WO2009043760A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung von biofouling an membranen druckgetriebener membrantrennverfahren - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verminderung von biofouling an membranen druckgetriebener membrantrennverfahren Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for reducing biofouling
  • Membranes in the purification of aqueous medium by means of pressure-driven membrane separation process and an apparatus for performing the method.
  • the permeability of the system of lining and membrane can reduce so much that in order to maintain a desired performance, that is, a certain volume flow rate per unit time, increasing operating pressures on the side of the water supply are necessary or desired volume flow rate of the membrane separation system can not be achieved at all. Such a loss of performance is called fouling.
  • biofouling that is, associated with the formation of a deposit by attachment and growth of microorganisms such as microalgae, fungi, protozoa or bacteria
  • Such a coating is called biofilm.
  • the accumulated microorganisms can also be attached organic matter or in the partly use and metabolize entrained organic substances as nutrients in aqueous media.
  • the metabolic products thereby formed have a very low permeability and strongly adhere to the membrane and are often difficult or impossible to remove from the membrane surface even by dry cleaning.
  • Such irreversible deposit formation leads to a constantly decreasing permeability of the membranes, which ultimately requires an exchange of the membranes.
  • biofouling is added to the water to be treated with biocides or biostats that are said to kill or inhibit growth of microorganisms.
  • biocides or biostats that are said to kill or inhibit growth of microorganisms.
  • biocidal chemicals such as in the chlorination of water, organic ingredients of aqueous media are oxidized, whereby their bioavailability as a nutrient for biofilms usually increases and that it is where the biocide is used up , even more biofouling comes.
  • Another measure to avoid biofouling is the pretreatment of the water to be purified for the removal of biofilms as nutrient-serving organic substances and / or biofilms-building microorganisms.
  • processes such as filtration with and without prior flocculation and sedimentation are used in the water treatment, or it is worked with sorptive process or with biologically active prefilters.
  • This object is achieved by a method for reducing biofouling on membranes in the purification of aqueous medium by means of pressure-driven membrane separation processes.
  • This process is characterized in that, in a first step, the ingredients causing the biofouling contained in the aqueous medium are at least partially removed from the aqueous medium, wherein the removal takes place by adding these ingredients to the filter material as it flows through one or more sacrificial filters, whereupon the first filtrate obtained by means of pressure-driven membrane separation process is further purified.
  • the aqueous medium to be purified may be, for example, surface water such as sea or brackish water, dam or river water, but also municipal or industrial wastewater, process and process water such as boiler feed water, cooling water or emulsions. It can also be solvent or fruit juice.
  • the pressure-driven membrane separation processes may be, for example, reverse osmosis (UO), nanofiltration (NF), ultrafiltration (UF) or microfiltration (MF).
  • UO reverse osmosis
  • NF nanofiltration
  • UF ultrafiltration
  • MF microfiltration
  • the biofouling ingredients of aqueous media are removed in the first step by deposition in the sacrificial filters from the aqueous medium. Only then does the filtrate of the first step be purified in a pressure-driven membrane separation process. Due to the fact that the filtrate obtained in the first step contains less or no biofouling-causing ingredients, further purification by membrane separation processes is less or no longer hampered by biofouling. As a result, the diaphragms of the pressure-driven membrane separation process have a significantly longer service life and the performance of the system for performing the pressure-driven
  • Membrane separation process can be obtained with less effort.
  • biofouling-causing ingredients of aqueous media are to be understood microorganisms that can lead to the formation of a biofilm, their metabolites and of such microorganisms as nutrient-usable organic matter such as carbohydrates, polysaccharides, proteins or low molecular humic substances.
  • sacrificial filters prevail at least equally good conditions for their attachment to the contained in the aqueous medium biofouling ingredients as on the membranes of the subsequent pressure-driven membrane separation process.
  • the determining factors in the attachment of aqueous media ingredients to a surface are the likelihood of transporting the ingredients to the surface, as well as the likelihood that the surface-derived ingredients will adhere to the surface.
  • the transport probability depends primarily on the flow conditions.
  • the adhesion probability is primarily dependent on the surface properties of the ingredients and the surface area and the flow conditions that determine the release probability.
  • the probability of detachment is the probability that a particle attached to a surface will be detached from the surface by a flow.
  • An attachment to the sacrificial filter is usually due to mechanical and / or specific adhesion. Particularly in the specific adhesion, the electrostatic and van der Waals interactions between the aqueous medium ingredient and the filter material play an important role. The formation of hydrogen bonds leads to deposits.
  • These mechanisms are determined by the surface properties of the aqueous media ingredients and the surface properties of the sacrificial filter material.
  • a comparison of the affinity of the biofouling-causing ingredients of the aqueous medium to the sacrificial filter and to the membrane of the pressure-driven membrane separation process can be made, for example, by means of the following adhesion properties influencing the surface properties of the sacrificial filter and the membrane:
  • affinity is to be understood as meaning the tendency of biofouling substances to adhere to a surface.
  • the values of these surface properties for the sacrificial filter should not deviate more than 40% from the corresponding value of the membrane, preferably not more than 30%, more preferably not more than 20%, and most preferably not more than 10%. Even more preferred is that the values of these surface properties for the sacrificial filter be exactly the same as the corresponding properties of the membrane of the pressure-driven membrane separation process.
  • the affinity of the biofouling ingredients of aqueous media to the sacrificial filter should correspond to the affinity to the membrane.
  • a higher affinity of the biofouling causing ingredients to the sacrificial filter than to the membrane is preferable.
