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WO2015079062A1 - Verfahren und vorrichtung zur filtration von flüssigkeiten - Google Patents

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WO2015079062A1
WO2015079062A1 PCT/EP2014/076087 EP2014076087W WO2015079062A1 WO 2015079062 A1 WO2015079062 A1 WO 2015079062A1 EP 2014076087 W EP2014076087 W EP 2014076087W WO 2015079062 A1 WO2015079062 A1 WO 2015079062A1
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WO
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filter
filter element
filter housing
housing
filtration
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PCT/EP2014/076087
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French (fr)
Inventor
Kurt Gassner
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Original Assignee
Individual
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Definitions

  • the invention relates to a method for the filtration of liquids, in particular drinking, service, process and salt water and waste water from industry and / or communities, wherein the liquid to be purified is introduced via at least one inlet under pressure into a filter housing, at least one in The liquid fraction contained solids fraction is filtered off via at least one arranged in the filter housing filter element under pressure, wherein the pressure filtration is carried out with ultrasound support, and a device for the filtration of liquids with a solids fraction and a filter element for this purpose.
  • the currently available on the market gravity and pressure filtrations are designed primarily for the separation of solids from liquid and are designed for example as a drum, disk, band filter and / or filter cartridges, which are used in various designs as submerged and freestanding models.
  • the filter cleaning is usually done via backwashing by means of air and / or Wasserbeaufschlagung.
  • the currently known systems usually have a multi-stage structure in order to achieve desired microbiological effects at cutting powers of, for example, 20.0 ⁇ m to 0.1 ⁇ m. As a result, the costs for the acquisition and operation of these multi-stage systems are particularly high.
  • WO 2012/104493 A1 describes a method and a device of the type mentioned above, wherein investigations by the applicant have shown that, despite the tangential supply of the liquid to be cleaned, a rapid blocking of the filter element takes place. Furthermore, it is a static system that does not respond to changed feed conditions, i. Changes to the amount of wastewater fed, can react flexibly.
  • This object is achieved by a method of the type mentioned above, characterized in that there is a monitoring of the increase in operating pressure and / or the hydraulic throughput during filtration.
  • the filtration of liquids is assisted by the introduction of ultrasonic waves, while at the same time monitoring the increase in operating pressure and / or hydraulic throughput during filtration.
  • An increase in the operating pressure or a reduction in the hydraulic throughput is an indication of an increasing blockage of the at least one filter element.
  • the ultrasound entry during filtration can be done case by case, periodically or permanently.
  • the duration and / or the intensity of the ultrasonic input is selected as a function of the feed conditions, in particular the feed rate and the solids content and the particle size in the liquid to be cleaned.
  • the aim of the method according to the invention is thus to obtain a concentration of the particles in the drainage liquid in the retentate, without forming a too strong and strong filter cake on the filter element, which would require a complex purification step.
  • concentration of the solids fraction monitored for example, by in situ turbidity measurement or monitoring of transmembrane pressure, and / or hydraulic throughput, the start of an automatic cleaning cycle occurs.
  • At least one cleaning step interrupts the filtration, wherein as a cleaning agent water, air and / or ultrasound for cleaning the at least one Filter element is used. It is particularly preferred in this case that the cleaning of the filter element takes place within the filter housing, so that the filter element does not have to be removed.
  • the cleaning step can be operated in the forward-flush mode as well as in the back-wash-flush mode, optionally with negative pressure or overpressure.
  • the invention has the particular advantage that in the case of liquids which have a microbial load, for example seawater, blocking and / or fouling of the filter elements or membranes can be reduced or completely prevented.
  • a microbial load for example seawater
  • Reversible filter pore blockages are steric pore blockages, with particle sizes larger than diameter the pore channels is.
  • irreversible processes there is an internal adsorption, whereby filterable material settles in the pore aisles, so that it can lead to narrowing and eventually to the total pore laying.
  • These particles are usually smaller, or larger particles are deformed under pressure so that they fit into the pore openings, but then wedge in the pore passages and settle (affinity effect).
  • These substances can consist of inorganic (mineral) and organic substances that cause scaling and particle fouling on the filter surface.
  • biofilm-forming substances that contribute to the growth of microorganisms on the filter surface by constantly transporting nutrients from the raw water - so-called biofouling. This leads to the formation of a gel-like biofilm layer, which in turn impairs the flow of water to the active filter surface.
  • biofouling on filter surfaces is explained, for example, in “Flemming, H.C., Biofouling in Membrane Processes, Springer Verlag, Berlin 1995".
  • a microbiological effect may be desired by deactivating the microorganisms and / or disinfecting the supplied raw water, concentrate and / or permeate. Therefore, in a further embodiment of the invention, an additional disinfection by means of ultrasound is provided, wherein this can take place within the filter housing or outside of the filter housing in a separate from the filter housing disinfection reactor.
  • This disinfection has the advantage, for example, compared to UV irradiation, that turbidity increase (NTU value) of the liquid to be filtered deactivation of microorganisms, bacteria, parasites and viruses by the ultrasonic irradiation continues to take place.
  • NTU value turbidity increase
  • the resulting cavities (bubbles) in the liquid mainly contain liquid or water vapor.
  • Such cavities fall when they absorb no more energy, under the influence of external pressure together (so-called bubble implosion), with temperatures of 2,000 - 20,000 ° C and pressure peaks of several 1,000 bar in the immediate implosion arise, thereby creating a microbiological effect on the Cell membrane is brought about, which leads to the breaking of the cell walls and thus a destruction of the microorganism.
  • the method according to the invention is also provided, inter alia, as a pre-purification in desalination plants (so-called RO plants), this microbiological deactivation effect produced largely prevents the formation of a constantly growing gel-like biofilm layer on the membrane top. surface of RO systems or other downstream cleaning systems, in particular in ultra-nano- or hyperfiltration. This, in turn, extends the use of the filter membranes in terms of hydraulic throughput, and significantly reduces the need for chemical cleaning as well as the increase in transmembrane pressure.
  • the filtration process according to the invention is operated here as a medium-pressure filtration with a maximum pressure of 6 bar.
  • an advantage of the present embodiment of the invention is that disinfection of the permeate and concentrate (retentate) due to the microbiological effect described above is achieved by the combined use of suitable ultrasound irradiation with medium pressure filtration.
  • the prerequisite for this combination of filtration and disinfection effect is a substantial solid particle-free liquid, which is achieved with this method and the device according to the invention in a preferably single-stage ultrasound-assisted system.
  • the ultrasonic power input can be regulated.
  • the entry of the ultrasonic waves can be adapted to the liquid to be filtered, in particular to the nature and properties of the solid fraction contained therein.
  • the sound flow [m 3 / s], the sound intensity [W / cm 2 ], the acoustic characteristic impedance (Z F ; [N * S / m 3 ]) and the energy density [W / 1] can be controlled during filtration.
  • the regulation of the sound duration [s] or the periodic entry of the ultrasonic waves during filtration and / or the filter cleaning is adjustable.
  • TMP trans-membrane pressure difference of the filter elements
  • P permeate
  • P permeate
  • LMH the trans-membrane pressure difference of the filter elements
  • P permeate
  • the definition of the filter area with regard to the hydraulic capacity is given by LMH specification [l / (m 2 * h)].
  • the permeability to be achieved is calculated as [l / (m 2 * h * bar)], which in practice (in the case of raw water filtration) depends on the pore size of the filter element. elements and the blocking potential of the liquid to be filtered as well as the selected operating point.
  • the reduction of blockages of the filter and the concomitant reduction of the filter performance can be further supported by the fact that according to a further aspect of the inventive method, the supply of the liquid to be cleaned to the at least one filter element via a cyclone flow.
  • the cyclone flow artificially generated during pressure filtration by pumping means and / or flow means, with their controlled centrifugal forces within the filter housing, also reduces the deposition of particles on the filter surface.
