Die Erfindung betrifft eine Kleinmengen-Umkehrosmose-Anlage, mit einem Umkehrosmosemodul, welches eine Membran aufweist und einen Rohwassereinlauf sowie einen Konzentratauslauf, beide auf der einen Seite der Membran angeordnet, sowie einen Permeatauslauf, der am Umkehrosmosemodul auf der anderen Seite von der Membran angeordnet ist. Um Verblockungen der Membran zu vermeiden, muss regelmäßig das Umkehrosmosemodul durchspült werden oder es muss permanent mit einem deutlichen Wasserüberschuss betrieben werden, so dass die Permeatausbeute in einem sehr geringen Verhältnis zur eingesetzten Rohwassermenge steht und der Betrieb der Umkehrosmose-Anlage dementsprechend wirtschaftlich ungünstig ist. Als Ausbeute oder auch als Wirkungsgrad wird dabei das Verhältnis von eingesetztem Rohwasser zu verwertbarem Permeat bezeichnet, z. B. 50%, wenn sich die eingesetzte Rohwassermenge von 100% in 50% Konzentrat und 50% Permeat aufteilt. Das Verhältnis von verworfenem Konzentrat zu verwertbarem Permeat kann als Abwasserverhältnis bezeichnet werden, im vorbeschriebenen Fall also 1:1, was die gleiche Ausbeute bezeichnet.

Als Kleinmengen-Anlage wird dabei eine so genannte „Point of use"-Anlage bezeichnet, die direkt beim Endverbraucher installiert ist, z. B. in Restaurants oder privaten Haushalten, und die Permeatmengen von etwa 20 l bis etwa 1.000 l Tagesleistung erzeugen. Eine derartige Anlage ist z. B. in der EP 0 567 751 B1 beschrieben.

Je nach der lokal vorhandenen Wasserqualität wird bei Umkehrosmose-Anlagen üblicherweise der Wasserdurchfluss so eingestellt, dass eine Verblockung der Membran ausgeschlossen ist. Hierzu vorgesehene Mengenregler müssen jeweils auf die individuellen Verhältnisse der Anlagen eingestellt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von Membrangröße, Wassertemperatur, Wasserqualität und ähnlichen Einflussgrößen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Umkehrosmose-Anlage dahingehend zu verbessern, dass diese eine möglichst einfache Installation ermöglicht, mit möglichst geringem Aufwand eine regelmäßige Durchspülung des Umkehrosmosemoduls sicherstellt, und eine möglichst hohe Ausbeute erzielt.

Im Gegensatz zu großindustriell eingesetzten Anlagen, bei denen die Wasserqualität messtechnisch erfasst wird und bei denen in Abhängigkeit von den Messwerten die Konzentratabgabe mittels Mengeregelventilen beeinflusst wird, wird vorschlagsgemäß eine erheblich preisgünstigere Ausgestaltung der Anlagen ermöglicht. Während die großindustriellen Anlagen erhebliche Durchflussmengen aufweisen, müssten vergleichbare Mengeregelventile nämlich nach Labormaßstäben genau arbeiten, um an die Kleinmengen-Umkehrosmose-Anlage angepasst zu sein. In der Praxis kann es erforderlich oder wünschenswert sein, einen Konzentratfluss im Bereich von unter 50 ml/min einzustellen, und die dazu erforderliche Mess- und Regeltechnik wäre im Verhältnis zum Preis der übrigen Anlage unverhältnismäßig teuer.

Diese Aufgabe wird durch eine Umkehrosmoseanlage gelöst, bei der die Wasserqualität sensorisch erfasst wird und bei Erreichen bestimmter Grenzwerte ein automatischer Spülvorgang ausgelöst wird. Dies erfolgt z. B. durch eine ohnehin vorhandene Anlagensteuerung. Insbesondere elektronische Anlagensteuerungen sind in der Praxis verbreitet, welche z. B. dazu dienen, je nach Füllstand eines Permeatspeichers die Anlage an- und abzuschalten, oder um unreferenzierte Spülvorgänge auszulösen, z. B. in vorgegebenen Zeitintervallen.

Vorteilhaft kann der Spülvorgang als Impulsspülung mit einer plötzlichen Änderung der Fließgeschwindigkeit oder Fließmenge ausgeführt werden. Diese Änderungen sowie die dadurch ebenfalls verursachten Druckschwankungen stellen eine intensive Spülwirkung sicher und eine entsprechend zuverlässige Reinigung der Membran.

