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DE102018128600B4 - Filtervorrichtung und Reinigungsanlage - Google Patents

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DE102018128600B4
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Abstract

Filtervorrichtung (1) zur Filterung von Algen, Mikroorganismen und dergleichen aus Wasser, umfassend- einen Zulauf (4),- einen Filterraum (2), dem Wasser über den Zulauf (4) zuführbar ist,- eine Filtermembran (5) zum Herausfiltern von Algen, Mikroorganismen und dergleichen,- einen Ablauf (6) für das gefilterte Wasser unterhalb der Filtermembran (5),- eine Begasungseinrichtung (7) zum Zuführen eines Gases zur Filtermembran (5), die zwischen Ablauf (6) und Filtermembran (5) angeordnet ist,- ein Rührwerk (8) zur Durchmischung des Wassers im Filterraum (2) und- eine Austragvorrichtung (9) zum Austragen von Schaum (10) oder Verunreinigungen an der Oberfläche (O) des Wassers im Filterraum (2).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtervorrichtung zur Filterung von Algen, Mikroorganismen und dergleichen aus Wasser sowie eine daraus aufgebaute Reinigungsanlage.
  • In allen salinen Weltmeeren sowie auch im Süßwasser sind neben der eigentlichen Flora und Fauna auch Mikroorganismen wie Algen, Mikroorganismen, Bakterien und dergleichen enthalten. Alleine die in den Weltmeeren enthaltenen Mikroorganismen stellen eine Biomasse mit einem praktisch unerschöpflichen Vorrat dar, der zudem ständig nachwächst. Besonders in erwärmten und im Wesentlichen unbewegten Gewässern kommt es dabei häufig zu einer sogenannten Algenblüte. Das bedeutet, dass die Zahl der Algen und Mikroorganismen beispielsweise in g/m3 einen bestimmten Wert übersteigt, so dass das Gewässer an Sauerstoff verarmt und beispielsweise Fische ersticken.
  • Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, dass die Algen aus dem Gewässer herausgefiltert werden. Dies kann unter anderem durch die Zugabe von Fällungsmitteln geschehen, was aber aus praktischen und ökologischen Aspekten kaum durchführbar ist. Weiterhin ist es bekannt, Algen mechanisch mit Vorrichtungen beispielsweise Filter aus dem Wasser herauszufiltern oder beispielsweise mittels Zentrifugen oder durch Adsorption oder durch Druckentspannungsflotation abzutrennen. Derartige Filtervorrichtungen können auch schwimmfähig ausgebildet sein, um mobil eingesetzt zu werden.
  • Die Filtervorrichtungen weisen üblicherweise einen Filterraum auf, dem Wasser über einen Zulauf zugeführt wird, sowie eine Filtermembran zum Herausfiltern der Algen sowie einen der Filtermembran nachgeschalteten Ablauf, um das gereinigte Wasser wieder abzuführen.
  • Aus der DE 10 2012 207 731 A1 ist eine Vorrichtung zur Vorreinigung von insbesondere Meerwasser bekannt mit einem Filterraum, einem Zulauf für Wasser, einem Ablauf für gereinigtes Wasser, einer Begasungseinrichtung und einer Austragvorrichtung zum Austragen von Verunreinigungen. Dabei ist dem Filterraum aber ein zusätzlicher Flockulationstank zum Ausflocken vorgeschaltet.
  • Dabei tritt allerdings häufig das Problem auf, dass die Filtermembran von einem Filterkuchen zugesetzt wird, der mechanisch entfernt werden muss, um die gewünschte Filterleistung wieder zu erhalten. Dies kann auch mit einem zusätzlichen Rührwerk im Filterraum kaum vermieden werden.