  • the raw water within the filter housing is particularly preferably hydraulically circulated through the circulation loop.
  • This hydraulic circulation additionally reduces the blocking potential of the filter surface.
  • a further blocking reduction takes place in a further embodiment of the invention by the additional introduction of gas, in particular air, into the filter housing for the formation of nanobubbles.
  • gas in particular air
  • These nanobubbles also have a cleaning effect with respect to the at least one filter element, because they promote the formation of oscillating cavitation bubble fields ("soft cavitation") when using ultrasound, and thereby an additional filter cleaning takes place on the filter element.
  • the filtration process according to the invention can be operated continuously, semicontinuously or discontinuously, wherein preferably the filtration and optionally subsequent cleaning cycles are carried out fully automatically.
  • the above-described object is further characterized by a device for the filtration of liquids with a solids fraction, in particular raw water, process water, salt water and waste water from industry and / or communities, with a filter housing in which at least one filter element is arranged.
  • at least one pressure generating device eg gradient line, pumping device
  • the filter housing has at least one outlet for the permeate and concentrate, wherein at least one ultrasonic transducer or provided within the filter housing.
  • At least one Device for determining the liquid level in the filter housing preferably a level sensor for and / or at least one device for monitoring and transmitting the operating pressure to at least one control unit, preferably a pressure transmitter are provided.
  • This device is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above.
  • the filter housing is tube-like with a head part, a housing shell and a bottom part formed, wherein the filter housing has a round, elliptical, square, rectangular or polygonal cross section.
  • the at least one ultrasonic transducer is arranged on the outside and / or the inside of the filter housing, preferably on the housing jacket.
  • the filter housing particularly preferably the housing shell is used as vibration transmitter for the ultrasonic transducer, so that the sound waves propagate through the liquid to be purified and / or through the permeate and achieve a targeted full cleaning of the filter element by transient cavitation and optionally a disinfection of liquids and / or or cause solids.
  • the at least one ultrasonic transducer is arranged in a submersible body, which can be arranged within the filter housing.
  • the immersion body acts as an ultrasonic generator, which is immersed in the liquid to be cleaned within the filter housing.
  • the at least one ultrasonic transducer and / or the immersion body is pivotally and / or rotatably arranged in or on the filter housing.
  • the at least one filter element within the filter housing is pivotally and / or rotatably arranged.
  • the at least one filter element is tube-like.
  • This filter element can in this case be used in two operating modes, either IN / OUT, wherein the liquid to be cleaned is introduced into the interior of the tubular filter element under pressure, and the permeate exits on the outside of the filter element, or from OUT / IN, in which the Filtration direction from the outside into the interior of the filter element takes place.
  • a combination filter is used, wherein the first flowed-filter element is at least one coarse filter and the second filter element is at least one fine filter.
  • the combination filter can also consist of more than two filter elements (eg coarse, medium and fine filters). These two filter elements are in this case arranged in the device according to the invention within the filter housing and can be operated both in the OUT / IN or IN / OUT mode.
  • first filter element and the second filter element are tubular and preferably substantially coaxial with each other, wherein the respective cross section of the two filter elements is round, elliptical, square, rectangular or polygonal.
  • At least one, preferably two or more disk-like filter elements are provided, which are arranged in planes normal to the longitudinal axis within the filter housing.
  • the at least one disk-like filter element can be round, elliptical, square, rectangular or polygonal.
  • the at least one filter element is a textile filter, a plastic filter, a powder-sintered metal filter or a metal mesh filter or combinations thereof.
  • the device has an inlet for the liquid to be cleaned, wherein the at least one inlet is arranged in the head part of the filter housing, and the at least one outlet for the permeate is arranged in the bottom part of the filter housing within the at least one tubular filter element.
  • This arrangement is used in OUT / IN filtration.
  • at least one further outlet for the concentrate (drainage) is additionally provided in the bottom part of the filter housing.
  • the at least one outlet for the permeate discharges into a collecting basin in the area of the bottom part of the filter housing, wherein the collecting basin has an outlet for the permeate.
  • at least one further sequence for the concentrated retentate is provided.
  • at least one flow device it is particularly preferable for at least one flow device to be arranged inside the filter housing.
  • the flow device is a distributor with preferably adjustable guide vanes.
  • the at least the flow device may be a circulation pump.
  • At least one radially and / or diagonally and / or parallel to at least one wall portion of the housing shell arranged separating element is provided which divides the interior of the filter housing into at least two sections, each section at least one filter element and preferably in each case an inlet or a drain is assigned. Each section thus forms a filtration unit, which is preferably operated independently of the adjacent sections.
  • the invention also relates to a filter element for the purification of contaminated liquids, in particular raw, service, process and seawater, and wastewater consisting of a first filter unit having a first filter characteristic and at least a second filter unit having a second filter characteristic, wherein preferably the first and the at least one second filter unit are tube-like, and are arranged coaxially with each other.
  • These filter units can in this case be spaced apart from one another or arranged in surface contact with one another.
  • the inventive method and the associated apparatus have proved to be particularly suitable for use for the purification of raw water and for (pre) cleaning of seawater in desalination plants and process, service and wastewater.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a second embodiment of
  • FIG. 3a and Fig. 3b shows a third embodiment of the invention along the longitudinal axis and in cross section;
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a first filtration system with the device according to the invention from FIG. 2;
  • Fig. 5 is a schematic representation of a second filtration system according to the invention.
  • Fig. 6 is a schematic sectional view of the pre-filter stage along the
  • FIG. 7 Fig. 7 and a sectional view of the pre-filter stage of FIG. 5 along the
  • the device 100 is shown with a tubular filter housing 110, which has a circular cross-section in the present embodiment.
  • a likewise tubular filter element 120 is arranged coaxially.
  • a plurality of ultrasonic transducers 130 is arranged, which set the filter housing 110 in vibration.
  • the liquid to be purified is introduced via an inlet 111 into the interior of the filter housing 110 under pressure, wherein in the present case, an out / in filtration is performed.
  • the liquid to be cleaned in this case flows around the tubular filter element 120, while the permeate flows in the interior of the filter element 120 due to gravity transversely to the inflow along the longitudinal axis A to the bottom of the filter housing 110 and can be withdrawn via a drain 112 continuously or discontinuously.
  • venting devices 113 are provided which allow the escape of gases or air during filtration or cleaning out of the filter housing 110.
  • a withdrawal 114 is additionally provided for the retentate.
  • an additional pumping device 140 which functions as a wastewater / raw water recirculation means, which may also be optionally equipped with ultrasonic transducers for disinfecting the liquid.
  • This additional pumping device 140 allows the generating a hydraulic circulation of the liquid contained in the filter housing 110, whereby a blocking of the surface of the filter 120 is further reduced.
  • a further embodiment of the device 100 according to the invention is shown, wherein the filter element 120 has three filter units 120a, 120b, 120c, which in turn are tubular, and whose longitudinal axes are arranged coaxially to the longitudinal axis A of the filter housing 110.
  • the first filter unit 120a the so-called prefilter, is a coarse filter with which the largest particles of the solids fraction are removed from the raw water.
  • This pre-filter 120a is in this case arranged adjacent to the filter housing 110, whose outer side, namely the housing jacket 110a, is again provided with ultrasound transducer 130.
  • the pre-filter 120a is exposed to the strongest cavitation effects, and its cleaning intensity is thus significantly increased.
  • the second filter unit 120b is also a pre-filter, but has a smaller mean pore size with regard to the first filter unit 120a.
  • the third filter unit 120c is a tubular fine filter (final filter), from the interior of which the permeate is drawn off via the outlet 112.
  • the at least one tubular filter element 120 is always aligned coaxially with the longitudinal axis A of the filter housing 110.
