DE102004048416B4

DE102004048416B4 - Verfahren zum Begasen von Membranmodulen

Info

Publication number: DE102004048416B4
Application number: DE200410048416
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr.-Ing. Schäfer; Klaus Dr.-Ing. Vossenkaul; Christoph Kullmann
Original assignee: Koch Membrane Systems GmbH
Current assignee: Koch Membrane Systems GmbH
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2024-10-02
Also published as: US20070193953A1; DE102004048416A1; WO2005105275A1; WO2005105275A8

Abstract

Verfahren zum Begasen von mehreren Membranmodulen einer im Tauchbetrieb arbeitenden Membranfilteranlage,
wobei den Membranmodulen von einer gemeinsamen Quelle Luft oder ein Gas zugeführt wird, die an der Membranaußenseite als Blasen in der zu reinigenden Flüssigkeit aufsteigt und
wobei in den Zuführleitungen zu den Membranmodulen Ventile angeordnet sind, die nach einem vorgegebenen Schema betätigt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass als Ventile Schaltventile verwendet werden, die lediglich entweder die Öffnungs- oder Sperrstellung einnehmen können und so die Luftzufuhr zu einem zugeordneten Membranmodul freigeben oder sperren,
dass in einem ersten Verfahrensschrift das einem ersten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geöffnet ist, während die Schaltventile aller weiteren Membranmodule geschlossen sind, so dass eine Begasung des ersten Membranmoduls erfolgt,
dass zu Beginn eines zweiten Verfahrensschrittes zusätzlich das einem zweiten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geöffnet wird, so dass sich zwei Teilluftströme einstellen, mit denen das erste und das zweite Membranmodul beaufschlagt werden,
dass zu...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Begasen von mehreren Membranmodulen einer im Tauchbetrieb arbeitenden Membranfilteranlage,
wobei den Membranmodulen von einer gemeinsamen Quelle Luft oder ein Gas zugeführt wird, die an der Membranaußenseite als Blasen in der zu reinigenden Flüssigkeit aufsteigt, und
wobei in den Zuführleitungen zu den Membranmodulen Ventile angeordnet sind, die nach einem vorgegebenen Schaltschema betätigt werden.

Die Membranmodule werden in ein Becken mit einer zu reinigenden Flüssigkeit, z. B. ein Klärbecken, eingetaucht. Unter den Begriff des "Membranmoduls" fallen im Rahmen dieser Erfindung auch mehrere Membranfilter, die im Schaltschema eine Begasungseinheit bilden und stets gemeinsam mit Luft oder einem Gas beaufschlagt werden.

Die Druckschrift US 2003/0 127 389 A1 betrifft ein Reinigungssystem zur Begasung von mehreren Membranmodulen, wobei ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen beschrieben wird. Der Luftstrom an den einzelnen Modulen wird mit Hilfe von Stellventilen beeinflusst. Die einzelnen Module sind die längste Zeit ihrer jeweiligen Begasung dem gesamten Luftstrom ausgesetzt. Zum Ende der Begasung eines Moduls wird das dem Modul zugeordnete Stellventil über ein Zeitintervall kontinuierlich geschlossen. Durch die Verwendung von 3-Wege-Ventilen oder durch eine direkte elektrische oder mechanische Kopplung der einzelnen Ventile ist mit der kontinuierlichen Reduzierung des Luftstroms an einem Membranmodul die Erhöhung des Luftstroms an einem weiteren Membranmodul verknüpft. Für den Betrieb der Stellventile ist eine aufwendige Steuerung, beispielsweise ein Servomotor oder ein pneumatischer Kolben, notwendig. Für den Betrieb des Begasungssystems ist ferner eine Überwachung der Stellposition der Stellventile notwendig. Insbesondere ist zu prüfen, ob die einzelnen Stellventile nach einer vorgegebenen Schaltzeit von etwa 3 Sekunden die vorgegebene Endposition erreicht haben. Um ein Volllaufen des Reinigungssystems zu verhindern, kann über Zusatzleitungen ein dauerhafter, geringer Luftstrom vorgesehen sein. Das beschriebene Verfahren zur Begasung von mehreren Membranmodulen ist aufwendig und damit störanfällig. Dadurch, dass die einzelnen Membranmodule während ihrer Begasung hauptsächlich dem gesamten Luftstrom ausgesetzt sind, ist die mechanische Belastung der Membranen hoch.