  • the biofouling ingredients of aqueous media Flow conditions prevail that the biofouling ingredients of aqueous media, the probability of transport to the surface is at least as high and the separation probability is at least as low as at the membrane of the pressure-driven membrane separation process. If the biofouling constituents of aqueous media have an affinity to the sacrificial filter that corresponds or exceeds their affinity for the membrane, and flow conditions prevail at the sacrificial filter for addition than at the membrane of the membrane separation process, the contents are preferably deposited on the
  • Victim filter on The greater the surface area of the sacrificial filters available for attachment, the more completely the biofouling-causing constituents are removed from the aqueous medium to be purified. Flow conditions are more favorable for an attachment, the slower the flow flows and narrower the space flowed through.
  • the organic nutrients needed to build up a biofilm such as carbohydrates or polysaccharides, for example alginates, are removed from the sacrificial filter in the aqueous medium before they reach the membrane and become attached to it.
  • the sacrificial filter in the aqueous medium As a result, due to lack of nutrients, no biofilm can build up on the membrane or develop a biofilm only very slowly due to a greatly reduced supply of nutrients.
  • Filter material in the form of permeable synthetic collectors is used for the sacrificial filters.
  • the permeable synthetic collectors consist of a porous polymer foam with a very high number of internal webs and thus a large inner surface. They can be made of different materials and in different shapes, such as polyurethane or polyamide. Usually, a single PSK particle is cylindrically shaped with a size of, for example, 2 ⁇ 5 mm. PSK are described in the literature, for example in "Lehr- und Handbuch
  • a filter bed of a plurality of individual PSK particles they are not only flowed around but also flowed through, so that ingredients of the aqueous medium to be cleaned are deposited both on the outer surface and on the inner surface. Since the space between the individual PSK particles acts as a bypass to the pore space of the individual PSK in a filter bed of PSK, only a slight pressure loss occurs when flowing through the filter bed. As a result of the bypass guide, the flow velocity within the pores of the PSK is considerably lower than in the gap between the individual PSKs, whereby ideal conditions for the attachment of biofouling-causing constituents are present within the pores of the PSK.
  • the sacrificial filter itself it comes to the formation of biofouling due to the attachment of the biofouling causing ingredients of aqueous media to form.
  • the ingredients of aqueous media suitable as nutrients for the biofilm can also be adsorbed and metabolized directly from the aqueous medium on or in the biofilm.
  • the sacrificial filter Due to the growth of biofilms and the filtration and accumulation of particles and dissolved constituents present in the aqueous medium, the sacrificial filter with increasing operating time leads to an increase in the operating pressure necessary for a certain power and to a reduction in the flow quality of the filtrate of the sacrificial filter.
  • the effluent quality of the filtrate obtained in the first step of the process according to the invention shows the efficiency of the removal of the biofouling-causing constituents from the aqueous medium in the first step.
  • Process quality can be measured in various ways, for example as turbidity according to ISO 7027, as dissolved organic ingredients of aqueous media (DOC) according to DIN EN 1484, as a specific absorption coefficient at 254 nanometers (SAK254) according to DIN 38404-3 or as SiIt Density Index (SDI) according to ASTM D-4189.
  • SAK254 and the turbidity is preferably carried out online.
  • the effluent quality of the filtrate of the first step of the method according to the invention no longer fulfills the desired minimum requirements, an exchange of individual or all sacrificial filters takes place against fresh sacrificial filters.
  • the minimum requirements include, for example, the reduction of the initial removal performance and the haze.
  • a 40% reduction of the initial removal performance preferably a 30% reduction, more preferably a 20% reduction, and most preferably a 10% reduction is used.
  • the reduction in initial removal efficiency is measured as a corresponding reduction in effluent quality.
  • a 10% reduction in the value of DOC or SAK 254 corresponds to a 10% reduction in removal performance.
  • the turbidity should be kept below a limit, since the sacrificial filter in addition to the biofouling causing ingredients of aqueous media also retained in the aqueous media entrained particulate substances.
  • the threshold for haze 1 is FNU (Formazine Nephelometry Unit), preferably 0.5 FNU and more preferably 0.1 FNU. If the turbidity of the filtrate is above the limit, replacement of the sacrificial filters is initiated.
  • a monitoring of the effluent quality such as the turbidity and the reduction of the removal performance of the filtrate of each sacrificial filter takes place.
  • the effluent quality of the filtrate of the first step of the method according to the invention does not meet the minimum requirements, all sacrificial filters can be exchanged, or there is only an exchange of individual sacrificial filters. If only a single sacrificial filter is used in the process, the effluent quality of its filtrate must meet the minimum effluent quality requirements for the first step of the process of the invention. When multiple sacrificial filters are used, it is acceptable that the filtrate of upstream sacrificial filters have a drain quality that is worse than the minimum first stage effluent requirement, as the following downstream sacrificial filters also meet the minimum effluent quality requirements for the first Step forward.
  • the minimum requirements for the effluent quality of their filtrate can be set to different levels, but preferably they correspond to the minimum requirements for the first step of the method according to the invention. In any case, the filtrate of the downstream last victim filter must always meet the minimum requirements for the first step.
  • the pressure loss on a sacrificial filter should be less than 1 bar, more preferably less than 500 mbar.
  • Another object of the present invention is a device for carrying out the method according to the invention, comprising a feed line for aqueous medium to be purified, which leads to a pressure-driven membrane separation unit, characterized in that in the feed line at least one of the filtered by the aqueous medium to be filtered victim filter is arranged , and each sacrificial filter can be removed from the supply line, and in the supply line at least two devices for arranging a sacrificial filter in the supply line are present, wherein a sacrificial filter comprises a filled with permeable synthetic collector particles filter housing, wherein the affinity of biofouling causing ingredients of the aqueous medium to the permeable synthetic collectors at least exactly great is their affinity to the membrane of the pressure-driven membrane separation plant.