  • a multiplicity of tubular filter elements 120 are provided whose longitudinal axes are arranged parallel, but not coaxial to the longitudinal axis A of the filter housing 110.
  • ultrasonic transducer 130 On the outside of the filter housing 110 in turn ultrasonic transducer 130 are arranged.
  • a likewise tubular immersion body 150 is provided, on the inside of which further ultrasonic transducers 130 are fastened, and which is arranged in the region of the longitudinal axis A of the filter housing 110.
  • This immersion body 150 can optionally be configured rotatable and / or pivotable.
  • a plurality of tubular filter elements 120 are arranged; these can be designed either as a final filter or as a combined filter with its own prefiltration (FIG. 3b).
  • the filter elements 120 have a substantially circular cross section and, depending on their field of use, consist of a coarse, medium or fine Filter unit and a final filter unit, which are coaxial with each other and have a surface contact with each other.
  • the fine filter forms a first tube which is completely surrounded by the tubular coarse filter.
  • These filter elements 120 are typically routed in OUT / IN mode of operation.
  • the pre-filter and the final filter are designed separately, but here is the suitable operating mode IN / OUT for the pre-filter (s) and OUT / IN for the fine filter or filters (final filter).
  • These filter elements 120 are cyclically flowed around by the liquid to be cleaned, which is introduced via a head part 110 b with an inlet 111 into the interior of the filter housing 110.
  • the permeate flows into a reservoir 110c in the bottom region of the filter housing 110 and can be withdrawn via the drain 112.
  • the retentate is in turn removed via the removal 114 from the filter housing 110.
  • a filtration system 200 with the device 100 according to the invention is shown.
  • the liquid to be cleaned of the device 100 is supplied under pressure.
  • the concentration of solids is determined in a turbidity measuring point 210.
  • a pre-disinfection by means of ultrasound is provided in a first disinfection device 220.
  • a level probe 230 continuously monitors the level of liquid in the filter housing 110.
  • a pressure transmitter 250 for monitoring and communicating the operating pressure to a control unit (not shown) in the filter housing 110 is provided.
  • a control unit (not shown) in the filter housing 110
  • supply lines 260, 270 are provided for rinse water and compressed air for filter cleaning.
  • the pressure in the interior of the filter element 120 is monitored by means of a second pressure transmitter 250a.
  • a blowing device 280 is provided for forming nano-bubbles.
  • the ultrasound transducers 130 are controlled via an ultrasound generator 290, which in turn is connected to the control device and is controlled by the latter.
  • the permeate is disinfected in this embodiment of the invention via a further optional external disinfection device 220a, after it has passed through a measuring point 251 for determining the amount of permeate and thus for determining the throughput of the plant 200.
  • a simultaneous disinfection of the liquid during the filtering operation by ultrasound irradiation can also take place and / or additionally a separate upstream and / or downstream disinfection device can be provided.
  • a collector 300 for the retentate and the drainage, which is obtained during the cleaning of the filter elements 120, 120a, 120b, is provided, wherein a vacuum pump 310 supports the removal of these fractions.
  • FIGS. 5 to FIG. 7 A further variant of the invention can FIGS. 5 to FIG. 7 are taken.
  • This is a two-stage filtration system 200a consisting of a first stage 201a, which performs a pre-filtration of the inlet 111, and a second stage 202a, in which permeate is finally purified from the first stage 201a with ultrasound assistance.
  • the first stage 201a in turn consists of a filter housing 110, in which a nozzle 300 is arranged, which has a guide tube 310 with tangential hole channels and continuously variable guide vanes 320.
  • This nozzle 300 causes when supplying the waste water to be cleaned to the surface of the filter element 120, a high hydraulic turbulence, which in addition to the generated tangential surface flow largely prevents a solid deposit on the filter surface.
  • the final purification of the permeate takes place from the first stage 201a, in which case particles with an average diameter of less than 10 ⁇ m are filtered out.
  • the filter element 120 used in this case is a very fine filter whose blocking is prevented by means of ultrasound-assisted backwashing.
  • an intermediate container 400 for the permeate from the first stage 201a is provided as a buffer means.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtration von Flüssigkeiten, insbesondere Roh-, Brauch-, Prozess- und Meerwasser sowie Abwasser aus Industrie und/oder Kommunen, wobei die zu reinigende Flüssigkeit über zumindest einen Zulauf (111) unter Druck in ein Filtergehäuse (110) eingeleitet wird und zumindest eine in der Flüssigkeit enthaltene Feststofffraktion über zumindest ein in dem Filtergehäuse (110) angeordnetes Filterelement (120, 120a, 120b) unter Druck abfiltriert wird, wobei die Druckfiltration und gegebenenfalls die Filterreinigung mit fallweiser, periodischer oder permanenter Ultraschallunterstützung und gegebenenfalls eine Desinfektion der Flüssigkeit/Permeat und/oder Konzentrat erfolgt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Filtration von Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtration von Flüssigkeiten, insbesondere Trink-, Brauch-, Prozess- und Salzwasser sowie Abwasser aus Industrie und/oder Kommunen, wobei die zu reinigende Flüssigkeit über zumindest einen Zulauf unter Druck in ein Filtergehäuse eingeleitet wird, zumindest eine in der Flüssigkeit enthaltene Feststofffraktion über zumindest ein in dem Filtergehäuse angeordnetes Filterelement unter Druck abfiltriert wird, wobei die Druckfiltration mit Ultraschallunterstützung erfolgt, sowie eine Vorrichtung zur Filtration von Flüssigkeiten mit einer Feststofffraktion und ein Filterelement hierzu.
Die derzeit am Markt verfügbaren Schwerkraft- und Druckfiltrationen sind vorwiegend für die Feststofftrennung aus Flüssigkeit konstruiert und sind beispielsweise als Trommel-, Disk-, Bandfilter und/oder als Filterkerzen ausgeführt, wobei diese in verschiedenen Konstruktionen als getauchte und frei stehende Modelle eingesetzt werden. Die Filterreinigung erfolgt hierbei zumeist über Rückspülung mittels Luft und/oder Wasserbeaufschlagung . Die derzeit bekannten Anlagen verfügen üblicherweise über einen mehrstufigen Aufbau, um gewünschte mikrobiologische Effekte bei Trennschärfen von beispielsweise 20,0 pm bis 0,1 pm zu erzielen. Dadurch sind die Kosten für die Anschaffung und den Betrieb dieser mehrstufigen Anlagen besonders hoch.
Die Feststoffabscheidung von Feinstpartikeln, sogenannten Schwebstoffen in einer Konzentration von weniger als 0,001 mg/L, stellt hier eine besondere Herausforderung dar, um Filtertrennschärfen von 0,1 pm bis 60 pm bei derartigen kolloidalen Verhältnissen zu erzielen, während ein kontinuierlicher Filterbetrieb mit gleichbleibender hydraulischer Durchsatzleistung aufrechterhalten bleiben soll.
Die WO 2012/104493 AI beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art, wobei Untersuchungen des Anmelders gezeigt haben, dass trotz der tangentialen Zufuhr der zu reinigenden Flüssigkeit eine rasche Verblockung des Filterelementes erfolgt. Des Weiteren handelt es sich um ein statisches System, das nicht auf geänderte Zulaufbedingungen, d.h. Änderungen an der Menge an zugeführtem Abwasser, flexibel reagieren kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die oben angeführten Nachteile des Stands der Technik beseitigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass während der Filtration eine Überwachung des Anstiegs des Betriebsdruckes und/oder der hydraulischen Durchsatzleistung erfolgt. Somit wird die Filtration von Flüssigkeiten durch das Einleiten von Ultraschallwellen unterstützt, während gleichzeitig während der Filtration eine Überwachung des Anstiegs des Betriebsdruckes und/oder der hydraulischen Durchsatzleistung stattfindet. Ein Anstieg des Betriebsdruckes bzw. eine Verringerung der hydraulischen Durchsatzleistung ist ein Hinweis auf eine zunehmende Ver- blockung des zumindest einen Filterelementes. Der Ultraschalleintrag während der Filtration kann hierbei fallweise, periodisch oder permanent erfolgen. Insbesondere wird die Dauer und/oder die Intensität des Ultraschalleintrags in Abhängigkeit von den Zulaufbedingungen, insbesondere der Zulaufrate und des Feststoffgehalts sowie der Partikelgröße in der zureinigenden Flüssigkeit, gewählt.
Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit, eine Aufkonzentrierung der Partikel in der Drainagen-Flüssigkeit im Retentat zu erhalten, ohne dass sich ein zu stabiler und starker Filterkuchen an dem Filterelement bildet, was einen aufwändigen Reinigungsschritt erfordern würde. Bei Erzielen eines vorgebbaren Wertes für die Konzentration der Feststofffraktion, der beispielsweise mittels in- situ Trübemessung oder Überwachung des Transmembrandrucks, und/oder der hydraulische Durchsatzleistung überwacht wird, erfolgt der Start eines automatischen Reinigungszyklus.
Daher ist in einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass bei Überschreitung eines vorgebbaren Schwellwertes für den Anstieg des Betriebsdruckes und/oder der hydraulischen Durchsatzleistung zumindest ein Reinigungsschritt die Filtration unterbricht, wobei als Reinigungsmittel Wasser, Luft und/oder Ultraschall zur Reinigung des zumindest einen Filterelementes eingesetzt wird . Besonders bevorzugt ist hierbei, dass die Reinigung des Filterelementes innerhalb des Filtergehäuses erfolgt, sodass das Filterelement nicht herausgenommen werden muss. Der Reinigungsschritt kann hierbei - gegebenenfalls mit Unterdruck oder Überdruck - sowohl im Forward-Flush-Modus als auch im Back-Wash-Flush-Modus betrieben werden.
Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass bei Flüssigkeiten, die eine mikrobielle Belastung aufweisen, wie beispielsweise Meerwasser, ein Verblocken und/oder Fouling der Filterelemente oder Membranen reduziert bzw. zur Gänze verhindert werden kann.
Grundsätzlich wird zwischen reversiblem und irreversiblem Blocking/Fouling unterschieden. Bei reversiblen Filterporen-Blockaden handelt es sich um eine sterische Porenverblockung, wobei die Partikelgröße größer als der Durchmesser der Porenkanäle ist. Bei den irreversiblen Vorgängen kommt es zu einer inneren Adsorption, wobei sich filtergängiges Material in den Porengängen absetzt, sodass es zu Verengungen und schließlich zur totalen Porenverlegung kommen kann. Diese Teilchen sind zumeist kleiner, oder aber größere Partikel werden unter Druck so verformt, dass sie zwar in die Porenöffnungen passen, aber sich dann in den Porengängen verkeilen und festsetzen (Affinitätseffekt). Diese Substanzen können aus anorganischen (mineralischen) und organischen Stoffen bestehen, die Scaling- und Partikelfouling an der Filteroberfläche verursachen.
Zudem gibt es biofilmbildende Substanzen, die durch stetiges Antransportieren von Nährstoffen aus dem Rohwasser zum Wachstum von Mikroorganismen an der Filteroberfläche beitragen - sogenanntes Biofouling. Dies führt zur Bildung einer gelartigen Biofilmschicht, die wiederum den Wasserzufluss an die aktive Filterfläche beeinträchtigt. Das Problem des Biofouling an Filteroberflächen ist beispielsweise in "Flemming, H.C; Biofouling bei Membranprozessen, Springer Verlag, Berlin 1995" erläutert.
Je nach Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher ein mikrobiologischer Effekt durch Deaktivieren der Mikroorganismen und/oder eine Desinfektion des zugeführten Rohwassers, Konzentrates und/oder des Permeats gewünscht sein. Daher ist in einer weiteren Ausführung der Erfindung eine zusätzliche Desinfektion mittels Ultraschall vorgesehen, wobei diese innerhalb des Filtergehäuses oder außerhalb des Filtergehäuses in einem vom Filtergehäuse getrennten Desinfektionsreaktor erfolgen kann.
Diese Desinfektion hat den Vorteil, zum Beispiel gegenüber einer UV-Bestrahlung, dass bei Trübungszunahme (NTU-Wert) der zu filtrierenden Flüssigkeit eine Deaktivierung von Mikroorganismen, Bakterien, Parasiten und Viren durch die Ultraschall-Beschallung auch weiterhin erfolgt. Dies begründet sich auf den positiven Effekt, dass durch das gesteuerte Einbringen von Ultraschallwellen im Rohwasser ein Kavitationseffekt entsteht. Hierbei enthalten die entstehenden Hohlräume (Blasen) in der Flüssigkeit hauptsächlich Flüssigkeits- bzw. Wasserdampf. Solche Hohlräume fallen, wenn sie keine Energie mehr aufnehmen, unter Einwirkung des äußeren Druckes in sich zusammen (sogenannte Blasenimplosion), wobei Temperaturen von 2.000 - 20.000°C sowie Druckspitzen von mehreren 1.000 bar im unmittelbaren Implosionsbereich entstehen, wodurch dadurch ein mikrobiologischer Effekt an der Zellenmembran herbeigeführt wird, der zum Aufbrechen der Zellwände und damit einer Zerstörung des Mikroorganismus führt. Da das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem auch als Vorreinigung in Meerwasserentsalzungsanlagen (sogenannten RO-Plants) vorgesehen ist, unterbindet dieser erzeugte mikrobiologische Deaktivierungs-Effekt weitgehend die Bildung einer stetig wachsenden gelartigen Biofilmschicht auf der Membranober- fläche von RO-Anlagen oder anderen nachgeschalteten Reinigungssystemen, insbesondere in der Ultra-Nano- oder Hyper-Filtration. Das wiederum verlängert den Einsatz der Filtermembranen in Hinblick auf die hydraulischen Durchsatzleistungen und reduziert den chemischen Reinigungsaufwand sowie den Anstieg des Transmembrandruckes beträchtlich.
Es wird daraufhin gewiesen, dass im Rahmen dieser Offenbarung die Begriffe "zu reinigende Flüssigkeit" und "Rohwasser" synonym gebraucht werden.
Durch die Einbringung von Ultraschall in die zu reinigende Flüssigkeit wird diese bzw. die abzufiltrierende Feststofffraktion einer gezielten Kavitation ausgesetzt, sodass ein Absetzen insbesondere von Partikeln mit Verblockungspotential auf der aktiven Filterfläche signifikant reduziert wird oder aber bereits vorhandene Ablagerungen gelöst werden. Das erfindungsgemäße Filtrierverfahren wird hierbei als Mitteldruckfiltration mit einem maximalen Druck von 6 bar betrieben.
Ein Vorteil der vorliegenden Ausführung der Erfindung liegt somit darin, dass durch die kombinierte Anwendung von geeigneter Ultraschall-Beschallung mit einer Mitteldruckfiltration eine Desinfektion des Permeats und des Konzentrats (Retentats) aufgrund des oben beschriebenen mikrobiologischen Effekts erzielt wird . Die Voraussetzung für diese Kombination von Filtrations- und Desinfektionseffekt ist eine weitgehende feststoffpartikelfreie Flüssigkeit, die mit diesem Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vorzugsweise einstufigen ultraschallunterstütztem System erreicht wird.
Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Ultraschallleistungseintrag regelbar ist. Damit kann der Eintrag der Ultraschallwellen an die zu filtrierende Flüssigkeit, insbesondere an die Art und die Eigenschaften der darin enthaltenen Feststofffraktion angepasst werden. So können während der Filtration insbesondere der Schallfluss [m3/s], die Schallintensität [W/cm2], die Schallkennimpedanz (ZF; [N*S/m3]) sowie die Energiedichte [W/1] geregelt werden. Ebenso ist die Regelung der Schalldauer [s] bzw. der periodische Eintrag der Ultraschallwellen während der Filtration und/oder der Filterreinigung einstellbar.