Die Druckschrift US 2004/0 139 992 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reinigung von Membranmodulen, wobei während kurzer Pulse mit einer Länge von 0,1 bis 10 Sekunden Luft mit einem hohen Druck von ca. 6 bar in das Membranmodul eingeblasen wird. Die Membranen werden schlagartig stark beschleunigt, wodurch Verschmutzungen von der Membranoberfläche fortgerissen werden. Nach einem Begasungspuls folgt eine Pause, in der keine Begasung stattfindet. Zur Reinigung kann ein aus mehreren Einzelpulsen bestehender Pulszug vorgesehen sein, wobei zwischen zwei Pulszügen eine längere Pause vorgesehen sein kann. Das dargestellte Verfahren ist mit einer extremem mechanischen Beanspruchung der Membranen verbunden, so dass mit einem hohen Verschleiß der Membranmodule zu rechnen ist.

Eine Membranfilteranlage, deren Membranmodule durch Zwischenwände getrennt sind, ist aus der Druckschrift JP 04290529 A bekannt. Die Membranmodule sind plattenförmig ausgebildet. An den Seiten der Membranmodule sind Begasungseinrichtungen vorgesehen. Durch die seitliche Anordnung der Begasungsmodule können in den den Membranmodulen zugeordneten Kammern der Membranfilteranlage Ringströme erzeugt werden, wodurch die Membranen von dem umströmenden Wasser gereinigt werden. Durch eine Variation des Luftstromes in den einzelnen Membranmodulen kann die Ringströmung, welche die gewünschte Reinigungswirkung erzielt, beeinflusst werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein einfaches, kostengünstiges und membranschonendes Verfahren zum Begasen von Membranmodulen anzugeben.

Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass als Ventile Schaltventile verwendet werden, die lediglich entweder eine Öffnungs- oder Sperrstellung einnehmen können und so die Luftzufuhr zu einem zugeordneten Membranmodul freigeben oder sperren,
dass in einem ersten Verfahrensschritt das einem ersten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geöffnet ist, während die Schaltventile aller weiteren Membranmodule geschlossen sind, so dass eine Begasung des ersten Membranmoduls erfolgt,
dass zu Beginn eines zweiten Verfahrensschrittes zusätzlich das einem zweiten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geöffnet wird, so dass sich zwei Teilluftströme einstellen, mit denen das erste und das zweite Membranmodul beaufschlagt werden,
dass zu Beginn eines dritten Verfahrensschrittes zur Begasung des zweiten Membranmoduls das dem ersten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geschlossen wird und
dass entsprechend den Verfahrensschritten 1 bis 3 nacheinander alle Membranmodule begast werden, bis der Begasungszyklus beim ersten Membranmodul von Neuem beginnt.

Da der Strömungsdruckverlust mit der Zahl der gleichzeitig geöffneten Strömungswege abnimmt, stellen sich beim Öffnen von zwei Schaltventilen Teilluftströme ein, die jeweils größer sind als die Hälfte des Luftsromes, der sich bei der Begasung eines einzigen Membranmoduls im ersten und dritten Verfahrensschritt einstellt. Durch die gleichzeitige Öffnung von zwei Schaltventilen während des zweiten Verfahrensschrittes wird ein gleichmäßiger An- und Abfahrvorgang bei der Belüftung der entsprechenden Membranmodule auf einfache Weise erreicht.

Erfindungsgemäß werden zur Durchführung des Verfahrens einfache Auf-/Zu-Schaltventile verwendet, welche lediglich entweder die Öffnungs- oder die Sperrstellung einnehmen können. Zur Vermeidung eines Eindringens von Flüssigkeit in luftführende Teile der Membranmodule werden zweckmäßigerweise alle Zuführleitungen auch bei Sperrstellung der Schaltventile von einem Sperrluftvolumenstrom durchströmt, der im Vergleich zu dem bei geöffnetem Schaltventil austretenden Begasungsluftstrom klein ist. Der Sperrluftvolumenstrom kann durch einen Bypass, beispielsweise in Form einer zusätzlichen Öffnung in der Zuführleitung, gewährleistet werden. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, das Schaltventil so zu gestalten, dass auch in der Sperrstellung des Schaltventils ein kleiner freier Strömungsquerschnitt verbleibt, durch den der Sperrluftvolumenstrom hindurchströmt. Zweckmäßigerweise beträgt der Sperrluftvolumenstrom weniger als 5% desjenigen Volumenstroms, der bei alleiniger Öffnungsstellung des jeweiligen Schaltventils aus der entsprechenden Zuführleitung austritt.

