Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Gegenstand des Projektes war die Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Membranfiltrationsverfahrens basierend auf vertikalen Membranmodulen bestehend aus einem Wickelelement mit einem patentrechtlich gesch\u00fctztem Tunnel-Spacer, der zugeh\u00f6rigen Str\u00f6mungsf\u00fchrung innerhalb des Moduls und der erforderlichen Pumpeinheit. Durch die neue Spacerform sollen die Effizienz von Membranverfahren verbessert und neue Einsatzgebiete vor allem f\u00fcr hoch belastete Abw\u00e4sser mit hohem Foulingpotenzial erschlossen werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes wurden die unten stehenden Arbeitspakete bearbeitet:
\n1.\tEntwicklung und Herstellung der Tunnelspacer mit einer Pr\u00e4gevorrichtung
\n2.\tEntwicklung und Herstellung der Tunnelspacer-Wickelelemente, Test der Elemente
\n3.\tEntwicklung und Bau des Vertikalmoduls
\n4.\tPlanung und Realisierung der zugeh\u00f6rigen Pilotanlage
\n5.\tVersuche mit Tunnelspacer-Wickelelementen im Vertikalmodul
\n6.\tFeldversuche mit den Vertikalmodulen mit Abwasser
\n7.\tZusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und der Umweltentlastung<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
F\u00fcr die Membranwickelelemente, die im Vertikalmodul eingesetzt werden sollten, wurden neuartige Tunnelspacer aus PVC mit einer wellenf\u00f6rmigen Kontur entwickelt, die f\u00fcr hoch belastete Abw\u00e4sser geeignet sind. Zur Herstellung wurde eigens eine Pr\u00e4gevorrichtung aus zwei gegenl\u00e4ufig drehenden beheizten Walzen mit axialen Rillen entwickelt und gebaut. Die Fertigungsbedingungen wurden so lange variiert, bis das Spacermaterial reproduzierbar mit gleichm\u00e4\u00dfiger Kontur hergestellt werden konnte. Begleitend wurden die Str\u00f6mungsverh\u00e4ltnisse im Str\u00f6mungskanal des Tunnelspacers zwischen zwei Membrantaschen mittels CFD-Simulation berechnet und mit herk\u00f6mmlichen Parallelspacern verglichen. Hierdurch wurden Aussagen zum Geschwindigkeitsprofil im Str\u00f6mungskanal erhalten.
\nIn vergleichenden Teststandversuchen zur Trenncharakteristik am Institut f\u00fcr Anlagen- und Verfahrenstechnik der FH K\u00f6ln zeigten Membranwickelmodule mit Original-Parallelspacern bessere Ergebnisse hinsichtlich R\u00fcckhalt und Permeatfluss als solche, in welche die neu entwickelten Tunnel-Spacer eingesetzt wurden. Die Leistungsabnahme konnte hier aber gr\u00f6\u00dftenteils auf die Umbauma\u00dfnahmen zur\u00fcckgef\u00fchrt werden.
\nParallel zur Entwicklung des Tunnelspacers erfolgte die Entwicklung und Fertigung der Spiralwickelelemente. Mit den anschlie\u00dfend produzierten Wickelelementen wurden vergleichende Versuche zum R\u00fcckhalt mit Natriumnitrat als Testsalz durchgef\u00fchrt. In allen F\u00e4llen stieg die R\u00fcckhaltung mit dem Druck und dem Feedvolumenstrom an. Die R\u00fcckhaltung f\u00fcr den Parallelspacer war bei gleichen Bedingungen etwas h\u00f6her (>98%) als f\u00fcr den Tunnelspacer (>96%). In der Regel d\u00fcrfte der R\u00fcckhalt bei letzterem aber ausreichend f\u00fcr geplante Anwendungsf\u00e4lle sein, da mit dem gew\u00e4hlten Testsalz der worst case simuliert wurde. Der Permeatfluss war beim Parallelspacer ca. doppelt so gro\u00df wie bei dem Tunnelspacer. Dieses Ergebnis kann nicht ausschlie\u00dflich auf Effekte der Konzentrationspolarisation zur\u00fcckgef\u00fchrt werden. Der Permeatfluss kann durch eine fertigungstechnische Optimierung weiter erh\u00f6ht werden. Zus\u00e4tzlich kann die Membranfl\u00e4che vergr\u00f6\u00dfert werden, da der Tunnel-Spacer praktisch keinen Druckverlust aufweist. Ein Feedvolumenstrom von 3 – 5 m\u00b3\/h wurde f\u00fcr ein auf den neuen 4-Wickelelementen basierendes Vertikal-Modul als ausreichend bewertet.