Als Maß für die Regelung des Ultraschalleintrags können insbesondere die trans- membrane Druckdifferenz der Filterelemente (TMP; [mbar]) und oder die hydraulische Durchflussmengenmessung des Permeats (P; [l/s]) herangezogen werden, die bevorzugterweise kontinuierlich oder diskontinuierlich und besonders bevorzugt automatisiert überwacht werden. Die Definierung der Filterfläche hinsichtlich der hydraulischen Kapazität erfolgt über LMH-Angabe [l/(m2*h)] . Die zu erzielende Permeabilität errechnet sich nach [l/(m2*h*bar)], die sich in der Praxis (bei der Rohwasser-Filtrierung) in Abhängigkeit der Porengröße der Filterele- mente und des Verblockungspotenzials der zu filtrierenden Flüssigkeit sowie des gewählten Betriebspunktes einstellt.
Die Verringerung von Verblockungen des Filters und der damit einhergehenden Reduktion der Filterleistung kann weiter dadurch unterstützt werden, dass gemäß einem weiteren Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Zuleitung der zu reinigenden Flüssigkeit zu dem zumindest einen Filterelement über eine Zyklonströmung erfolgt. Durch die während der Druckfiltration durch Pumpeinrichtungen und/oder Strömungseinrichtungen künstlich erzeugte Zyklonströmung mit ihren gesteuerten Zentrifugalkräften innerhalb des Filtergehäuses reduziert ebenfalls die Ablagerung von Partikeln auf der Filteroberfläche.
Alternativ oder additiv hierzu ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass über zumindest eine weitere Druckerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Umwälzpumpe, das Rohwasser innerhalb des Filtergehäuses besonders bevorzugt durch Kreisführung hydraulisch umgewälzt wird . Diese hydraulische Umwälzung verringert zusätzlich das Verblockungspotential der Filteroberfläche.
Eine weitere Verblockungsverringerung erfolgt in einer weiteren Ausführung der Erfindung durch die zusätzliche Einbringung von Gas, insbesondere Luft, in das Filtergehäuse zur Bildung von Nanoblasen. Diese Nanoblasen haben ebenfalls einen Reinigungseffekt in Hinblick auf das zumindest eine Filterelement, weil sie die Entstehung von oszillierenden Kavitations-Blasenfeldern ("weiche Kavitation") bei Anwendung von Ultraschall unterstützen, und dadurch eine zusätzliche Filterreinigung an dem Filterelement stattfindet.
Das erfindungsgemäße Filtrationsverfahren kann kontinuierlich, semikontinuierlich oder diskontinuierlich betrieben werden, wobei bevorzugterweise die Filtration sowie gegebenenfalls anschließende Reinigungszyklen vollautomatisch erfolgen.
Die oben bezeichnete Aufgabe wird des Weiteren durch eine Vorrichtung zur Filtration von Flüssigkeiten mit einer Feststofffraktion, insbesondere Roh-, Brauch-, Prozess- und Salzwasser sowie Abwasser aus Industrie und/oder Kommunen, mit einem Filtergehäuse, in dem zumindest ein Filterelement angeordnet ist, wobei zumindest eine Druckerzeugungseinrichtung (z. B. Gefälleleitung, Pumpeinrichtung) vorgesehen ist, die die Flüssigkeit unter Druck über zumindest einen Zulauf dem zumindest einen Filterelement zuführt, und das Filtergehäuse über zumindest einen Ablauf für das Permeat und Konzentrat verfügt, wobei zumindest ein Ultraschallwandler an oder innerhalb des Filtergehäuses vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass zusätzlich zumindest eine Einrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeitsstand im Filtergehäuse, vorzugsweise eine Füllstandsonde für den und/oder zumindest eine Einrichtung zur Überwachung und Übermittlung des Betriebsdrucks an zumindest eine Steuereinheit, vorzugsweise ein Drucktransmitter vorgesehen sind.
Diese Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Filtergehäuse rohrartig mit einem Kopfteil, einem Gehäusemantel und einem Bodenteil ausgebildet, wobei das Filtergehäuse einen runden, elliptischen, quadratischen, rechteckigen oder vieleckigen Querschnitt aufweist.
Es ist hierbei vorgesehen, dass der zumindest eine Ultraschallwandler an der Außenseite und/oder der Innenseite des Filtergehäuses, vorzugsweise an dem Gehäusemantel angeordnet ist. Hierbei wird das Filtergehäuse, besonders bevorzugt der Gehäusemantel als Schwingungstransmitter für die Ultraschallwandler genutzt, sodass sich die Schallwellen durch die zu reinigende Flüssigkeit und/ oder durch das Permeat ausbreiten und durch transiente Kavitation eine gezielte Vollreinigung des Filterelementes erreichen und gegebenenfalls eine Desinfektion der Flüssigkeiten und/oder Feststoffe verursachen.
In einer alternativen Ausführung der Erfindung ist der zumindest eine Ultraschallwandler in einem Tauchkörper angeordnet, der innerhalb des Filtergehäuses anordenbar ist. Hier fungiert der Tauchkörper als Ultraschallgeber, der in die zu reinigende Flüssigkeit innerhalb des Filtergehäuses eingetaucht wird.
Um Beschallungsschatten zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung der zumindest eine Ultraschallwandler und/oder der Tauchkörper schwenkbar und/oder drehbar in oder an dem Filtergehäuse angeordnet.
Zusätzlich oder alternativ hierzu ist in einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung das zumindest eine Filterelement innerhalb des Filtergehäuses schwenkbar und/oder drehbar angeordnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das zumindest eine Filterelement rohrartig ausgebildet. Dieses Filterelement kann hierbei in zwei Betriebsmodi eingesetzt werden, entweder IN/OUT, wobei die zu reinigende Flüssigkeit in denn Innenraum des rohrförmigen Filterelements unter Druck eingebracht wird, und das Permeat an der Außenseite des Filterelementes austritt, oder ab OUT/IN, bei der die Filtrationsrichtung von außen in den Innenraum des Filterelementes erfolgt. Um besonders gute Trennschärfen von 20,0 μηι bis 0,1 μηι zu erzielen, wird erfindungsgemäß ein Kombinationsfilter eingesetzt, wobei das erste angeströmte Filterelement zumindest ein Grobfilter und das zweite Filterelement zumindest ein Feinfilter ist. Der Kombinationsfilter kann jedoch auch aus mehr als zwei Filterelementen bestehen (z.B. aus Grob-, Mittel- und Feinfiltern). Diese beiden Filterelemente sind hierbei in der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb des Filtergehäuses angeordnet und können sowohl im OUT/IN- oder IN/OUT-Modus betrieben werden.
Besonders bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass das erste Filterelement und das zweite Filterelement rohrförmig ausgebildet und vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei der jeweilige Querschnitt der beiden Filterelemente rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder vieleckig ist.
Ist die Reinigung von großen Mengen an Abwasser und sind damit höhere Durchsätze gefordert, hat sich der Einsatz von Scheibenfiltern bewährt. Hierzu ist in einer weiteren Variante der Erfindung zumindest ein, vorzugsweise zwei oder mehr scheibenartige Filterelemente vorgesehen, die in Ebenen normal zur Längsachse innerhalb des Filtergehäuses angeordnet sind. Das zumindest eine scheibenartige Filterelement kann hierbei rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder vieleckig ausgebildet sein.