  • Ebenso ist es bekannt, die Algen oder Mikroorganismen entweder aufzuschäumen und abzuschöpfen oder die Filtervorrichtung nach Art eines Absetzbeckens auszubilden. Hierbei werden jedoch nur geringe Durchsatzmengen erzielt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filtervorrichtung für Algen dahingehend weiterzubilden, dass sie in einfacher Weise betreibbar ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Weiterhin soll eine daraus aufgebaute Reinigungsanlage angegeben werden.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Filtervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Mit einer solchen Filtervorrichtung kann auch eine erfindungsgemäße Reinigungsanlage gemäß Anspruch 6 aufgebaut werden.
  • Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung zur Filterung von Algen, Mikroorganismen und dergleichen einen Filterraum umfasst, dem das zu filternde Wasser mittels eines Zulaufs zuführbar ist. Im Filterraum ist insbesondere bodenseitig eine Filtermembran zum Herausfiltern von Algen, Mikroorganismen und dergleichen angeordnet. Weiterhin ist unterhalb der Filtermembran ein Ablauf für das gefilterte Wasser vorgesehen. Zum Sauberhalten der Filtermembran dient eine Begasungseinrichtung zum Zuführen eines Gases zur Filtermembran im Gegenstrom zum Wasser, die unterhalb der Filtermembran angeordnet ist. Weiterhin ist im Filterraum ein Rührwerk vorgesehen, um das Wasser im Filterraum in Zirkulation zu halten. Schließlich ist im Filterraum eine Austragvorrichtung zum Austragen von Verunreinigungen an der Oberfläche des Wassers im Filterraum vorhanden.
  • Der Filterraum, der beispielsweise durch ein Gehäuse aus Metall, insbesondere Edelstahl, gebildet wird, schafft einen abgegrenzten Raum, in dem durch stetige Wasserzufuhr eine ansteigende Algenkonzentration erhalten wird. Der Filterraum ist beispielsweise kubisch ausgeformt, er kann aber auch alle anderen Formen aufweisen. Dabei ist die Fläche der Filtermembran beziehungsweise eines Filters vorzugsweise so groß gewählt, dass ein Widerstand durch den Druckverlust beim Herausfiltern minimiert ist. Das Wasser strömt dabei über einen oder mehrere Zuläufe in den Filterraum in einer Strömungsrichtung beispielsweise von oben nach unten. Am bodenseitigen Filter beziehungsweise der Filtermembran werden Algen, Mikroorganismen und dergleichen herausgefiltert und das gereinigte Wasser tritt über einen Ablauf, der in Strömungsrichtung gesehen hinter der Filtermembran angeordnet ist, wieder aus dem Filterraum aus.
  • Um ein Zusetzen der Filtermembran zu vermeiden, wird diese im Gegenstrom begast. Hierzu ist zwischen Ablauf und Filtermembran eine Begasungseinrichtung angeordnet, um beispielsweise Umgebungsluft in den Filterraum von unten nach oben einzublasen. Die aufsteigenden Gasbläschen durchdringen die Filtermembran und lösen Rückstände, insbesondere an deren Oberseite, ab. Zudem wird durch das eingeblasene Gas eine Aufschäumung des Filtrats erzielt. Dabei sind die Gasmenge, der Gasdruck sowie die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers derart aufeinander abgestimmt, dass eine optimale Filterleistung erzielt wird. Insbesondere sind die Strömungsgeschwindigkeiten und Volumenströme derart gewählt, dass die aufsteigenden Gasbläschen nicht vom Wasserstrom nach unten weggerissen werden.
  • Prinzipiell kann eine solche Begasung zusätzlich auch mit Luftdüsen erfolgen, die im Innenraum des Filterraums verteilt angeordnet sind, um die Oberfläche der Filtermembran sauber zu halten.