Mit dieser vorgeschlagenen Verfahrensweise ist es möglich, den Konzentratfluss der Anlage auf ein Mindestmaß zu begrenzen, welches so gering ist, dass es nicht ausreicht, um die Anlage im Dauerbetrieb zu betreiben. Dadurch, dass regelmäßig ein Spülzyklus durchlaufen wird, wird die Membran regelmäßig gereinigt und vor dem Verblocken geschützt, so dass die Funktionsfähigkeit der Anlage ebenso wie die vorteilhaft hohe Ausbeute auch auf lange Zeit sichergestellt ist.

Die sensorische Erfassung der Wasserqualität kann beispielsweise die Qualität des Konzentrats betreffen. Ein Konzentrat-Sensor kann im Gehäuse vorgesehen sein, in dem auch die Membran angeordnet ist, z. B. an der Membran oder in die Membran integriert. Diese Nähe zur Membran sichert reaktionsschnelle Messergebnisse bei einer Änderung der Konzentratqualität.

Eine herstellungstechnisch besonders einfache Anordnung des Sensors, die keine Änderung am Umkehr-Osmosemodul selbst erfordert, kann in einem Leitungsabschnitt erfolgen, durch welchen das Konzentrat von der Membran aus geführt wird.

Um die Messung in einem solchen Leitungsabschnitt problemlos und mit einem aussagekräftigem Ergebnis durchführen zu können, ist vorteilhaft vorgesehen, einen bestimmten Minimalfluss des Konzentrats als sogenannte Grundspülmenge einzustellen, so dass der betreffende Leitungsabschnitt stets von Konzentrat durchströmt wird und die Messung nicht in einer stehenden Flüssigkeit durchgeführt wird, in der Qualitätsänderungen nur mit großer zeitlicher Verzögerung erfasst werden können.

Ergänzend kann eine sensorische Erfassung der Rohwasserqualität erfolgen, so dass ein Qualitätsverhältnis zwischen Rohwasser und Konzentrat berücksichtigt werden kann.

Beispielsweise können Messwerte wie die elektrische Leitfähigkeit oder andere Messwerte der Wasserqualität verglichen werden, und bei Erreichen bestimmter Grenzwerte wird der Spülzyklus ausgelöst.

Dabei geht die Erfindung davon aus, dass eine Qualitätseinbuße des in einem Speicher angesammelten Permeats selbst dann noch nicht messbar ist, wenn das Konzentrat schon eine zu geringe Qualität aufweist, um einen weiteren Betrieb mit dieser Konzentratqualität zuzulassen, beispielsweise kurz bevor erste Kristallbildungen erfolgen. Die rechtzeitige Durchspülung des Umkehrosmosemoduls sichert daher also erstens die technische Einsatzfähigkeit des Umkehrosmosemoduls und insbesondere dessen Membran, und zweitens die gewünschte Wasserqualität des Permeats.

Alternativ zu der vorbeschriebenen Messung der Konzentratqualität kann vorgesehen sein, eine sehr genaue Messung der Permeatqualität durchzuführen. Da im vorerwähnten Speicher stets eine Durchmischung mit bereits dort vorhandenem Permeat erfolgt und die dort vorgenommene Qualitätsmessung entsprechend träge ist, kann vorteilhaft die Messung der Permeatqualität in der Membran durchgeführt werden, z.B. durch einen in die Membran integrierten Leitfähigkeits-Sensor, oder sie kann an der Membran bzw. in deren Nähe durchgeführt werden. Bei geringsten Beeinträchtigungen der Permeatqualität kann dann der automatisch eingeleitete Spülzyklus erfolgen.

Die automatische Anpassung der Anlage an die gegebenen lokalen Verhältnisse kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass die Referenzierung der Permeatqualität nach einem derartigen Spülzyklus vorgenommen wird, so dass abhängig von der Anlagenbeschaffenheit und der Qualität sowie Temperatur des eingesetzten Rohwassers jeweils individuelle Qualitätswerte für das Permeat ermittelt werden, die dann als Referenz für den weiteren Betrieb der Anlage dienen.