Um die gewünschte Vollreinigung mit der geforderten Trennschärfe zu erzielen, ist das zumindest eine Filterelement ein Textilfilter, ein Kunststofffilter, ein pulvergesinterter Metallfilter oder ein Metallgewebefilter oder Kombinationen hiervon.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Vorrichtung einen Zulauf für die zu reinigende Flüssigkeit auf, wobei der zumindest eine Zulauf im Kopfteil des Filtergehäuses angeordnet ist, und der zumindest eine Ablauf für das Permeat im Bodenteil des Filtergehäuses innerhalb des zumindest einen rohrartigen Filterelementes angeordnet ist. Diese Anordnung kommt bei der OUT/IN-Filtration zum Einsatz. Vorzugsweise ist im Bodenteil des Filtergehäuses zusätzlich zumindest ein weiterer Ablauf für das Konzentrat (Drainage) vorgesehen.
Besonders bevorzugt mündet der zumindest eine Ablauf für das Permeat in ein Sammelbecken im Bereich des Bodenteils des Filtergehäuses, wobei das Sammelbecken einen Auslass für das Permeat aufweist. Zusätzlich ist gegebenenfalls zumindest ein weiterer Ablauf für das aufkonzentrierte Retentat vorgesehen. Um eine Verblockung des zumindest einen Filterelementes und damit eine Reduktion des hydraulischen Durchsatzes weiter zu reduzieren, ist besonders bevorzugt zumindest eine Strömungseinrichtung innerhalb des Filtergehäuses angeordnet.
Hierbei ist in einer ersten Ausführung der Erfindung die Strömungseinrichtung ein Leitapparat mit bevorzugterweise verstellbaren Leitschaufeln ist. Ebenso kann die zumindest die Strömungseinrichtung eine Umwälzpumpe sein.
In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in dem Filtergehäuse zumindest ein radial und/oder diagonal und/oder parallel zu zumindest einem Wandabschnitt des Gehäusemantels angeordnetes Trennelement vorgesehen, das den Innenraum des Filtergehäuses in zumindest zwei Sektionen unterteilt, wobei jeder Sektion zumindest ein Filterelement und bevorzugterweise jeweils ein Zulauf oder ein Ablauf zugeordnet ist. Jede Sektion bildet somit eine Filtrationseinheit, die bevorzugterweise unabhängig von den benachbarten Sektionen betrieben wird .
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Filterelement zur Reinigung von verunreinigten Flüssigkeiten, insbesondere von Roh-, Brauch-, Prozess- und Meerwasser, sowie Abwasser bestehend aus einer ersten Filtereinheit mit einer ersten Filtercharakteristik sowie zumindest einer zweiten Filtereinheit mit einer zweiten Filtercharakteristik, wobei bevorzugterweise die erste und die zumindest eine zweite Filtereinheit rohrartig ausgebildet sind, und koaxial zueinander angeordnet sind .
Diese Filtereinheiten können hierbei beabstandet voneinander oder aber in flächigem Kontakt zueinander angeordnet sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die zugehörige Vorrichtung haben sich als besonders geeignet für die Verwendung zur Reinigung von Rohwasser sowie zur (Vor)Reinigung von Meerwasser in Entsalzungsanlagen sowie Prozess-, Brauch- und Abwasser erwiesen.
Im Folgenden wird anhand von nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Figuren die Erfindung näher erläutert. Darin zeigen :
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführung der
Erfindung entlang der Längsachse;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführung der
Erfindung entlang der Längsachse; Fig. 3a und Fig . 3b eine dritte Ausführung der Erfindung entlang der Längsachse und im Querschnitt;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer ersten Filtrationsanlage mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Fig. 2;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Filtrationsanlage gemäß der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung der Vorfilterstufe entlang der
Längsachse der Anlage aus Fig . 5;
Fig. 7 sowie eine Schnittansicht der Vorfilterstufe aus Fig . 5 entlang der
Querachse.
In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit einem rohrförmigen Filtergehäuse 110 dargestellt, das in der vorliegenden Ausführung einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Zu der Längsachse A ist ein ebenfalls rohrförmiges Filterelement 120 koaxial angeordnet. An der Außenseite des Filtergehäuses 110 ist eine Vielzahl von Ultraschallwandler 130 angeordnet, die das Filtergehäuse 110 in Schwingung versetzen.
Die zu reinigende Flüssigkeit wird über einen Zulauf 111 in den Innenraum des Filtergehäuses 110 unter Druck eingebracht, wobei im vorliegenden Fall eine Out/In-Filtration durchgeführt wird . Die zu reinigenden Flüssigkeit umströmt hierbei das rohrförmige Filterelement 120, während das Permeat im Inneren des Filterelementes 120 aufgrund der Schwerkraft quer zur Einströmrichtung entlang der Längsachse A auf den Boden des Filtergehäuses 110 fließt und über einen Ablauf 112 kontinuierlich oder diskontinuierlich abgezogen werden kann.
Des Weiteren sind Entlüftungseinrichtungen 113 vorgesehen, die ein Entweichen von Gasen bzw. Luft während der Filtration bzw. der Reinigung aus dem Filtergehäuse 110 erlauben. Am Boden ist zusätzlich eine Entnahme 114 für das Retentat vorgesehen.
Da das im Reinigungsschritt anfallende Reinigungswasser des Filterelementes 120 nicht in dem Filterelement 120 verbleiben kann, ist ein weiterer Abzug 115 zur Drainage vorgesehen.
Bei der vorliegenden Ausführung ist eine zusätzliche Pumpeinrichtung 140 gezeigt, die als Umwälzeinrichtung für das Abwasser/Rohwasser fungiert, die auch wahlweise mit Ultraschallwandlern zur Desinfektion der Flüssigkeit ausgestattet werden kann. Diese zusätzliche Pumpeneinrichtung 140 erlaubt die Er- zeugung einer hydraulischen Umwälzung der in dem Filtergehäuse 110 befindlichen Flüssigkeit, wodurch eine Verblockung der Oberfläche der Filters 120 weiter reduziert wird.
In Fig . 2 ist eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 gezeigt, wobei das Filterelement 120 über drei Filtereinheiten 120a, 120b, 120c verfügt, die wiederum rohrförmig ausgebildet sind, und deren Längsachsen koaxial zu der Längsachse A des Filtergehäuses 110 angeordnet sind . Die erste Filtereinheit 120a, der sogenannte Vorfilter, ist ein Grobfilter, mit dem die größten Partikel der Feststofffraktion aus dem Rohwasser entfernt werden. Dieser Vorfilter 120a ist hierbei benachbart zu dem Filtergehäuse 110 angeordnet, dessen Außenseite, nämlich dessen Gehäusemantel 110a, wiederum mit Ultraschallwandler 130 versehen ist. Damit ist auch der Vorfilter 120a den stärksten Kavitations-Effekten ausgesetzt, und seine Reinigungsintensität wird damit signifikant erhöht.
Auch die zweite Filtereinheit 120b ist ebenfalls ein Vorfilter, weist jedoch in Hinblick auf die erste Filtereinheit 120a eine geringere mittlere Porengröße auf.
Die dritte Filtereinheit 120c schließlich ist ein rohrförmiger Feinfilter (Finalfilter), aus dessen Innenraum das Permeat über den Ablauf 112 abgezogen wird.
In den beiden oberen Ausführungsvarianten ist das zumindest eine rohrförmige Filterelement 120 stets koaxial zu der Längsachse A des Filtergehäuses 110 ausgerichtet.
In der in der Fig. 3a und Fig. 3b im Längs- bzw. Horizontalschnitt dargestellten Vorrichtung 100 hingegen sind eine Vielzahl von rohrförmigen Filterelementen 120 vorgesehen, deren Längsachsen parallel, jedoch nicht koaxial zur Längsachse A des Filtergehäuses 110 angeordnet sind .