  • a sacrificial filter includes a filter housing filled with PSK filter material.
  • the filling of the filter housing, also called filter bed, consists of a plurality of individual PSK particles.
  • Victim filters are arranged in the supply line in such a way that the entire aqueous medium to be purified has to flow through them on the way to the pressure-driven membrane separation plant.
  • At least one sacrificial filter must be arranged in the supply line, but it is also possible for two, three, four or more individual sacrificial filters to be arranged behind one another or in parallel.
  • the number of sacrificial filters depends, for example, on the load on the medium to be cleaned of biofouling-causing constituents or the desired performance of the subsequent pressure-driven membrane separation process.
  • Each sacrificial filter can be easily removed from the supply line. If replacement of a sacrificial filter is necessary, remove it from the supply line and insert a fresh sacrificial filter into the supply line.
  • the fresh sacrificial filter can be filled with previously unused, new PSK filter material. It can also be filled with PSK filter material from a previously removed sacrificial filter and cleaned.
  • At least two devices for arranging a sacrificial filter in the supply line are present in the supply line. Therefore, the presence of at least one sacrificial filter in the supply line is guaranteed even when removing a sacrificial filter, which is flowed through by the entire aqueous medium to be cleaned.
  • PSK are the filter material of a sacrificial filter.
  • the material and the structure of the PSK are such that the flow conditions and the adhesion probability at the sacrificial filter at least correspond to the corresponding properties at the membrane of the subsequent pressure-driven membrane separation plant.
  • the PSK are preferably made of the same type of material, more preferably of the same material as the membrane of the pressure-driven membrane separation plant.
  • the PSK consist of carrier material coated with one or more such materials.
  • Support material is for example a polyurethane, while the coating consists for example of polyamide, polyethersulfone, polyvinylidene fluoride, or polysulfone.
  • sacrificial filters Due to the porous structure of the PSK, sacrificial filters result in a far-reaching filtration removal of the particulate contents of aqueous media. Thus, particulate fouling in the pressure-driven membrane separation plant is significantly reduced. It is possible to compress the PSK differently in the sacrificial filters and thus to change the flow conditions and the filtration effect.
  • Devices can be provided between the sacrificial filter and the pressure-driven membrane separation plant, by means of which biocides or biostatics for disinfection can be metered into the permeate of the sacrificial filters, or devices for disinfection by ultraviolet light.
  • Figure 1 exemplifies a device according to the invention for the purification of water and schematically.
  • aqueous medium 1 in this case impure raw water
  • a feed line 2 of a subsequent pressure-driven membrane separation unit 4 in this case a reverse osmosis system (UO)
  • UO reverse osmosis system
  • membrane permeate 6 is derived by a Membranpermeat-derivative and derived by a Membranretentat-derivative 7 Membranretentat 8.
  • the directions of flow of the aqueous medium 1, the membrane permeate 6 and the membrane retentate 8 to be purified are indicated by arrows on the feed line 2, the membrane permeate discharge line 5 and the membrane retentate discharge line 7.
  • a sacrificial filter 3 is arranged, which is filled with permeable synthetic collectors, which preferably consist of the same material as the membrane of the membrane separation unit 4.
  • the sacrificial filter 3 is flowed through by the entire aqueous medium 1 to be purified on its way to the membrane separation plant 4.
  • the sacrificial filter 3 is fixed by means of the holder 9 in the supply line 2.
  • a second holder 10 is present in the supply line 2, in which, if necessary, a further sacrificial filter 3 can be used. Not shown are measuring devices for monitoring the turbidity of the filtrate of the sacrificial filter, the pressure loss at the sacrificial filters and the pressure drop and the permeability of the membrane separation plant.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung von Biofouling an Membranen bei der Reinigung von wässrigem Medium mittels druckgetriebener Membrantrennverfahren. Biofouling verursachende Inhaltsstoffe werden dem zu reinigenden wässrigen Medium durch Anlagerung an Opferfilter (3) entzogen, die in der Zuleitung (2) zur druckgetriebenen Membrantrennanlage (4) angeordnet sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung von Biofouling an Membranen druckgetriebener Membrantrennverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung von Biofouling an
Membranen bei der Reinigung von wässrigem Medium mittels druckgetriebener Membrantrennverfahren, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Hintergrund der Erfindung
Zur Reinigung von Wasser, beispielsweise bei der Trinkwasser-Gewinnung durch Entsalzung von Meer- oder Brackwasser, bei der Reinigung von Abwässern, beim Aufbereiten von Kesselspeisewasser, bei der Gewinnung von hochreinem Wasser oder bei der Herstellung konzentrierter wässriger Lösungen in der pharmazeutischen Industrie und in der Nahrungsmittel-Industrie werden oft druckgetriebene Membrantrennverfahren eingesetzt. Aufgrund der Anlagerung von in dem zu reinigenden wässrigen Medium enthaltenen partikulären, anorganischen oder organischen Inhaltsstoffen und Mikroorganismen an der Membran des Membrantrennverfahrens kommt es an dieser in der Regel zur Bildung von Belägen. Abhängig von der Dichte und der Dicke dieser Beläge kann sich die Permeabilität des Systems aus Belag und Membran soweit verringern, dass zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Leistung, das heißt eines bestimmten Volumendurchsatzes pro Zeiteinheit, steigende Betriebsdrücke auf der Seite der Wasser-Zuführung notwendig werden oder der gewünschte Volumendurchsatz der Membrantrennanlage überhaupt nicht mehr erreicht werden kann. Eine solche Leistungseinbuße wird als Fouling bezeichnet.