Als weitere Alternative beim Betreiben der Umkehrosmose-Anlage kann die Änderung der gelösten Stoffe, also der Ausfilterrate der Umkehrosmose-Anlage über Sensoren im Rohwasser und im Permeat verglichen werden, und in Abhängigkeit von dem ermittelten Verhältnis kann der Spülzyklus automatisch aktiviert werden. Alternativ kann die Änderung der Ausfilterrate anhand von Vergleichsmessungen von Konzentrat und Permeat ermittelt werden.

Vorteilhaft kann eine Benutzerschnittstelle vorgesehen sein, so dass der Betreiber der Umkehrosmose-Anlage den Grenzwert einstellen kann, der zur Auslösung des Spülvorgangs dient, z. B. die Höhe der maximalen Anreicherung im Konzentrat, und so dass der Betreiber der Umkehrosmose-Anlage die Dauer der Spülphase beeinflussen kann. Auf diese Weise lässt sich die Umkehrosmoseanlage vom Benutzer bzw. bei Inbetriebnahme von Servicepersonal auf die lokale Wasserhärte einstellen, was eine weitere Optimierung der Ausbeute ermöglicht, also des Verhältnisses von eingesetztem Rohwasser bzw. verworfenem Konzentrat auf der einen Seite und gewonnenem Permeat auf der anderen Seite.

Aus den ermittelten Messwerten für das Permeat und das Konzentrat bzw. für das Permeat und das Rohwasser, bzw. für alle drei erwähnten Messgrößen kann auch eine Auswertung der Filterwirkung durchgeführt werden, welche prozentual oder über einen Schwellwert beispielsweise auf einem für den Benutzer einsehbaren Display, angegeben werden kann.

Mittels der vorgeschlagenen Ausgestaltung der Umkehrosmose-Anlage ist es möglich, die Anlage in Betrieb zu nehmen ohne sie vorher durch Auswahl und Zusammenstellung bestimmter technischer Komponenten auf den jeweiligen Einsatzort abzustimmen. Es kann vielmehr ggf. vorgesehen sein, vor Ort noch einen bestimmten Härtebereich des eingesetzten Rohwassers zu wählen. Anschließend regelt die Anlage sich immer automatisch auf die bestmögliche Ausbeute ein.

Anlagentechnisch ist wirtschaftlich vorteilhaft, dass lediglich ein einziges Spülsystem für einen weiten Leistungsbereich von Umkehrosmose-Anlagen benötigt wird, was die Kosten für Herstellung und Lagehaltung bei dem Hersteller der Umkehrosmose-Anlagen deutlich verringert. Zudem wird es für den Betreiber in wirtschaftlich vorteilhafter Weise möglich, deutlich bessere Ausbeutewerte zu erzielen als mit „starr" auf bestimmte Betriebsbedingungen eingestellte Anlagen.

Die Kosten einer vorschlagsgemäß selbstregelnden, automatisch die Spülvorgänge auslösenden Umkehrosmose-Anlage liegen dabei nach derzeitigen wirtschaftlichen Verhältnissen kaum höher als die einer handelsüblichen Umkehrosmose-Anlage mit einer handelsüblichen Spülautomatik und einem Leitwert-Komparator. Selbst bei einer Verzehnfachung der Membranleistung kann die Grundkonfiguration der Anlage unverändert bleiben, da eine automatische Anpassung an die jeweiligen Bedingungen erfolgt. Diese Verzehnfachung der Membranleistung kann beispielsweise ermöglicht werden, indem eine Gehäuse-Ausführung des Umkehr-Osmose-Moduls mit unterschiedlichen Membran-Einsätzen verwendet wird, also mit unterschiedlich großen wirksamen Membranflächen, was auch bei derzeitig handelsüblichen Umkehr-Osmose-Modulen möglich ist. Bei vorschlagsgemäß ausgestalteten Anlagen ist diese Änderung allerdings besonders einfach möglich, ohne jeweils eine Änderung oder Anpassung der gesamten Anlage vornehmen zu müssen.

Für den Hersteller ist vorteilhaft, dass beispielsweise nicht 20 oder mehr unterschiedliche Konzentratregler vorgehalten werden müssen, um die jeweils auszuliefernde Umkehrosmose-Anlage an die jeweilige örtliche Wasserqualität anzupassen, die beim Kunden vorgefunden wird.