  • Weiterhin ist ein Rührwerk, auch Dispergierer genannt, im Filterraum vorgesehen, das in an sich beliebiger Weise ausgebildet sein kann und beispielsweise ebenfalls aus Metall/Edelstahl besteht, um eine Zirkulation des Wassers im Filterraum aufrecht zu erhalten und die Schaumbildung an der Oberfläche des Wassers zu fördern. Beispielsweise können mehrere paddelförmige und gegebenenfalls strömungsgünstig ausgeformte Bleche über ein Gestänge drehbar gelagert sein. Durch das Rührwerk wird auch ein Strom parallel zur Filtermembran erzeugt, um deren Zusetzen ebenfalls zu minimieren.
  • Schließlich werden die aufgeschäumten Algen an der Oberfläche des Wassers mittels einer Austragvorrichtung aus dem Filterraum entfernt und aufgefangen. Die Austragvorrichtung kann beispielsweise ein feststehendes Bauteil in Form eines Strömungsleitblechs sein. Durch die Drehbewegung des Rührwerks sowie durch den in einer aus mehreren Filtervorrichtungen zusammengesetzten Reinigungsanlage erzeugten Querstrom wird der an der Oberfläche des Wassers schwimmende Schaum ebenfalls in Rotation versetzt und kann mit einem geeignet angeordneten und ausgeformten Strömungsleitblech selbsttätig abgeschöpft und über einen separaten Ausgang einer Weiterverwertung zugeführt werden. Dieses Strömungsleitblech kann auch höhenverstellbar ausgebildet sein, beispielsweise mittels Schrauben an einer oder mehreren vertikal angeordneten Lochschienen, um ein optimales Austragergebnis zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann die Austragvorrichtung auch einen beweglichen Schieber, das heißt einen linear beweglichen oder rotierenden Schieber oder dergleichen, umfassen, der durch seine Bewegung den auf der Oberfläche des Wassers schwimmenden Schaum abschöpft.
  • Der Filterraum kann zum Beispiel ein Volumen von 375 m3 haben mit einer Filterfläche von 125 m2. Die Filtermembran weist eine Porengröße oder Maschenweite von beispielsweise maximal 20 µm, insbesondere maximal 10 µm, auf.
  • Mit der Filtervorrichtung werden insbesondere Algen aus dem Wasser herausgefiltert, gesammelt und konzentriert. Die Algen beziehungsweise das Filtrat kann dann einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Beispielsweise werden sie kompostiert und als Düngemittel verwendet. Ebenso können Sie zur Erzeugung von Biogas oder sonstigen Kraftstoffen verwendet werden. Auch eine Weiterverwertung des enthaltenen Proteins und sonstiger Nährstoffe zur Nahrungsmittelerzeugung ist möglich.
  • Eine solche Filtervorrichtung kann stationär ausgebildet sein, um auch als Abwasserreinigungsanlage zu dienen. Ebenso kann sie mobil ausgebildet sein, das heißt auf oder in einem Fahrzeug montiert werden. Insbesondere kann sie in ein Schiff wie einem Motor- oder Segelschiff oder einem Schleppkahn eingebaut werden, das mit einem vorzugsweise beweglichen Trichter ausgestattet ist, um Seewasser aufzufangen und der Filtervorrichtung zuzuführen. Ebenso kann die Filtervorrichtung stationär an einem Ort hoher Strömungsgeschwindigkeit in einem Gewässer aufgebaut werden, wobei entsprechende Zu- und Ableitungskanäle vorgesehen sind. Die Strömung kann durch Gezeiten und/oder geologische Gegebenheiten vorgegeben sein. Vorzugsweise wird dabei das Wasser, egal ob im mobilen oder stationären Betrieb, zunächst durch eine Turbine zur Energiegewinnung geleitet, um nachfolgend der eigentlichen Filtervorrichtung zugeführt zu werden. Somit kann ein erheblicher Teil der zum Betrieb notwendigen Energie gewonnen werden.
  • Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
  • In einer ersten Ausgestaltung ist dem oder den Zuläufen ein Aufschäumer zugeordnet, der das einströmende Wasser bereits verwirbelt, um die Schaumbildung zu verbessern. Der Aufschäumer kann entweder als statisches Bauteil ausgebildet sein oder ebenfalls beweglich beispielsweise nach dem Funktionsprinzip eines Quirls.