Besonders unerfreulich ist Biofouling, das heißt, die mit der Entstehung eines Belages durch Anlagerung und Wachstum von Mikroorganismen wie beispielsweise Mikroalgen, Pilzen, Protozoen oder Bakterien verbundene
Leistungseinbuße. Ein solcher Belag wird als Biofilm bezeichnet. Die angelagerten Mikroorganismen können ebenfalls angelagerte organische Stoffe oder in dem wässrigen Medium mitgeführte organische Stoffe zum Teil als Nährstoff nutzen und metabolisieren. Die dabei gebildeten Stoffwechselprodukte besitzen jedoch eine sehr geringe Permeabilität und haften stark an der Membran und sind auch durch chemische Reinigungen oft nur schwer oder gar nicht von der Membranoberfläche entfernbar. Solch irreversible Belagsbildung führt zu einer beständig abnehmenden Permeabilität der Membranen, welche letztendlich einen Austausch der Membranen erforderlich macht.
Zur Vermeidung eines solchen irreversiblen Belages oder zur Verringerung von dessen Auswirkungen werden bislang verschiedene Maßnahmen ergriffen. Am weitaus häufigsten werden beispielsweise zur Vermeidung von Biofouling dem aufzubereitenden Wasser Biozide oder Biostatika beigefügt, die auf Mikroorganismen abtötend oder wachstumshemmend wirken sollen. Derartige Zugaben sind jedoch oft nur in hohen Konzentrationen wirksam, können bereits vorhandene Beläge oft nur ungenügend oder gar nicht entfernen und können sich sogar schädigend auf die Membran und deren Leistung auswirken. Weiterhin ist bekannt, dass beim Einsatz von bioziden Chemikalien, wie beispielsweise bei der Chlorung von Wasser, organische Inhaltsstoffe wässriger Medien oxidiert werden, wodurch deren Bioverfügbarkeit als Nährstoff für Biofilme in aller Regel steigt und dass es an den Stellen, an denen das Biozid aufgebraucht ist, zu noch stärkerem Biofouling kommt. Eine andere Maßnahme zur Vermeidung von Biofouling ist die Vorbehandlung des zu reinigenden Wassers zur Entnahme von Biofilmen als Nährstoff dienenden organischen Substanzen und/oder von Biofilme aufbauenden Mikroorganismen. Hierzu werden in der Wasseraufbereitung Verfahren wie Filtration mit und ohne vorherige Flockung und Sedimentation eingesetzt, oder es wird mit sorptiven Verfahren oder mit biologisch aktiven Vorfiltern gearbeitet.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer Biofouling an Membranen druckgetriebener Membrantrennverfahren bei der Reinigung wässriger Medien vermindert wird. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Verminderung von Biofouling an Membranen bei der Reinigung von wässrigem Medium mittels druckgetriebener Membrantrennverfahren. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die in dem wässrigen Medium enthaltenen Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe zumindest teilweise aus dem wässrigen Medium entfernt werden, wobei die Entfernung durch Anlagerung dieser Inhaltsstoffe an das Filtermaterial beim Durchströmen eines oder mehrerer Opferfilter erfolgt, worauf das im ersten Schritt gewonnene Filtrat mittels druckgetriebener Membrantrennverfahren weiter gereinigt wird.
Das zu reinigende wässrige Medium kann beispielsweise Oberflächenwasser wie Meer- oder Brackwasser, Talsperren- oder Flusswasser sein, aber auch kommunales oder industrielles Abwasser, Brauch- und Prozesswasser wie etwa Kesselspeisewasser, Kühlwasser oder Emulsionen sein. Es kann sich aber auch um Lösungsmittel oder Fruchtsaft handeln.
Die druckgetriebenen Membrantrennverfahren können beispielsweise Umkehrosmose (UO), Nanofiltration (NF), Ultrafiltration (UF) oder Mikrofiltration (MF) sein.
Die Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien werden im ersten Schritt durch Anlagerung in den Opferfiltern aus dem wässrigen Medium entfernt. Erst danach erfolgt eine Reinigung des Filtrats des ersten Schrittes in einem druckgetriebenen Membrantrennverfahren. Dadurch, dass das im ersten Schritt gewonnene Filtrat weniger oder gar keine Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe mehr enthält, wird die weitere Reinigung durch Membrantrennverfahren weniger oder gar nicht mehr von Biofouling behindert. Dadurch haben die Membranen der druckgetriebenen Membrantrennverfahren eine deutlich längere Lebensdauer und die Leistung der Anlage zur Durchführung des druckgetriebenen
Membrantrennverfahrens kann mit weniger Aufwand erhalten werden. Unter den Biofouling verursachenden Inhaltsstoffen wässriger Medien sind zu verstehen Mikroorganismen, die zur Entstehung eines Biofilmes führen können, ihre Stoffwechsel produkte sowie von solchen Mikroorganismen als Nährstoff nutzbare organische Materie wie beispielsweise Kohlenhydrate, Polysaccharide, Proteine oder niedermolekulare Huminstoffe.
In den Opferfiltern herrschen für die in dem wässrigen Medium enthaltenen Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe mindestens gleich gute Rahmenbedingungen für ihre Anlagerung wie an den Membranen der darauf folgenden druckgetriebenen Membrantrennverfahren.
