt und der Konzentrat-Volumenstrom abwechselnd vermindert und gesteigert wird;
während einer dritten Phase dem Membranblock anstelle des Lösungsmittels Deionat und/oder zurückgeführtes Permeat zugeführt wird; und
daß das Konzentrat zumindest während der ersten und zweiten Phasen aus dem Reinigungsprozeß abgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der ersten Reinigungsphase der Konzentrat-Volumenstrom kurzzeitig auf einen Maximalwert angehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abführen des Konzentrats und/oder des Permeats aus dem Reinigungsprozeß durch Ableiten in einen Vor­ fluter erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das aus dem Reinigungsprozeß abgeführte Kon­ zentrat und/oder Permeat zu einer Vorreinigungsstufe zurückge­ führt wird, wonach es der RO-Anlage nach deren Reinigung erneut zur Aufbereitung zugeführt werden kann.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim abwechselnden Vermindern und steigern des Konzentrat-Volumenstroms dieser mehrmals zunächst auf einen niedrigen Wert reduziert, dort einige Zeit gehalten, dann schlagartig auf einen hohen Wert gesteigert und dort wiederum einige Zeit gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Vermindern und Steigern des Konzentrat- Volumenstroms in Intervallen von 2-10 Minuten mindestens drei­ mal wiederholt wird.