An der Außenseite des Filtergehäuses 110 sind wiederum Ultraschallwandler 130 angeordnet. Zusätzlich ist ein ebenfalls rohrförmiger Tauchkörper 150 vorgesehen, an dessen Innenseite weitere Ultraschallwandler 130 befestigt sind, und der im Bereich der Längsachse A des Filtergehäuses 110 angeordnet ist. Dieser Tauchkörper 150 kann optional dreh- und/oder schwenkbar ausgeführt sein.
Zwischen Tauchkörper 150 und Gehäusemantel 110a des Filtergehäuses 110, die beide einen polygonalen Querschnitt aufweisen, sind eine Vielzahl von rohrförmigen Filterelementen 120 angeordnet; diese können entweder als Finalfilter oder als Kombifilter mit eigener Vorfiltrierung ausgeführt sein (Fig . 3b). Hierbei weisen die Filterelemente 120 einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt aus und bestehen abhängig von ihrem Einsatzgebiet aus einer Grob-, Mittel- oder Fein- filtereinheit sowie einer Finalfiltereinheit, die koaxial zueinander orientiert sind und einen flächigen Kontakt zueinander aufweisen. Hierbei bildet der Feinfilter ein erstes Rohr, das vom rohrförmigen Grobfilter vollflächig umgeben ist. Diese Filterelemente 120 werden üblicherweise im OUT/IN-Betriebsmodus geführt. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass Vor- und Finalfilter getrennt ausgeführt sind, hier ist jedoch der geeignete Betriebsmodus IN/OUT für den oder die Vorfilter und OUT/IN für den oder die Feinfilter (Finalfilter).
Diese Filterelemente 120 werden von der zu reinigenden Flüssigkeit, die über einen Kopfteil 110b mit einem Zulauf 111 in das Innere des Filtergehäuses 110 eingebracht wird, zyklonartig umströmt. Das Permeat fließt in ein Sammelbecken 110c im Bodenbereich des Filtergehäuses 110 und kann über den Ablauf 112 abgezogen werden. Das Retentat wird hierbei wiederum über die Entnahme 114 aus dem Filtergehäuse 110 entfernt.
Wird die in der Fig . 3a dargestellte Vorrichtung 100 in der Betriebsweise IN/OUT gefahren, so erfolgt der Zulauf des zu reinigenden Rohwassers über den Zulauf l i la, während die Drainage-Flüssigkeit über den Ablauf 115a wieder abgezogen werden kann.
In der Fig . 4 ist eine Filtrationsanlage 200 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 dargestellt.
Über eine Pumpeinrichtung 240 wird die zu reinigende Flüssigkeit der Vorrichtung 100 unter Druck zugeführt. Vor Einleitung der Flüssigkeit wird in einer Trübemessstelle 210 die Konzentration an Feststoffen bestimmt. Des Weiteren ist bei dieser Ausführung der Erfindung eine Vordesinfektion mittels Ultraschall in einer ersten Desinfektionseinrichtung 220 vorgesehen.
Eine Füllstandsonde 230 überwacht kontinuierlich den Flüssigkeitsstand im Filtergehäuse 110. Des Weiteren ist ein Drucktransmitter 250 zur Überwachung und Übermittlung des Betriebsdrucks an eine Steuereinheit (nicht dargestellt) im Filtergehäuse 110 vorgesehen. Neben der Entlüftungseinrichtung 113 sind zudem Zuleitungen 260, 270 für Spülwasser und Druckluft zur Filterreinigung vorgesehen. Zudem wird der Druck im Innenraum des Filterelementes 120 mittels eines zweiten Drucktransmitters 250a überwacht. Schließlich ist noch eine Einblasvorrichtung 280 zur Bildung von Nanoblasen vorgesehen.
Die Ultraschallwandler 130 werden über einen Ultraschallgenerator 290 angesteuert, der wiederum mit der Steuereinrichtung in Verbindung steht und über diese angesteuert wird. Das Permeat wird bei dieser Ausführung der Erfindung über eine weitere optionale externe Desinfektionseinrichtung 220a desinfiziert, nachdem es durch eine Messstelle 251 zur Mengenbestimmung des Permeats und damit zur Bestimmung der Durchsatzleistung der Anlage 200 hindurchgeflossen ist.
Vorzugsweise kann auch eine simultane Desinfektion der Flüssigkeit während des Filtrierbetriebes durch Ultraschall-Beschallung erfolgen und/oder zusätzlich eine separate vor- und/oder nachgeschaltete Desinfektionseinrichtung vorgesehen sein.
Schließlich ist noch ein Kollektor 300 für das Retentat und die Drainage, die bei der Reinigung der Filterelemente 120, 120a, 120b anfällt, vorgesehen, wobei eine Vakuumpumpe 310 den Abtransport dieser Fraktionen unterstützt.
Eine weitere Variante der Erfindung kann den Fig . 5 bis Fig . 7 entnommen werden. Hierbei handelt es sich um eine zweistufige Filtrationsanlage 200a bestehend aus einer ersten Stufe 201a, die eine Vorfiltration des Zulaufs 111 vornimmt, sowie eine zweite Stufe 202a, bei der Permeat aus der ersten Stufe 201a mit Ultraschallunterstützung final gereinigt wird. Die erste Stufe 201a besteht wiederum aus einem Filtergehäuse 110, in dem ein Leitapparat 300 angeordnet ist, der ein Leitrohr 310 mit tangentialen Lochkanälen und stufenlos verstellbare Leitschaufeln 320 aufweist. Dieser Leitapparat 300 verursacht bei Zuführung des zu reinigenden Abwassers an die Oberfläche des Filterelements 120 eine hohe hydraulische Turbulenz, die zusätzlich zur erzeugten tangentialen Oberflächenströmung eine Feststoffablagerung an der Filteroberfläche weitgehend unterbindet. Zusätzlich können noch Rückstauscheiben zwischen Leitapparat 300 und Filterelement 120 zur Vermeidung von Kurzschlussströmungen vorgesehen sein (nicht dargestellt).
In der zweiten Stufe 202a der Filtrationsanlage 200a erfolgt die Endreinigung des Permeats aus der ersten Stufe 201a, wobei hier Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von unter 10 pm herausgefiltert werden. Das hierbei eingesetzte Filterelement 120 ist hierbei ein Feinstfilter, dessen Verblockung mittels ultraschallunterstützter Rückspülung verhindert wird.
Zwischen der Vorreinigung in der erster Stufe 201a und der Endreinigung in der zweiten Stufe 202a ist bei dieser Ausführung der Erfindung ein Zwischenbehälter 400 für das Permeats aus der ersten Stufe 201a als Puffereinrichtung vorgesehen.