Die bestimmenden Faktoren bei der Anlagerung von Inhaltsstoffen wässriger Medien an einer Oberfläche sind die Transportwahrscheinlichkeit, mit der die Inhaltsstoffe an die Oberfläche gelangen, sowie die Haftwahrscheinlichkeit, mit der die an die Oberfläche gelangten Inhaltsstoffe an der Oberfläche haften bleiben. Die Transportwahrscheinlichkeit ist in erster Linie von den Strömungsverhältnissen abhängig. Die Haftwahrscheinlichkeit ist in erster Linie von den Oberflächeneigenschaften der Inhaltsstoffe und der Oberfläche und den Strömungsverhältnissen, die die Ablösewahrscheinlichkeit bestimmen, abhängig. Die Ablösewahrscheinlichkeit ist die Wahrscheinlichkeit, mit der ein an einer Oberfläche angelagertes Teilchen durch eine Strömung von der Oberfläche abgelöst wird.
Eine Anlagerung am Opferfilter erfolgt in der Regel aufgrund mechanischer und/oder spezifischer Adhäsion. Insbesondere bei der spezifischen Adhäsion spielen die elektrostatischen und van-der-Waals-schen Wechselwirkungen zwischen dem Inhaltsstoff des wässrigen Mediums und dem Filtermaterial eine bedeutende Rolle. Auch die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen führt zu Anlagerungen. Diese Mechanismen sind bestimmt durch die Oberflächeneigenschaften der Inhaltsstoffe wässriger Medien und die Oberflächeneigenschaften des Opferfiltermaterials Ein Vergleich der Affinität der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe des wässrigen Mediums zum Opferfilter und zur Membran des druckgetriebenen Membrantrennverfahrens kann beispielsweise mittels folgender, die Haftwahrscheinlichkeit beeinflussenden Oberflächeneigenschaften des Opferfilters und der Membran angestellt werden:
- Hydrophobizität bzw. Benetzbarkeit, erhalten über Kontaktwinkelmessung
- Oberflächenladung, erhalten über Zetapotential-Messung. Unter Affinität ist in diesem Zusammenhang das Bestreben der Biofouling verursachenden Substanzen zur Anlagerung an eine Oberfläche zu verstehen.
Die Werte dieser Oberflächeneigenschaften sollen für den Opferfilter nicht mehr als 40% von dem entsprechenden Wert der Membran abweichen, bevorzugt nicht mehr als 30%, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%, und ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 10%. Noch mehr bevorzugt ist es, dass die Werte dieser Oberflächeneigenschaften für den Opferfilter genau so groß sind wie die entsprechenden Eigenschaften der Membran des druckgetriebenen Membrantrennverfahrens.
Die Affinität der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien zum Opferfilter soll der Affinität zur Membran entsprechen. Bevorzugt ist eine höhere Affinität der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe zum Opferfilter als zur Membran.
Weiterhin sollen bei Durchströmung des Opferfilters derartige
Strömungsverhältnisse herrschen, dass für die Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien die Transportwahrscheinlichkeit zur Oberfläche mindestens genau so hoch ist und die Ablösewahrscheinlichkeit mindestens genauso gering ist wie an der Membran des druckgetriebenen Membrantrennverfahrens. Wenn die Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien eine ihrer Affinität zur Membran entsprechende oder diese übertreffende Affinität zum Opferfilter aufweisen, und am Opferfilter für eine Anlagerung günstigere Strömungsverhältnisse herrschen als an der Membran des Membrantrennverfahrens, dann lagern sich die Inhaltsstoffe bevorzugt am
Opferfilter an. Je größer die für Anlagerung zur Verfügung stehende Oberfläche der Opferfilter ist, desto vollständiger werden die Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe dem zu reinigenden wässrigen Medium entzogen. Strömungsverhältnisse sind für eine Anlagerung umso günstiger, je langsamer die Strömung fließt und enger der durchströmte Raum ist.
Beispielsweise werden die zum Aufbau eines Biofilms benötigten organischen Nährstoffe wie Kohlenhydrate oder Polysaccharide, beispielsweise Alginate, dem wässrigen Medium vom Opferfilter entzogen, bevor sie die Membran erreichen und an dieser angelagert werden. Infolgedessen kann sich an der Membran aus Mangel an Nährstoffen kein Biofilm aufbauen bzw. aufgrund eines stark verminderten Nährstoffangebotes ein Biofilm nur sehr langsam entwickeln.
Infolgedessen ist im erfindungsgemäßen Verfahren Biofouling an den Membranen eines druckgetriebenen Membrantrennverfahrens, in dem das Filtrat der Opferfilter weiter gereinigt wird, unmöglich gemacht oder zumindest erschwert.
Durch die Verhinderung bzw. Verminderung der Anlagerung der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien an der Membranoberfläche ist keine bzw. nur eine langsamere Erhöhung des Betriebsdruckes zur Gewährleistung einer bestimmten Leistung des druckgetriebenen Membrantrennverfahrens notwendig. Weiterhin können zur Reinigung der druckgetriebenen Membrantrennanlage notwendige Betriebsstillstände vermieden bzw. ihre Häufigkeit vermindert werden. Durch die geringere Anzahl notwendiger chemischer Reinigungen erhöht sich zudem die Lebenserwartung der Membranen. Zur Vermeidung eines Schlupfes von Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien durch den Opferfilter sollte die zur Anlagerung zur Verfügung stehende Oberfläche groß dimensioniert sein. Andererseits wird eine möglichst kleine Größe der Opferfilter angestrebt, um den Investitionsaufwand zu minimieren. Die Wahl der für eine Reinigungsaufgabe verwendeten Größe der Opferfilteroberfläche erfolgt im Rahmen dieser Vorgaben.
