DE4210531C2 - Verfahren zum Reinigen eines Umkehrosmose-Membranblocks - Google Patents
Verfahren zum Reinigen eines Umkehrosmose-MembranblocksInfo
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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.
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.
Priority Applications (1)
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