Ein weiterer Vorteil der vorschlagsgemäßen Anlage besteht in der automatischen Anpassung der Anlage an unterschiedliche Rohwasserqualitäten und Rohwassertemperaturen.

Im Gegensatz zu einer auf die örtliche Wasserqualität hin konfektionierten, jedoch „starr" konfektionierten Anlage, bei der beispielsweise durch die Auswahl und Einstellung des jeweiligen Konzentratreglers eine derartige Anpassung vorgenommen worden ist, wird beim Betrieb einer vorschlagsgemäßen Anlage auch bei sich ändernden Rohwasserqualitäten automatisch eine Anpassung der Anlage erfolgen, indem je nach den jeweiligen Gegebenheiten jeweils rechtzeitig die Durchspülung des Umkehrosmosemoduls erfolgt, so dass jeweils der optimale Schnittpunkt zwischen möglichst hoher Ausbeute einerseits und möglichst hoher Permeat-Wasserqualität andererseits eingehalten wird.

Ausführungsbeispiele vorschlagsgemäßer Kleinmengen- Umkehrosmose-Anlagen werden anhand der rein schematischen Darstellungen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine einfache Anlage,

2 eine Anlage mit einer Konzentrat-Rückführung, und

3 eine Anlage mit einer Permeatpumpe.

In den Zeichnungen ist mit 1 ein Vorfilter bezeichnet, in den entsprechend der eingezeichneten Pfeilrichtung Rohwasser geführt wird, beispielsweise aus einem öffentlichen Trinkwasserversorgungsnetz. Das gefilterte Rohwasser gelangt zu einem Rohwasser-Magnetventil 2, zu einem Rohwassersensor 3 und von dort in ein Umkehrosmosemodul 4. Das Rohwasser-Magnetventil 2 wird bedarfsabhängig mittels einer elektronischen Anlagensteuerung automatisch geöffnet und wieder geschlossen.

Durch die Membran des Moduls 4 hindurchgetretenes Permeat gelangt zu einem Permeatsensor 5 und von dort zur weiteren Verwendung. Es kann direkt verwendet werden oder in einem Speicher zwischengelagert werden.

Am Umkehrosmosemodul 4 fällt zudem Konzentrat an, welches einem Konzentratsensor 6 passiert und zu einem Durchflussbegrenzer 7 gelangt, der auch als Druckhalteventil für das Umkehrosmosemodul 4 dient.

Eine Umgehungsleitung 8 führt das Konzentrat am Durchflussbegrenzer 7 vorbei zu einer Auslassleitung 9, sofern ein Spülwasser-Magnetventil 10 geöffnet ist. Grundsätzlich ist das Spülwasser-Magnetventil 10 geschlossen. Es wird automatisch durch die Anlagensteuerung geöffnet und geschlossen. Das geöffnete Magnetventil 10 ermöglicht den kurzfristigen Auslass größerer Konzentratmengen, so dass in einer Art Impulsspülung das Umkehrosmosemodul 4 insbesondere dessen Membran, gespült werden kann.

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Magnetventil 10 mit dem Durchflussbegrenzer 7 zusammengefasst sein, so dass der erforderliche Installationsaufwand verringert werden kann.

In 2 ist eine Anlage dargestellt, die grundsätzlich wie die Anlage von 1 aufgebaut ist, jedoch mit einer zusätzlichen Pumpe 11 zur Druckerhöhung ausgestattet ist. Diese Pumpe 11 erhöht den Druck im Umkehrosmosemodul 4 über den normalen Druck des öffentlichen Trinkwasserversorgungsnetzes hinaus. Hierdurch wird es möglich, über den Durchflussbegrenzer 7 das Konzentrat vor die Druckerhöhungspumpe 11 gegen den im Trinkwasserversorgungsnetz herrschenden Druck zurückzuführen. Im Umkehrosmosemodul 4 kann daher eine hohe Überströmung erzeugt werden, ohne einen dementsprechend hohen Verbrauch an Rohwasser, also ohne entsprechend hohe Wasserverluste an der Auslassleitung 9. Die Konzentratqualität lässt sich mittels des Konzentratsensors 6 erfassen, so dass bei entsprechenden Konzentratwerten durch Öffnung des Spülwassermagnetventils 10 ein Spülvorgang eingeleitet werden kann. Die für dieses in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendete Anlagensteuerung ist gegenüber der für das Ausführungsbeispiel der 1 verwendbaren Anlagensteuerung vorteilhaft derart erweitert, dass sie die Ansteuerung der Druckerhöhungspumpe 11 beinhaltet.