Für die Opferfilter wird Filtermaterial in Form von permeablen synthetischen Kollektoren (PSK) eingesetzt. Die permeablen synthetischen Kollektoren bestehen aus einem porösen Polymerschaum mit einer sehr hohen Anzahl innerer Stege und damit einer großen inneren Oberfläche. Sie können aus unterschiedlichen Materialien und in unterschiedlichen Formen gefertigt werden, beispielsweise aus Polyurethan oder Polyamid. Üblicherweise ist ein einzelnes PSK-Teilchen zylinderförmig mit einer Größe von beispielsweise 2 x 5 mm ausgeführt. PSK sind in der Literatur beschrieben, beispielsweise in „Lehr- und Handbuch
Wasserversorgung, Band 6, Wasseraufbereitung - Grundlagen und Verfahren", S. 174-183, Oldenburg Industrieverlag GmbH, München, Wien; DVGW (Hrsg.) (2004).
In einer Filterschüttung aus einer Vielzahl einzelner PSK-Teilchen werden diese nicht nur umströmt sondern auch durchströmt, so dass Inhaltsstoffe des zu reinigenden wässrigen Mediums sowohl an der äußeren Oberfläche als auch an der inneren Oberfläche angelagert werden. Da in einer Filterschüttung aus PSK der Zwischenraum zwischen den einzelnen PSK-Teilchen wie ein Bypass zum Porenraum des einzelnen PSK wirkt, tritt beim Durchströmen der Filterschüttung ein nur geringer Druckverlust auf. Durch die Bypassführung ist die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Poren der PSK erheblich geringer als im Zwischenraum zwischen den einzelnen PSK, wodurch innerhalb der Poren der PSK ideale Bedingungen für die Anlagerung von Biofouling verursachenden Inhaltsstoffen vorliegen. Am Opferfilter selbst kommt es aufgrund der Anlagerung der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien zur Ausbildung von Biofouling. In Bereichen des Opferfilters, wo dieser mit einem Biofilm bewachsen ist, können die als Nährstoffe für den Biofilm geeignete Inhaltsstoffe wässriger Medien auch direkt aus dem wässrigen Medium heraus an oder in dem Biofilm adsorbiert und metabolisiert werden.
Durch das Wachstum von Biofilmen und die Filtration und Anlagerung von im wässrigen Medium vorhandenen Partikeln und gelösten Inhaltsstoffen kommt es am Opferfilter mit fortschreitender Betriebsdauer zu einer Zunahme des für eine bestimmte Leistung notwendigen Betriebsdrucks und zu einer Verringerung der Ablaufqualität des Filtrats des Opferfilters.
Die Ablaufqualität des im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Filtrats zeigt die Effizienz der im ersten Schritt erfolgten Entfernung der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe aus dem wässrigen Medium. Die
Ablaufqualität kann auf verschiedene Arten gemessen werden, beispielsweise als Trübung nach ISO 7027, als gelöste organische Inhaltsstoffe wässriger Medien (dissolved organic carbon, DOC) nach DIN EN 1484, als spezifischer Absorptionskoeffizient bei 254 Nanometer (SAK254) nach DIN 38404-3 oder als SiIt Density Index (SDI) nach ASTM D-4189. Die Bestimmung des SAK254 und der Trübung erfolgt dabei vorzugsweise online.
Durch die mit dem Durchfließen des Opferfilters erfolgende Entfernung der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien vermindert sich ihre Konzentration im Filtrat des ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit zunehmender Einsatzdauer der Opferfilter nimmt die Effizienz der Entfernung ab, da sich durch die bereits erfolgte Anlagerung die für eine weitere Anlagerung zur Verfügung stehende Oberfläche ständig vermindert. Entsprechend sinkt die Ablaufqualität des Filtrats. Der Anteil der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe wässriger Medien, die sich an dem Opferfiltermaterial anlagern, ist abhängig ist von der Art der Inhaltsstoffe und ihrer Gesamtkonzentration. Je nach aufzubereitendem Wasser können die Mindestanforderungen für die gewünschte Ablaufqualität unterschiedlich sein.
Wenn die Ablaufqualität des Filtrats des ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens die gewünschten Mindestanforderungen nicht mehr erfüllt, erfolgt ein Austausch einzelner oder aller Opferfilter gegen frische Opferfilter. Die Mindestanforderungen betreffen beispielsweise die Verminderung der anfänglichen Entfernungsleistung und die Trübung.
Als Kriterium für die Einleitung eines Austausches wird eine 40%ige Verminderung der anfänglichen Entfernungsleistung, bevorzugt eine 30%ige Verminderung, besonders bevorzugt eine 20%ige Verminderung, und ganz besonders bevorzugt eine 10%ige Verminderung verwendet. Die Verminderung der anfänglichen Entfernungsleistung wird gemessen als entsprechende Verminderung der Ablaufqualität. So entspricht also beispielsweise eine 10%ige Verminderung des Wertes für DOC oder SAK 254 einer 10%igen Verminderung der Entfernungsleistung.