  • Als Filtermembran können alle dem Fachmann bekannten Filter oder Siebe eingesetzt werden, beispielsweise ein feinmaschiges Metallgitter. Insbesondere ist vorgeschlagen, dass die Filtermembrane beziehungsweise der Filter aus Keramik besteht. Beispielsweise ist die Filtermembran durch eine Keramikmembran gebildet. Diese kann mit der vorstehend beschriebenen Maschenweite hergestellt werden und verfügt über eine ausreichende Festigkeit sowie Beständigkeit beispielsweise gegenüber Seewasser. Vorzugsweise ist deren Oberfläche hydrophob ausgebildet und/oder mit dem Lotuseffekt ausgestattet, um eine Anlagerung von Rückständen zu unterbinden. Auch kann somit ein Stoffaustausch zwischen dem Wasser und der eingeblasenen Luft unterstützt werden.
  • Weiterhin können am Zu- und Ablauf sowie im Filterraum Leitbleche an gewünschten Positionen mit gewünschter Größe und Formgebung angeordnet sein, um das zu filternde Wasser in bevorzugter Menge und Strömungsgeschwindigkeit zu leiten. Die Leitbleche sind dabei starr angeordnet oder beweglich ausgebildet, um sich beispielsweise an unterschiedliche Volumenströme anzupassen.
  • Vorzugsweise wird das in die Filtervorrichtung durch einen oder insbesondere zwei symmetrisch angeordnete Zuläufe einströmende Wasser derart geführt, dass eine Querstrom- beziehungsweise Semiquerstromfiltration erfolgt. Insbesondere wenn, wie im Folgenden beschrieben, mehrere Filtervorrichtungen mit jeweils gleich großer Filterfläche sozusagen nacheinander geschaltet oder angeordnet sind, wird der jeweils einströmende Volumenstrom in jeder aufeinander folgenden Filtervorrichtung abstufend verringert, während der insgesamt aus allen Filtervorrichtungen beziehungsweise einer gesamten Reinigungsanlage austretende Wasserstrom konstant bleibt. Da in die nacheinander angeordneten Filtervorrichtungen jeweils abnehmende Volumenströme einströmen, liegen dann in den Filtervorrichtungen auch unterschiedliche, abnehmende Konzentrationen des Filtrats vor. Somit werden herkömmliche Reinigungsverfahren wie Flotation und Dispersion mit einer gleichzeitigen Querstrom- beziehungswiese Semiquerstromfiltration kombiniert.
  • Aus einer solchen Filtervorrichtung kann eine Reinigungsanlage für Wasser aufgebaut werden. In Strömungsrichtung gesehen sind mehrere im Wesentlichen gleichartig aufgebaute Filtervorrichtungen hintereinander angeordnet. Dabei sind die Strömungsverhältnisse vorzugsweise derart gewählt, dass in jede aufeinander folgende Filtervorrichtung jeweils ein kleinerer Volumenstrom eintritt mit insbesondere jeweils gleicher Strömungsgeschwindigkeit. Somit kann eine Querstrom- beziehungsweise Semiquerstromfiltration erhalten werden. Somit kann bei einem kompakten Aufbau der gesamten Reinigungsanlage ein optimales Filterergebnis mit beispielsweise maximaler Algenausbeute erzielt werden. Prinzipiell können die Filtervorrichtungen auch als Quadrat oder Rechteck angeordnet sein. Es ist ersichtlich, dass zum Beispiel eine zentrale Zuleitung vorgesehen ist, von der das zu reinigende Wasser über Rohrleitungen jeweils den einzelnen Filtervorrichtungen zugeführt wird. Ebenso können die jeweiligen Abläufe für das gereinigte Wasser wieder zu einem zentralen Ablauf zusammengefasst werden.