3 zeigt eine Anlage, wie sie grundsätzlich mit der Anlage von 1 vergleichbar ist. Das Permeat gelangt hinter dem Permatsensor 5 in eine Permeatpumpe 12. Von dieser wird das Permeat in einen Druckspeicher 13 gefördert. Wenn das Permeat verwendet wird, gelangt es durch einen Nachfilter 14, in welchem es nachbehandelt wird und anschließend aus einem Entnahmehahn 15 unter Druck entnommen werden kann.

Zum Antrieb der Permeatpumpe 12 wird die Energie, insbesondere der Druck, des Konzentrats genutzt: Eine Membran 16 trennt eine Konzentratkammer 17 innerhalb der Permeatpumpe 12 von einer Permeatkammer 18. Zur Ansteuerung der Permeatpumpe 12 dienen Steuerventile 19 und 20. Diese werden wechselseitig, nämlich positionsabhängig von der Stellung der Membran 16, gesteuert. Auf Seiten der Permeatkammer 18 dienen die Pumpenventile 21 und 22 als Rückschlagventile zur Förderung des Permeats in den Speichertank 13.

Das durch die Membran im Umkehrosmosemodul 4 getretene Permeat füllt die Permeatkammer 18 der Permeatpumpe 12, wobei das Permeat durch das Pumpenventil 22 in die Permeatkammer 18 gelangt. Die Membran 16 der Permeatpumpe 12 wird dabei nach links, also in die Konzentratkammer 17 hinein, ausgelenkt. Das Steuerventil 19 ist in dieser Phase geschlossen. Das Steuerventil 20 hingegen ist geöffnet, so dass die zunehmende Permeatmenge innerhalb der Permeatpumpe 12 das Konzentrat aus der Konzentratkammer 17 zur Auslassleitung 9 verdrängt.

Durch Umsteuern der Ventile 19 und 20 wird dieser Vorgang beendet, wenn die Membran 16 ihre vorgesehene nach links ausgelenkte Endstellung erreicht hat. Hierzu kann eine sensorische Verbindung zwischen den Ventilen 19 und 20 einerseits und der Membran 16 andererseits vorgesehen sein. Da das Ventil 20 nun geschlossen und somit die Verbindung zur Auslassleitung 9 unterbrochen ist, fließt Konzentrat über das offene Ventil 19 in die Konzentratkammer 17 der Permeatpumpe 12. Dabei wird die Membran 16 aus ihrer maximal nach links ausgelenkten Stellung nach rechts zurückgedrückt. Das in der Permeatkammer 18 angesammelte Permeat wird hierdurch über das Pumpenventil 21 aus der Permeatpumpe herausgedrängt und fließt in den Speichertank 13. Dieser Vorgang dauert solange, bis die Membran 16 bis in ihre nach rechts ausgelenkte Endstellung bewegt wurde und das Permeat aus der Permeatkammer größtenteils herausgefördert und in den Speichertank 13 gefördert ist. Anschließend, wenn die Ventile 19 und 20 erneut umgesteuert und der vorbeschriebene Füllvorgang der Permeatkammer 18, gleichzeitig die Leerung der Konzentratkammer 17, von vorn beginnt.

Die vorbeschriebenen Vorgänge können sich grundsätzlich solange wiederholen, bis der Druck im Speichertank 13 den Eingangsdruck der Wasserversorgung, also des öffentlichen Trinkwasserversorgungsnetzes, erreicht hat oder bis die Zufuhr zum Umkehrosmosemodul 4 über das Magnetventil 2 geschlossen wird. Das Magnetventil 2 kann beispielsweise über einen Druckschalter 23 angesteuert werden. Da die wirksame Oberfläche der Membran 16 zu den beiden Konzentrat- und Permeatkammern 17 und 18 gleich groß ist, wird die gleiche Menge Konzentrat abgegeben wie als Permeatmenge in den Speichertank 13 gefördert wird. Dieser Konzentratfluss ermöglicht es, die Konzentratqualität am Konzentratsensor 6 zu erfassen.