Weiterhin soll die Trübung unterhalb eines Grenzwertes gehalten werden, da der Opferfilter neben den Biofouling verursachenden Inhaltsstoffen wässriger Medien auch in den wässrigen Medien mitgeführte partikuläre Substanzen zurückhält. Vorteilhafterweise beträgt der Grenzwert für die Trübung 1 FNU (Formazine Nephelometrie Unit), bevorzugt 0,5 FNU und besonders bevorzugt 0,1 FNU. Liegt die Trübung des Filtrats über dem Grenzwert, wird ein Austausch der Opferfilter eingeleitet.
Bevorzugterweise erfolgt eine Überwachung der Ablaufqualität, wie beispielsweise der Trübung und der Verminderung der Entfernungsleistung, des Filtrats jedes einzelnen Opferfilters.
Wenn die Ablaufqualität des Filtrats des ersten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht den Mindestanforderungen entspricht, können alle Opferfilter ausgetauscht werden, oder es erfolgt nur ein Austausch einzelner Opferfilter. Wenn bei dem Verfahren nur ein einzelner Opferfilter verwendet wird, muss die Ablaufqualität seines Filtrats den Mindestanforderungen der Ablaufqualität für den ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen. Wenn mehrere Opferfilter verwendet werden, ist es akzeptabel, dass das Filtrat stromaufwärts liegender Opferfilter eine Ablaufqualität aufweist, die schlechter ist als die Mindestanforderung für die Ablaufqualität des ersten Schrittes, da die folgenden stromabwärts liegenden Opferfilter auch zur Erfüllung der Mindestanforderungen für die Ablaufqualität für den ersten Schritt beitragen. Je nach Anzahl und Position der Opferfilter können die Mindestanforderungen für die Ablaufqualität ihres Filtrates verschieden hoch angesetzt werden, bevorzugterweise entsprechen sie jedoch den Mindestanforderungen für den ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens. In jedem Fall muss das Filtrat des stromabwärts letzten Opferfilters immer den Mindestanforderungen für den ersten Schritt entsprechen.
Es kann auch ein Schwellenwert für Druckverlust an den Opferfiltern festgesetzt werden, dessen Überschreitung zum Austausch des betreffenden Opferfilters führt. Welcher Druckverlust als inakzeptabel angesehen wird, hängt von den jeweiligen Betriebsbedingungen ab. Bevorzugterweise soll der Druckverlust an einem Opferfilter unter 1 bar liegen, besonders bevorzugt unter 500 mbar.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend eine Zuleitung für zu reinigendes wässriges Medium, welche in eine druckgetriebene Membrantrennanlage führt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung mindestens ein von dem zu reinigenden wässrigen Medium durchströmter Opferfilter angeordnet ist, und jeder Opferfilter aus der Zuleitung entnommen werden kann, und in der Zuleitung zumindest zwei Vorrichtungen zur Anordnung eines Opferfilters in der Zuleitung vorhanden sind, wobei ein Opferfilter ein mit permeablen synthetischen Kollektor- Teilchen befülltes Filtergehäuse umfasst, wobei die Affinität der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe des wässrigen Mediums zu den permeablen synthetischen Kollektoren mindestens genau so groß ist wie ihre Affinität zur Membran der druckgetriebenen Membrantrennanlage.
Ein Opferfilter umfasst ein Filtergehäuse, das mit PSK Filtermaterial gefüllt ist. Die Füllung des Filtergehäuses, auch Filterschüttung genannt, besteht dabei aus einer Vielzahl einzelner PSK Teilchen.
Opferfilter sind in der Zuleitung derart angeordnet, dass das gesamte zu reinigende wässrige Medium sie auf dem Weg zur druckgetriebenen Membrantrennanlage durchströmen muss.
In der Zuleitung muss mindestens ein Opferfilter angeordnet sein, es können aber auch zwei, drei, vier oder mehr einzelne Opferfilter hintereinander oder parallel angeordnet werden. Die Zahl der Opferfilter hängt beispielsweise von der Belastung des zu reinigenden Mediums mit Biofouling verursachenden Inhaltsstoffen oder der gewünschten Leistung des nachfolgenden druckgetriebenen Membrantrennverfahrens ab.
Jeder Opferfilter kann einfach aus der Zuleitung entnommen werden. Wenn ein Austausch eines Opferfilters notwendig ist, wird dieser aus der Zuleitung entnommen und ein frischer Opferfilter in die Zuleitung eingesetzt. Der frische Opferfilter kann mit bisher unbenutztem, neuen PSK Filtermaterial befüllt sein. Er kann auch mit PSK Filtermaterial befüllt sein, das aus einem bereits vorher entnommenen Opferfilter stammt und gereinigt wurde. In der Zuleitung sind zumindest zwei Vorrichtungen zur Anordnung eines Opferfilters in der Zuleitung vorhanden. Daher ist auch bei Entnahme eines Opferfilters das Vorhandensein mindestens eines Opferfilters in der Zuleitung gewährleistet, der vom gesamten zu reinigenden wässrigen Medium durchströmt wird. Die Entnahme kann während des Betriebes der druckgetriebenen Membrantrennanlage erfolgen oder nach Abschalten der Anlage. Bevorzugt ist die Entnahme während des Betriebes, um einen stillstandsbedingten Produktionsausfall zu vermeiden. PSK sind das Filtermaterial eines Opferfilters. Das Material und die Struktur der PSK sind so beschaffen, dass die Strömungsverhältnisse und die Haftwahrscheinlichkeit am Opferfilter mindestens den entsprechenden Eigenschaften an der Membran der nachfolgenden druckgetriebenen Membrantrennanlage entsprechen.