Es versteht sich, dass diese Ausführungsbeispiele in nicht einschränkender Weise zu betrachten sind . Insbesondere kann die Anzahl der Filterelemente, deren Form und Anordnung variieren. Auch ist die Anordnung und Ausrichtung des Filtergehäuses sowie des darin befindlichen Filterelementes nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere kann die Einbaulage des Filtergehäuses auch horizontal ausgerichtet sein. Des Weiteren kann die Beschickung des Filtergehäuses mit Rohwasser an unterschiedlichen Stellen erfolgen. Ebenso kann die Anlage über weitere Mess- und Steuerungseinrichtungen, Reinigungseinrichtungen und anderen Elementen, wie sie in Filtrationsanlagen üblich sind, verfügen. Schließlich kann auch vorgesehen sein, dass die Filtrationsanlage über mehr als eine Vorreinigungsstufe verfügt.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Filtration von Flüssigkeiten, insbesondere Roh-, Brauch-, Pro- zess- und Meerwasser sowie Abwasser aus Industrie und/oder Kommunen, wobei die zu reinigende Flüssigkeit über zumindest einen Zulauf (111) unter Druck in ein Filtergehäuse (110) eingeleitet wird und zumindest eine in der Flüssigkeit enthaltene Feststofffraktion über zumindest ein in dem Filtergehäuse (110) angeordnetes Filterelement (120, 120a, 120b) unter Druck abfiltriert wird, wobei die Druckfiltration mit Ultraschallunterstützung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass während der Filtration eine Überwachung des Anstiegs des Betriebsdruckes und/oder der hydraulischen Durchsatzleistung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschalleintrag während der Filtration fallweise, periodisch oder permanent erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung eines vorgebbaren Schwellwertes für den Anstieg des Betriebsdruckes und/oder der hydraulischen Durchsatzleistung zumindest ein Reinigungsschritt die Filtration unterbricht, wobei als Reinigungsmittel Wasser, Luft und/oder Ultraschall zur Reinigung des zumindest einen Filterelementes (120, 120a, 120b, 120c) eingesetzt wird .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Desinfektion der zugeleiteten Flüssigkeit und/oder des an der dem Zulauf (111) zugewandten Seite des zumindest einen Filterelements (120, 120a, 120b) sich bildenden Konzentrates und/oder des an der dem Zulauf (111) abgewandten Seite des zumindest einen Filterelements (120, 120a, 120b) sich bildenden Permeats mittels Ultraschall erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektion außerhalb des Filtergehäuses (110) in einem vom Filtergehäuse (110) getrennten Desinfektionsreaktor (220) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Desinfektion innerhalb des Filtergehäuses (110) erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Filterreinigung mittels Ultraschall erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschallleistungseintrag regelbar ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung der zu reinigenden Flüssigkeit zu dem zumindest einen Filterelement (120, 120a, 120b) über eine Zyklonströmung erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass über zumindest eine weitere Druckerzeugungseinrichtung, insbesondere eine Umwälzpumpe, das Rohwasser innerhalb des Filtergehäuses, besonders bevorzugt durch Kreisführung, hydraulisch umgewälzt wird .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Gas, insbesondere Luft, in das Filtergehäuse (110) zur Bildung von Nanoblasen eingebracht wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtration kontinuierlich, semikontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtration sowie gegebenenfalls anschließende Reinigungszyklen vollautomatisch erfolgen.
14. Vorrichtung (100) zur Filtration von Flüssigkeiten mit einer Feststofffraktion, insbesondere Roh-, Brauch-, Prozess- und Salzwasser sowie Abwasser aus Industrie und/oder Kommunen, mit einem Filtergehäuse (110), in dem zumindest ein Filterelement (120, 120a, 120b) angeordnet ist, wobei zumindest eine Druckerzeugungseinrichtung (240) vorgesehen ist, die die Flüssigkeit unter Druck über zumindest einen Zulauf (111) dem zumindest einen Filterelement (120, 120a, 120b) zuführt, und das Filtergehäuse (110) über zumindest einen Ablauf (112) für das Permeat und Konzentrat verfügt, wobei zumindest ein Ultraschallwandler (130) an oder innerhalb des Filtergehäuses (110) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zumindest eine Einrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeitsstand im Filtergehäuse (110), vorzugsweise eine Füllstandsonde (230) für den und/oder zumindest eine Einrichtung zur Überwachung und Übermittlung des Betriebsdrucks an zumindest eine Steuereinheit, vorzugsweise ein Drucktransmitter (250, 250a) vorgesehen sind .
15. Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtergehäuse (110) rohrartig mit einem Kopfteil (110b), einem Gehäusemantel (110a) und einem Bodenteil ausgebildet ist, wobei das Filtergehäuse (110) einen runden, elliptischen, quadratischen, rechteckigen oder vieleckigen Querschnitt aufweist.
16. Vorrichtung (100) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ultraschallwandler (130) an der Außenseite und/ oder der Innenseite des Filtergehäuses (110), vorzugsweise an dem Gehäusemantel (110a) angeordnet ist.
17. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Filterelemente (120, 120a, 120b) in dem Filtergehäuse (110) angeordnet sind, wobei das erste Filterelement (120a) zumindest ein Grob- oder Vorfilter und das zweite Filterelement (120c) zumindest ein Fein- oder Finalfilter ist, und vorzugsweise zumindest ein weiteres Filterelement (120b) zwischen ersten und zweiten Filterelement (120a, 120b) angeordnet ist.
18. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ultraschallwandler (130) in einem Tauchkörper (150) angeordnet ist, der innerhalb des Filtergehäuses (110) anor- denbar ist.
19. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ultraschallwandler (130) und/oder der Tauchkörper (150) schwenkbar und/oder drehbar angeordnet ist.
20. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Filterelement (120, 120a, 120b) innerhalb des Filtergehäuses (110) schwenkbar und/oder drehbar angeordnet ist.
21. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Filterelement (120, 120a, 120b) rohrartig ausgebildet ist.
22. Vorrichtung (100) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filterelement (120, 120a, 120b) und das zweite Filterelement (120, 120a, 120b) rohrförmig ausgebildet und vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind, wobei der jeweilige Querschnitt der beiden Filterelemente rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder vieleckig ist.
23. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (111) zu reinigenden Flüssigkeit im Kopfteil (110b) des Filtergehäuses (110) angeordnet ist, und der zumindest eine Ablauf (112) für das Permeat im Bodenteil des Filtergehäuses (110) innerhalb des zumindest einen rohrartigen Filterelements (120, 120a, 120b) angeordnet ist.
24. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Ablauf (112) für das Permeat in ein Sammelbecken (110c) im Bereich des Bodenteils des Filtergehäuses (110) mündet, wobei das Sammelbecken einen Auslass für das Permeat aufweist.
25. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein vorzugsweise zwei oder mehr scheibenartige Filterelemente vorgesehen sind, die in Ebenen normal zur Längsachse (A) innerhalb des Filtergehäuses (110) angeordnet sind.
26. Vorrichtung (100) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine scheibenartige Filterelement rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder vieleckig ausgebildet ist.
27. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Filterelement (120, 120a, 120b) ein Tex- tilfilter, ein Kunststofffilter, ein pulvergesinterter Metallfilter oder ein Metallgewebefilter ist.
28. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Strömungseinrichtung innerhalb des Filtergehäuses (110) angeordnet ist.
29. Vorrichtung (100) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Strömungseinrichtung ein Leitapparat (300) mit bevorzugterweise verstellbaren Leitschaufeln (320) ist.
30. Vorrichtung (100) nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest die Strömungseinrichtung eine Umwälzpumpe ist.
31. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Filtergehäuse (110) zumindest ein radial und/oder diagonal und/oder parallel zu zumindest einem Wandabschnitt des Gehäusemantels angeordnetes Trennelement vorgesehen ist, das den Innenraum des Filtergehäuses (110) in zumindest zwei Sektionen unterteilt, wobei jeder Sektion zumindest ein Filterelement (120, 120a, 120b) und bevorzugterweise jeweils ein Zulauf (111) oder ein Ablauf zugeordnet ist.
32. Filterelement (120, 120a, 120b) zur Reinigung von verunreinigten Flüssigkeiten, insbesondere von Roh-, Brauch-, Prozess- und Meerwasser, sowie Abwasser bestehend aus einer ersten Filtereinheit mit einer ersten Filtercharakteristik sowie zumindest einer zweiten Filtereinheit mit einer zweiten Filtercharakteristik, wobei die erste und die zumindest eine zweite Filtereinheit rohrartig ausgebildet sind, und koaxial zueinander angeordnet sind.
33. Filterelement (120, 120a, 120b) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filtereinheit beabstandet von der zumindest einen zweiten Filtereinheit angeordnet ist.
34. Filterelement (120, 120a, 120b) nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Filtereinheit in flächigen Kontakt mit der zumindest eine zweiten Filtereinheit steht.
35. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 31 zur Reinigung von Roh-, Brauch-, Prozess-, Meer- und Abwässern unter Druck.
2014 12 Ol
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