Der Begasungszyklus beträgt vorzugsweise mehr als 60 s. Besonders vorteilhaft ist ein Begasungszyklus von mehr als 120 s. Mit zunehmender Länge des Begasungszyklus wird der Luftmengenstrom, der von dem Gebläse bereitgestellt werden muss, kleiner. Bei einem längeren Begasungszyklus kann ein Gebläse mit geringerer Leistung eingesetzt werden. Unter dem Gesichtspunkt der energiesparenden Betriebsweise werden daher möglichst lange Begasungszyklen angestrebt. In Betracht zu ziehen sind daher auch Begasungszyklen von 180 s und mehr.

Die Länge des Begasungszyklus ist von einer Mehrzahl von Faktoren abhängig, beispielsweise von der Verschmutzungsneigung der Membranmodule und der Wirksamkeit der an oder innerhalb der Membranmodule vorgesehenen Begasungseinrichtung. Um eine hohe Filtrationsleistung aufrechtzuerhalten, muss jedes Membranmodul in bestimmten Zeitabständen mit dem maximalen Begasungsluftstrom, der von der Gasquelle bereitgestellt wird, beaufschlagt werden. Dieser Zeitraum kann durch die Ausgestaltung des Begasungsverfahrens beeinflusst werden. Die im Folgenden erläuterten Ausgestaltungen des Begasungsverfahren ermöglichen eine zeitliche Streckung der Begasungszyklen und sind unter dem Gesichtspunkt einer energiesparenden Betriebsweise vorteilhaft.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass innerhalb des Begasungszyklus einmal oder mehrmals alle Membranmodule gleichzeitig mit Teilluftströmen begast werden, die sich durch Öffnen aller Schaltventile einstellen. Alternativ können innerhalb des Begasungszyklus auch nacheinander unterschiedliche Gruppen aus mindestens drei Membranmodulen mit dem Gesamtluftstrom beaufschlagt werden, wobei sich der Luftstrom durch Öffnen der Schaltventile annähernd gleichmäßig auf die zu der Gruppe gehörenden Membranmodule verteilt und wobei die Schaltventile an allen anderen Membranmodulen geschlossen sind.

Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass zwischen den Begasungszyklen alle Membranmodule durch Öffnen der zugeordneten Schaltventile gleichzeitig begast werden. Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass zwischen den Begasungszyklen jeweils eine Gruppe aus mindestens drei Membranmodulen mit dem Luftstrom beaufschlagt wird, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Begasungszyklus eine erste Gruppe von Membranmodulen, zwischen dem zweiten und dritten Begasungszyklus eine zweite Gruppe von Membranmodulen, usw. gewählt wird.