Die PSK bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Materialtyp, besonders bevorzugt aus dem gleichen Material, wie die Membran der druckgetriebenen Membrantrennanlage. Nach einer weiteren Ausführungsform bestehen die PSK aus mit einem oder mehreren derartigen Materialien beschichtetem Trägermaterial. Trägermaterial ist beispielsweise ein Polyurethan, während die Beschichtung beispielsweise aus Polyamid, Polyethersulfon, Polyvinylidenfluorid, oder Polysulfon besteht.
Aufgrund des porösen Aufbaus der PSK kommt es in Opferfiltern zu einer weitgehenden filtrativen Entfernung der partikulären Inhaltsstoffe wässriger Medien. Somit wird auch partikuläres Fouling in der druckgetriebenen Membrantrennanlage erheblich vermindert. Es besteht die Möglichkeit, die PSK in den Opferfiltern unterschiedlich stark zu komprimieren und so die Strömungsverhältnisse und die filtrative Wirkung zu verändern.
Zwischen Opferfilter und druckgetriebener Membrantrennanlage können Vorrichtungen vorgesehen sein, mittels derer dem Permeat der Opferfilter Biozide oder Biostatika zur Desinfektion zudosiert werden können oder Vorrichtungen zur Desinfektion durch ultraviolettes Licht.
Die Erfindung wird anhand der Figur, genannt Figur 1 , die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung von Wasser beispielhaft und schematisch darstellt, erläutert.
In Figur 1 ist dargestellt, dass zu reinigendes wässriges Medium 1 , in diesem Fall unreines Rohwasser, durch eine Zuleitung 2 einer nachfolgenden druckgetriebenen Membrantrennanlage 4, in diesem Fall einer Umkehrosmose- Anlage (UO), zugeführt wird. Aus der druckgetriebenen Membrantrennanlage 4 wird durch eine Membranpermeat-Ableitung 5 gereinigtes Membranpermeat 6 abgeleitet und durch eine Membranretentat-Ableitung 7 Membranretentat 8 abgeleitet. Die Strömungsrichtungen des zu reinigenden wässrigen Mediums 1 , des Membranpermeats 6 und des Membranretentats 8 ist durch Pfeile an der Zuleitung 2, der Membranpermeat-Ableitung 5 und der Membranretentat-Ableitung 7 angegeben. In der Zuleitung 2 ist ein Opferfilter 3 angeordnet, der mit permeablen synthetischen Kollektoren befüllt ist, die vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Membran der Membrantrennanlage 4 bestehen. Der Opferfilter 3 wird vom gesamten zu reinigenden wässrigen Medium 1 auf dessen Weg zur Membrantrennanlage 4 durchströmt. Als Vorrichtungen zur Anordnung eines Opferfilters in der Zuleitung sind Halterungen vorhanden. Der Opferfilter 3 ist mittels der Halterung 9 in der Zuleitung 2 befestigt. An einer weiteren Stelle der Zuleitung 2 ist eine zweite Halterung 10 ist in der Zuleitung 2 vorhanden, in die bei Bedarf ein weiterer Opferfilter 3 eingesetzt werden kann. Nicht dargestellt sind Messeinrichtungen zur Überwachung der Trübung des Filtrats der Opferfilter, des Druckverlustes an den Opferfiltern und des Druckverlustes und der Permeabilität der Membrantrennanlage.

Claims

Patentansprüche
1 ) Verfahren zur Verminderung von Biofouling an Membranen bei der Reinigung von wässrigem Medium mittels druckgetriebener Membrantrennverfahren dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die in dem wässrigen Medium enthaltenen Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe zumindest teilweise aus dem wässrigen Medium entfernt werden, wobei die Entfernung durch Anlagerung dieser Inhaltsstoffe an das Filtermaterial beim Durchströmen eines oder mehrerer Opferfilter erfolgt, worauf das im ersten Schritt gewonnene Filtrat mittels druckgetriebener Membrantrennverfahren weiter gereinigt wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Filtermaterial der Opferfilter permeable synthetische Kollektoren verwendet werden.
3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die permeablen synthetischen Kollektoren aus dem gleichen Materialtyp, bevorzugt aus dem gleichen Material, wie die Membran des druckgetriebenen Membrantrennverfahrens bestehen.
4) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach ISO 7027 gemessene Trübung des im ersten Schritt gewonnenen Filtrates unterhalb eines Grenzwertes von 1 FNU, bevorzugt 0,5 FNU, besonders bevorzugt 0,1 FNU, gehalten wird.
5) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder alle Opferfilter ausgetauscht werden, wenn die Ablaufqualität des ersten Schrittes Mindestanforderungen nicht entspricht.
6) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend eine Zuleitung (2) für zu reinigendes wässriges Medium (1 ), welche in eine druckgetriebene Membrantrennanlage (4) führt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (2) mindestens ein von dem zu reinigenden wässrigen Medium durchströmter Opferfilter (3) angeordnet ist, und jeder Opferfilter (3) aus der Zuleitung (2) entnommen werden kann, und in der Zuleitung (2) zumindest zwei Vorrichtungen (9,10) zur Anordnung eines Opferfilters (3) in der Zuleitung (2) vorhanden sind, wobei ein Opferfilter (3) ein mit permeablen synthetischen Kollektor- Teilchen befülltes Filtergehäuse umfasst, wobei die Affinität der Biofouling verursachenden Inhaltsstoffe des wässrigen Mediums zu den permeablen synthetischen Kollektoren mindestens genau so groß ist wie ihre Affinität zur Membran der druckgetriebenen Membrantrennanlage (4).
7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die druckgetriebene Membrantrennanlage (4) eine Umkehrosmose-Anlage ist.
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