  • Es ist ersichtlich, dass sämtliche Komponenten der Filtervorrichtung zentral gesteuert sind, um beispielsweise die Durchsatzmenge an Wasser und Gas sowie alle Funktionalitäten einstellen zu können. Hierzu sind Ventile, Durchflussmesser, Sensoren und dergleichen vorgesehen.
  • Im Vorhergehenden wurde die Erfindung im Wesentlichen im Zusammenhang mit der Filterung von Meerwasser beschrieben, es ist jedoch ersichtlich, dass die Filtervorrichtung beziehungsweise Reinigungsanlage auch auf anderen Gebieten der Technik einsetzbar ist.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
    • 1 eine Filtervorrichtung in schematischer Darstellung und
    • 2 eine zusammengesetzte Reinigungsanlage.
  • In der 1 ist rein schematisch eine Filtervorrichtung 1 im Querschnitt dargestellt. Sie verfügt über einen Filterraum 2, der beispielsweise durch ein Gehäuse 3 aus Edelstahl gebildet ist. Über einen Zulauf 4 fließt Wasser in Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil S in den Filterraum 2 und verlässt diesen wieder über einen Ablauf 6 an der Unterseite des Filterraums 2.
  • Zur Reinigung des Wassers insbesondere von Algen, Mikroorganismen und dergleichen dient eine Filtermembrane 5, die beispielsweise als Metallgitter oder als Keramikmembran oder -filter ausgeführt ist und beispielsweise eine hydrophobe und/oder Lotuseffekt-Oberfläche aufweist.
  • In Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil S gesehen unterhalb der Filtermembrane 5 ist eine Begasungseinrichtung 7 angeordnet, beispielsweise ein druckluftbeaufschlagtes, perforiertes Rohrleitungsnetz, das hier nur schematisch angedeutet ist. Das austretende Gas strömt in Gegenrichtung gemäß dem Pfeil G nach oben und tritt dabei durch die Filtermembrane 5. Dadurch werden Rückstände an der Filtermembran 5 von dieser abgelöst und somit deren Zusetzen vermieden.
  • Weiterhin ist ein Rührwerk 8 vorgesehen, das, wie durch den Doppelpfeil D angedeutet, drehbar antreibbar ist. Mit dem Rührwerk 8 wird eine Durchmischung des Wassers im Filterraum 2 erzielt. Das Rührwerk 8 umfasst beispielsweise einige Paddel, die über ein Gestell drehbar gelagert sind, um einen Strom parallel zur Filtermembran 5 zu erzeugen, so dass deren Verstopfen oder Zusetzen reduziert ist.
  • An der Oberfläche O des Wassers bildet sich ein Schaum 10, der aus aufgeschäumten Algen besteht und hier schematisch mit Wellenlinien angedeutet ist. Der Schaum 10 wird durch eine Austragvorrichtung 9, hier ein gemäß dem Pfeil L linear bewegbarer Schieber, aus dem Filterraum 2 ausgetragen und vorzugsweise aufgefangen. Mit dem gemäß dem Pfeil L linear beweglichen Schieber wird der auf der Oberfläche O des Wassers schwimmende Schaum 10 abgeschöpft. Die Austragvorrichtung 9 kann auch in einfacher Weise als insbesondere höhenverstellbares Strömungsleitblech ausgebildet sein, das selbsttätig den auf der Oberfläche O des Wassers schwimmenden und mit dem Wasser mitrotierenden Schaum 10 abschöpft und beispielsweise einem separaten Ausgang zur Weiterverwertung zuführt.
  • Durch die Kombination aus der Filtration an der Filtermembrane 5 sowie dem Aufschäumen durch das aufsteigende Gas und durch das Rührwerk 8 nimmt beispielsweise die Algenkonzentration mit zunehmender gefilterter Wassermenge im Schaum 10 stetig zu, bis sie einen gewünschten Wert erreicht hat. Der Schaum 10 kann dann beispielsweise kompostiert werden oder zu Kraftstoffen, Nahrungsmitteln oder sonstigen Endprodukten weiterverarbeitet werden.