Bei jeder der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen ist die Zeit, in der alle Membranmodule oder eine Gruppe aus mindestens drei Membranmodulen gleichzeitig begast werden, zweckmäßigerweise zumindest ebenso lang wie das Zeitintervall, mit dem die Membranmodule während des Begasungszyklus einzeln begast werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Begasen von Membranmodulen betreibbare Membranfilteranlage,
2 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 die sich einstellenden Luftvolumenströme zur Begasung der Membranmodule,
4 bis 7 Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 zeigt eine Membranfilteranlage 1, die mehrere in ein Becken 2 mit einer zu reinigenden Flüssigkeit 3 abgetauchte Membranmodule 4 aufweist. Die Membranmodule sind nur schematisch dargestellt. Unter den Begriff des "Membranmoduls" soll auch eine Gruppe aus mehreren Filtereinheiten fallen, die als Begasungseinheit geschaltet sind und daher stets gleichzeitig mit Luft beaufschlagt werden. Als Membranen werden Hohlfasermembranen verwendet, die bündelweise zusammengefasst sind und mit einem permeatseitig offenen Ende in ein Kopfstück eingeharzt sind. An ihrem anderen Ende sind die Hohlfasermembranen einzeln verschlossen. Die Membranmodule 4 sind an eine gemeinsame Permeatsammelleitung 5 angeschlossen. Über ein Gebläse 6 oder eine andere Gasquelle wird ihnen von einer gemeinsamen Quelle Luft oder ein Gas zugeführt, die an der Membranaußenseite als Blasen in der zu reinigenden Flüssigkeit 3 aufsteigt. In den Zuführleitungen 7 zu den Membranmodulen 4 sind Schaltventile 8 angeordnet, die nach einem vorgegebenen Schaltschema betätigt werden und die Luftzufuhr zu einem zugeordneten Membranmodul 4 freigeben oder sperren. Beim Begasen der Membranmodule 4 ist in einem ersten Verfahrensschritt 1 das einem ersten Membranmodul 4 zugeordnete Schaltventil 8 geöffnet, während die Schaltventile 8 aller weiteren Membranmodule 4 geschlossen sind, so dass eine Begasung des ersten Membranmoduls 4 mit einem als 100% definierten Luftvolumenstrom erfolgt (vgl. 2 und 3). Zu Beginn eines zweiten Verfahrensschrittes II wird zusätzlich das einem zweiten Membranmodul 4 zugeordnete Schaltventil 8 geöffnet, so dass sich zwei im Wesentlichen stationäre Teilluftströme einstellen, mit denen das erste und das zweite Membranmodul 4 beaufschlagt werden. Die Teilluftströme sind jeweils größer als 50% des Luftvolumenstroms, der sich im ersten Verfahrensschritt bei der Begasung nur eines Membranmoduls einstellt, da der Strömungsdruckverlust mit zunehmender Anzahl geöffneter Leitungen abnimmt. Zu Beginn eines dritten Verfahrensschrittes III zur Begasung des zweiten Membranmoduls 4 mit 100% wird das dem ersten Membranmodul 4 zugeordnete Schaltventil 8 geschlossen. Entsprechend den Verfahrensschritten I bis III werden nacheinander alle Membranmodule 4 begast, bis der Begasungszyklus T abgeschlossen ist und die Begasung beim ersten Membranmodul 4 von Neuem beginnt. Im Ausführungsbeispiel sind die Schaltventile 8 als Auf/Zu-Armaturen ausgebildet, die lediglich entweder die Öffnungs- oder die Sperrstellung einnehmen können (s. 2). Der 3 ist zu entnehmen, dass zur Vermeidung eines Eindringens von Flüssigkeit 3 alle Zuführleitungen 7 auch bei Sperrstellung der Schaltventile 8 von einem Sperrluftvolumenstrom durchströmt werden. Der Sperrluftvolumenstrom kann beispielsweise durch eine zusätzliche Öffnung in der entsprechenden Zuführleitung 7 austreten. Im Ausführungsbeispiel sind die Schaltventile 8 so ausgebildet, dass sie auch in der Sperrstellung einen verbleibenden freien Strömungsquerschnitt aufweisen, durch den der Sperrluftvolumenstrom hindurchströmt. Die 3 zeigt ferner, dass der Sperrluftvolumenstrom weniger als 5% desjenigen Luftvolumenstroms beträgt, der bei alleiniger Öffnungsstellung des jeweiligen Schaltventils 8 aus der entsprechenden Zuführleitung austritt. Durch den Sperrluftvolumenstrom wird ein Eintreten von Flüssigkeit 3 in die getauchten Zuführleitungen 7 verhindert.
In 4 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Innerhalb des Begasungszyklus T werden mehrmals alle Membranmodule 4 gleichzeitig mit Teilluftströmen L₁, L₂ ... L_i begast, die sich durch Öffnen aller Schaltventile 8 einstellen.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsvariante werden innerhalb des Begasungszyklus T nacheinander unterschiedliche Gruppen aus mindestens drei Membranmodulen mit dem gesamten Luftvolumenstrom beaufschlagt, wobei sich der Luftstrom durch Öffnen der Schaltventile annähernd gleichmäßig auf die zu der Gruppe gehörenden Membranmodule verteilt und wobei die Schaltventile an allen anderen Membranmodulen geschlossen sind.
6 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zwischen den Begasungszyklen T alle Membranmodule 4 durch Öffnen der zugeordneten Schaltventile 8 gleichzeitig begast werden.
Bei der in 7 dargestellten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Begasungszyklen jeweils eine Gruppe aus mindestens drei Membranmodulen mit dem Luftstrom beaufschlagt, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Begasungszyklus eine erste Gruppe von Membranmodulen, zwischen dem zweiten und dritten Begasungszyklus eine zweite Gruppe von Membranmodulen, und so weiter fort gewählt wird.
Die Zeit, in der alle Membranmodule oder eine Gruppe aus mindestens drei Membranmodulen gleichzeitig begast werden, ist in den Ausführungsbeispielen ebenso lang wie das Zeitintervall, mit dem die Membranmodule während des Begasungszyklus einzeln begast werden. Abweichungen sowohl nach unten als auch nach oben sind möglich. Bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein Begasungszyklus T von mehr als 60 s einstellbar und beträgt vorzugsweise mehr als 120 s. Begasungszyklen von weniger als 60 s sollen jedoch nicht ausgeschlossen sein.