\nAnschlie\u00dfend wurde die VRM-Pilotanlage zur Aufnahme der 4-Wickelelemente entwickelt. Die urspr\u00fcnglich f\u00fcr die Rezirkulation eingeplante magnetgekuppelte Kreiselpumpe konnte aufgrund der vertikalen Anordnung und eines zu geringen maximal zul\u00e4ssigen Systemdrucks nicht eingesetzt werden, so dass eine Unterwasserpumpe f\u00fcr den Einsatz in der Pilotanlage adaptiert werden musste. Dies hatte eine weitgehende Umkonstruktion der urspr\u00fcnglichen Anlage zur Folge, so dass nun eine Kombination aus Modul und Umw\u00e4lzpumpe als getauchte Einheit in einem druckstabilen \u00e4u\u00dferen H\u00fcllrohr realisiert wurde. Das Vertikalmodul wurde in eine transportable Pilotanlage zur Membranfiltration integriert, die eine kompakte Anordnung s\u00e4mtlicher Messtechnik und Nebenaggregate erm\u00f6glicht. Anschlie\u00dfend wurden Testversuche mit extern gefertigten Elementtypen unterschiedlicher Spacergeometrie durchgef\u00fchrt. Die vorher am Teststand der IAV gefundenen Ergebnisse zum R\u00fcckhalt und Permeatfluss und die Schwankungen in Abh\u00e4ngigkeit vom verwendeten Wickelelement konnten hier grunds\u00e4tzlich reproduziert werden.
\nAnschlie\u00dfend wurden bei der EnviroChemie vergleichende Versuche mit ausgew\u00e4hlten Abwasserproben aus der Papierindustrie durchgef\u00fchrt. In Testversuchen wurden der CSB- und Ionenr\u00fcckhalt bestimmt. Praktisch unabh\u00e4ngig von der Ausbeute wurde bei beiden Filtermodul-Ausf\u00fchrungen ein CSB-R\u00fcckhalt von >98% erzielt. Beim Ionenr\u00fcckhalt wurden f\u00fcr Elemente mit Parallel-Spacer Werte von 97-98% ge-funden, w\u00e4hrend diese bei Tunnel-Spacern etwa 95-98% betrugen. Mit zunehmender Ausbeute nahm der R\u00fcckhalt hier st\u00e4rker ab als beim Einsatz von Parallel-spacern. Die maximalen Permeatausbeuten betrugen 50% bei 45 bar Eingangsdruck im Vertikalmodul.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Projektergebnisse werden im Mai 2008 auf der IFAT in M\u00fcnchen pr\u00e4sentiert werden. Weitere Ver\u00f6ffentlichungen sind in Planung.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Aus dem Projekt resultierte ein neues vertikales Filtrationsverfahren auf Basis von Membranwickelmodulen mit Tunnelspacer. Die Einsatzm\u00f6glichkeiten h\u00e4ngen stark von den Anforderungen ab, da gegen\u00fcber der Technik mit konventionellen Parallelspacern teils Nachteile beim R\u00fcckhalt und der Permeatausbeute verbunden sind. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der feedseitig offenen Geometrie der Spiralwickelelemente, d. h. die komplett offenen Str\u00f6mungskan\u00e4le stellen eine neuartige Kombination des Str\u00f6mungsverhaltens von Kapillarmodulen mit der relativ preiswerten Fertigungstechnik von Wickelelementen dar. Die Umweltentlastung durch die Neuentwicklung ergibt sich prim\u00e4r aus dem Verzicht einer vorgeschalteten Mikro- oder Ultrafiltrationsstufe zum Suspensar\u00fcckhalt (Absenkung des Energiebedarfs). Eine genaue Quantifizierung des Umwelteffekts ist erst nach Untersuchungen des Scaling- und Foulingverhaltens in einer Demonstrationsanlage im Dauerbetrieb m\u00f6glich.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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