Projekt 18948/01

Entwicklung einer Pilotanlage mit Vertikal-Membranmodulen insbesondere zum Einsatz bei der Aufbereitung von kolloidal hoch belasteten Abwässern

Projektträger

EnviroChemie GmbH
In den Leppsteinswiesen 9
64380 Roßdorf
Telefon: 06154/6998-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des Projektes war die Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Membranfiltrationsverfahrens basierend auf vertikalen Membranmodulen bestehend aus einem Wickelelement mit einem patentrechtlich geschütztem Tunnel-Spacer, der zugehörigen Strömungsführung innerhalb des Moduls und der erforderlichen Pumpeinheit. Durch die neue Spacerform sollen die Effizienz von Membranverfahren verbessert und neue Einsatzgebiete vor allem für hoch belastete Abwässer mit hohem Foulingpotenzial erschlossen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes wurden die unten stehenden Arbeitspakete bearbeitet:
1. Entwicklung und Herstellung der Tunnelspacer mit einer Prägevorrichtung
2. Entwicklung und Herstellung der Tunnelspacer-Wickelelemente, Test der Elemente
3. Entwicklung und Bau des Vertikalmoduls
4. Planung und Realisierung der zugehörigen Pilotanlage
5. Versuche mit Tunnelspacer-Wickelelementen im Vertikalmodul
6. Feldversuche mit den Vertikalmodulen mit Abwasser
7. Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und der Umweltentlastung


Ergebnisse und Diskussion

Für die Membranwickelelemente, die im Vertikalmodul eingesetzt werden sollten, wurden neuartige Tunnelspacer aus PVC mit einer wellenförmigen Kontur entwickelt, die für hoch belastete Abwässer geeignet sind. Zur Herstellung wurde eigens eine Prägevorrichtung aus zwei gegenläufig drehenden beheizten Walzen mit axialen Rillen entwickelt und gebaut. Die Fertigungsbedingungen wurden so lange variiert, bis das Spacermaterial reproduzierbar mit gleichmäßiger Kontur hergestellt werden konnte. Begleitend wurden die Strömungsverhältnisse im Strömungskanal des Tunnelspacers zwischen zwei Membrantaschen mittels CFD-Simulation berechnet und mit herkömmlichen Parallelspacern verglichen. Hierdurch wurden Aussagen zum Geschwindigkeitsprofil im Strömungskanal erhalten.
In vergleichenden Teststandversuchen zur Trenncharakteristik am Institut für Anlagen- und Verfahrenstechnik der FH Köln zeigten Membranwickelmodule mit Original-Parallelspacern bessere Ergebnisse hinsichtlich Rückhalt und Permeatfluss als solche, in welche die neu entwickelten Tunnel-Spacer eingesetzt wurden. Die Leistungsabnahme konnte hier aber größtenteils auf die Umbaumaßnahmen zurückgeführt werden.
Parallel zur Entwicklung des Tunnelspacers erfolgte die Entwicklung und Fertigung der Spiralwickelelemente. Mit den anschließend produzierten Wickelelementen wurden vergleichende Versuche zum Rückhalt mit Natriumnitrat als Testsalz durchgeführt. In allen Fällen stieg die Rückhaltung mit dem Druck und dem Feedvolumenstrom an. Die Rückhaltung für den Parallelspacer war bei gleichen Bedingungen etwas höher (>98%) als für den Tunnelspacer (>96%). In der Regel dürfte der Rückhalt bei letzterem aber ausreichend für geplante Anwendungsfälle sein, da mit dem gewählten Testsalz der worst case simuliert wurde. Der Permeatfluss war beim Parallelspacer ca. doppelt so groß wie bei dem Tunnelspacer. Dieses Ergebnis kann nicht ausschließlich auf Effekte der Konzentrationspolarisation zurückgeführt werden. Der Permeatfluss kann durch eine fertigungstechnische Optimierung weiter erhöht werden. Zusätzlich kann die Membranfläche vergrößert werden, da der Tunnel-Spacer praktisch keinen Druckverlust aufweist. Ein Feedvolumenstrom von 3 - 5 m³/h wurde für ein auf den neuen 4-Wickelelementen basierendes Vertikal-Modul als ausreichend bewertet.
Anschließend wurde die VRM-Pilotanlage zur Aufnahme der 4-Wickelelemente entwickelt. Die ursprünglich für die Rezirkulation eingeplante magnetgekuppelte Kreiselpumpe konnte aufgrund der vertikalen Anordnung und eines zu geringen maximal zulässigen Systemdrucks nicht eingesetzt werden, so dass eine Unterwasserpumpe für den Einsatz in der Pilotanlage adaptiert werden musste. Dies hatte eine weitgehende Umkonstruktion der ursprünglichen Anlage zur Folge, so dass nun eine Kombination aus Modul und Umwälzpumpe als getauchte Einheit in einem druckstabilen äußeren Hüllrohr realisiert wurde. Das Vertikalmodul wurde in eine transportable Pilotanlage zur Membranfiltration integriert, die eine kompakte Anordnung sämtlicher Messtechnik und Nebenaggregate ermöglicht. Anschließend wurden Testversuche mit extern gefertigten Elementtypen unterschiedlicher Spacergeometrie durchgeführt. Die vorher am Teststand der IAV gefundenen Ergebnisse zum Rückhalt und Permeatfluss und die Schwankungen in Abhängigkeit vom verwendeten Wickelelement konnten hier grundsätzlich reproduziert werden.
Anschließend wurden bei der EnviroChemie vergleichende Versuche mit ausgewählten Abwasserproben aus der Papierindustrie durchgeführt. In Testversuchen wurden der CSB- und Ionenrückhalt bestimmt. Praktisch unabhängig von der Ausbeute wurde bei beiden Filtermodul-Ausführungen ein CSB-Rückhalt von >98% erzielt. Beim Ionenrückhalt wurden für Elemente mit Parallel-Spacer Werte von 97-98% ge-funden, während diese bei Tunnel-Spacern etwa 95-98% betrugen. Mit zunehmender Ausbeute nahm der Rückhalt hier stärker ab als beim Einsatz von Parallel-spacern. Die maximalen Permeatausbeuten betrugen 50% bei 45 bar Eingangsdruck im Vertikalmodul.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse werden im Mai 2008 auf der IFAT in München präsentiert werden. Weitere Veröffentlichungen sind in Planung.


Fazit

Aus dem Projekt resultierte ein neues vertikales Filtrationsverfahren auf Basis von Membranwickelmodulen mit Tunnelspacer. Die Einsatzmöglichkeiten hängen stark von den Anforderungen ab, da gegenüber der Technik mit konventionellen Parallelspacern teils Nachteile beim Rückhalt und der Permeatausbeute verbunden sind. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der feedseitig offenen Geometrie der Spiralwickelelemente, d. h. die komplett offenen Strömungskanäle stellen eine neuartige Kombination des Strömungsverhaltens von Kapillarmodulen mit der relativ preiswerten Fertigungstechnik von Wickelelementen dar. Die Umweltentlastung durch die Neuentwicklung ergibt sich primär aus dem Verzicht einer vorgeschalteten Mikro- oder Ultrafiltrationsstufe zum Suspensarückhalt (Absenkung des Energiebedarfs). Eine genaue Quantifizierung des Umwelteffekts ist erst nach Untersuchungen des Scaling- und Foulingverhaltens in einer Demonstrationsanlage im Dauerbetrieb möglich.