Claims

Verfahren zum Begasen von mehreren Membranmodulen einer im Tauchbetrieb arbeitenden Membranfilteranlage, wobei den Membranmodulen von einer gemeinsamen Quelle Luft oder ein Gas zugeführt wird, die an der Membranaußenseite als Blasen in der zu reinigenden Flüssigkeit aufsteigt und wobei in den Zuführleitungen zu den Membranmodulen Ventile angeordnet sind, die nach einem vorgegebenen Schema betätigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventile Schaltventile verwendet werden, die lediglich entweder die Öffnungs- oder Sperrstellung einnehmen können und so die Luftzufuhr zu einem zugeordneten Membranmodul freigeben oder sperren, dass in einem ersten Verfahrensschrift das einem ersten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geöffnet ist, während die Schaltventile aller weiteren Membranmodule geschlossen sind, so dass eine Begasung des ersten Membranmoduls erfolgt, dass zu Beginn eines zweiten Verfahrensschrittes zusätzlich das einem zweiten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geöffnet wird, so dass sich zwei Teilluftströme einstellen, mit denen das erste und das zweite Membranmodul beaufschlagt werden, dass zu Beginn eines dritten Verfahrensschrittes zur Begasung des zweiten Membranmoduls das dem ersten Membranmodul zugeordnete Schaltventil geschlossen wird und dass entsprechend den drei Verfahrensschritten nacheinander alle Membranmodule begast werden, bis der Begasungszyklus beim ersten Membranmodul von Neuem beginnt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines Eindringens von Flüssigkeit in luftführende Teile der Membranmodule alle Zuführleitungen auch bei Sperrstellung der Schaltventile von einem Sperrluftvolumenstrom durchströmt werden, der im Vergleich zu dem bei geöffnetem Schaltventil austretenden Begasungsluftstrom klein ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrluftvolumenstrom weniger als 5% des Begasungsluftstroms beträgt, der bei alleiniger Öffnungsstellung des jeweiligen Schaltventils aus der entsprechenden Zuführleitung austritt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Begasungszyklus mehr als 60 s, vorzugsweise mehr als 120 s, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Begasungszyklus einmal oder mehrmals alle Membranmodule gleichzeitig mit Teilluftströmen begast werden, die sich durch Öffnen aller Schaltventile einstellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Begasungszyklus nacheinander unterschiedliche Gruppen aus mindestens drei Membranmodulen mit dem Gesamtluftstrom beaufschlagt werden, wobei sich der Luftstrom durch Öffnen der Schaltventile annähernd gleichmäßig auf die zu der Gruppe gehörenden Membranmodule verteilt und wobei die Schaltventile an allen anderen Membranmodulen geschlossen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Begasungszyklen alle Membramodule durch Öffnen der zugeordneten Schaltventile gleichzeitig begast werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Begasungszyklen jeweils eine Gruppe aus mindestens drei Membranmodulen mit dem Luftstrom beaufschlagt wird, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Begasungszyklus eine erste Gruppe von Membranmodulen, zwischen dem zweiten und dritten Begasungszyklus eine zweite Gruppe von Membranmodulen usw. gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit, in der alle Membranmodule oder eine Gruppe aus mindestens drei Membranmodulen gleichzeitig begast werden, zumindest ebenso lang ist wie das Zeitintervall, mit dem die Membranmodule während des Begasungszyklus einzeln begast werden.