  • In 2 ist ebenfalls rein schematisch eine Reinigungsanlage 11 abgebildet, die aus vier Filtervorrichtungen 1 zusammengesetzt ist, wobei die Filtervorrichtungen 1 nur als Block vereinfacht wiedergegeben sind. Aus der Strömungsrichtung des Wassers gemäß dem Pfeil S ist ersichtlich, dass allen vier Filtervorrichtungen 1 Wasser zugeführt wird, das dann gereinigt abfließt. Es können auch mehr oder weniger Filtervorrichtungen 1 vorgesehen sein, ebenso können diese von oben gesehen quadratisch oder rechteckig angeordnet sein. Dabei können die Filtervorrichtungen 1 beispielsweise jeweils zwei insbesondere symmetrisch angeordnete Zuläufe 4 und jeweils einen Ablauf 6 aufweisen.
  • Eine solche Filtervorrichtung 1, beziehungsweise Reinigungsanlage 11, ist beispielsweise stationär aufgebaut und kann auch als Kläranlage fungieren. Bevorzugt ist sie jedoch mobil beispielsweise in einem Segelschiff eingebaut, ein Trimaran würde dem Prozess besondere Stabilität bieten, und bei dessen Fahrt durchs Wasser wird dieses Wasser aufgenommen, gereinigt und wieder abgegeben. Somit kann eine Algenblüte im Meerwasser effizient bekämpft werden. Vorzugsweise kommt dabei ein wesentlicher Teil der benötigten Energie aus einem Turbinenantrieb, der durch die Schiffsgeschwindigkeit durchs Wasser angetrieben wird. Nachdem das strömende Wasser die Turbine passiert und einen Teil seiner Bewegungsenergie an diese abgegeben hat, wird das Wasser der eigentlichen Filtervorrichtung 1 beziehungsweise der Reinigungsanlage 11 zugeführt. Ebenso kann ein strömendes oder fließendes Gewässer durch eine solche Filtervorrichtung 1 gereinigt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Filtervorrichtung
    2
    Filterraum
    3
    Gehäuse
    4
    Zulauf
    5
    Filtermembran
    6
    Ablauf
    7
    Begasungseinrichtung
    8
    Rührwerk
    9
    Austragvorrichtung
    10
    Schaum
    11
    Reinigungsanlage
    S
    Pfeil
    G
    Pfeil
    D
    Doppelpfeil
    L
    Pfeil
    O
    Oberfläche

Claims (6)

  1. Filtervorrichtung (1) zur Filterung von Algen, Mikroorganismen und dergleichen aus Wasser, umfassend - einen Zulauf (4), - einen Filterraum (2), dem Wasser über den Zulauf (4) zuführbar ist, - eine Filtermembran (5) zum Herausfiltern von Algen, Mikroorganismen und dergleichen, - einen Ablauf (6) für das gefilterte Wasser unterhalb der Filtermembran (5), - eine Begasungseinrichtung (7) zum Zuführen eines Gases zur Filtermembran (5), die zwischen Ablauf (6) und Filtermembran (5) angeordnet ist, - ein Rührwerk (8) zur Durchmischung des Wassers im Filterraum (2) und - eine Austragvorrichtung (9) zum Austragen von Schaum (10) oder Verunreinigungen an der Oberfläche (O) des Wassers im Filterraum (2).
  2. Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zulauf (4) ein Aufschäumer zugeordnet ist.
  3. Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtermembran (5) aus Keramik besteht.
  4. Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Filterraum (2) Leitbleche zugeordnet sind.
  5. Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung (1) derart ausgestaltet ist, dass eine Querstromfiltration erfolgt.
  6. Reinigungsanlage (11) zur Filterung von Algen, Mikroorganismen und dergleichen aus Wasser, umfassend mehrere Filtervorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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