Membrantechnik Membranverfahren in der Wassertechnik – kleine Poren, große Wirkung

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Trotz überzeugender Ergebnisse brauchten Membranverfahren rund 20 Jahre bis zur breiteren Akzeptanz in der Wasserwirtschaft. Was waren wichtige Meilensteine?

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Multibore-Membran von Inge
Multibore-Membran von Inge
(Bild: Inge)

Membranverfahren ist die Sammelbezeichnung für Technologien zur Rückhaltung von Partikeln, Bakterien, Kolloiden, Salzen und chemischen Substanzen durch eine dünne Trennschicht mit oder ohne Poren, die sich je nach Membrantyp in die Kategorien Umkehrosmose (UO), Nanofiltration (NF), Ultra- und Mikrofiltration (UF bzw. MF) einteilen lassen.

Als entscheidender Durchbruch für UF/MF-Verfahren in der Praxis gelten die Pilotierungsversuche des IWW Zentrum Wasser im Wasserwerk Roetgen der WAG Nordeifel im Jahr 1995, die vom BMBF finanziell unterstützt wurden. Letztlich führten die Arbeiten zum Bau der auch 2015 noch immer weltweit größten zweistufigen UF/MF-Aufbereitungsanlage, die im November 2005 in Betrieb ging.

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Das Wasserwerk produziert aus einem hygienisch belasteten Talsperrenwasser täglich bis zu 144 000 m3 Trinkwasser, und das auch bei starken Regenereignissen. Die hohe Ressourceneffizienz der Technologie zeigt die durch die integrierte Spülwasseraufbereitung erreichbare Filtratausbeute von etwa 99,5 %. Zudem erfolgt die Membranspülung äußerst chemikalienarm und ohne Oxidantien. Mittlerweile sind in Deutschland mehrere hundert UF/MF-Anlagen in Betrieb, die überwiegend kleine und mittlere Kapazitäten aufweisen.

Erst durch die Entwicklung der industriellen Produktion von polymeren Porenmembranen als Kapillaren in den 1980er Jahren wurden die Verfahren der UF und MF technisch und wirtschaftlich interessant, so dass deren Einsatz auch in der Trinkwasser- und Abwasser­aufbereitung denkbar wurde. Diese Kapillarmembranen werden in Module eingebaut, die dann zu Anlagen fast beliebiger Größe kombinierbar sind. Dadurch entsteht eine modulare, flexible und Raum sparende Bauweise mit weitgehender Automatisierungsmöglichkeit.

Die UF/MF erlaubt eine sichere Rückhaltung von Partikeln und Krankheitserregern, was für die hygienische Trinkwassersicherheit und den Gesundheitsschutz elementar ist.

Ein wichtiger Durchbruch war die Entwicklung der „Vorflockung“ vor der Membran – hiermit konnten der Energieverbrauch deutlich gesenkt und die Reinigungszyklen verlängert werden.

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Praxisbeispiel: Kombinierte Ufer- und Ultrafiltrationsanlage

In Wakaf Bunut, Kelantan, steht Malaysias größte kommunale Trinkwassergewinnungsanlage, die auf einer Kombination aus Uferfiltration (river bank filtration) und Ultrafiltration (UF) basiert. Im März 2013 wurde die mit UF-Technologie von Inge ausgestattete Installation in Betrieb genommen und produziert seither täglich 14 Millionen Liter Trinkwasser für die Region Tok Bali.

Bei dieser kombinierten Form der Trinkwassergewinnung wird das Flusswasser zuerst durch die Sandschichten des Ufers vorgefiltert und direkt hinter den Uferregionen aus dem Erdreich abgepumpt, um es dann der UF zuzuführen. In dem folgenden Arbeitsschritt filtern die winzigen Poren der patentierten Multibore-Membran von Inge (nur 20 Nanometer groß) sämtliche Trübstoffe, Bakterien und selbst Viren aus dem Wasser heraus. Auch bei extrem schwankender Flusswasserqualität liefert die Ultrafiltration so zuverlässig immer gleichbleibend gutes Trinkwasser.

Nach bereits zwei Jahren Betriebszeit der Anlage bestätigt sich der Erfolg dieser Kombination aus Ufer- und Ultrafiltration. Die Vorfiltration durch die Sandschichten des Ufers reduziert den Trübstoffgehalt des Wassers um 20 bis 70 % (die Tageswerte schwanken erheblich aufgrund der Flusswasserqualität). Sie entlastet dadurch die nachgeschaltete Ultrafiltration. Einerseits ist so eine kosteneffiziente Auslegung der Anlage mit geringeren Investitionskosten möglich. Andererseits kann auf diese Weise auf eine chemische Vorbehandlung des Zufuhrwassers verzichtet werden. Trotz des reduzierten Chemikalienverbrauchs können die UF-Module bei einem deutlich höheren Flux und gleichzeitig weniger Reinigungsintervallen betrieben werden.

Die Qualität des UF-Filtrats wird regelmäßig kontrolliert und dokumentiert. Die Ergebnisse dieser Analysen dienen den lokalen Wasserbehörden als Basis zur Bewertung von Rentabilität und Nachhaltigkeit einer kombinierten Ufer- und Ultrafiltration. Nach Auswertung aller Kosten (Pumpen, Leitungen und Ventile etc. nicht mit eingerechnet) kostet 1 m3 Trinkwasser (bei lokalen Preisen für Strom, etc.) ca. 0,04 US-Dollar, was für Malaysia angesichts der exzellenten Wasserqualität als wettbewerbsfähiger Preis gewertet wird. Somit hat sich die Methode sowohl in technologischer als auch in finanzieller Hinsicht bewährt.

Schwerpunkte der Weiterentwicklung der Membrantechnologie sind die Optimierung von Hybrid-Membranprozessen (synergistische Verschaltung mit anderen Aufbereitungsprozessen) sowohl mit keramischen als auch mit polymeren Membranen. Anwendungsgebiete werden neben der Trinkwasseraufbereitung die weitergehende Aufbereitung kommunalen Abwassers zur Wasserwiederverwendung sowie die Nutzung sehr stark verschmutzter Wasser-Ressourcen sein (z.B. Produced Water oder eutrophe, stark algenhaltige Wässer).

Die Membrantechnik hat sich auch als eine Alternative bei der Abwasserreinigung angeboten und ist mittlerweile in zahlreichen Anwendungen etabliert. Dabei entfaltet die Membran ihre Stärken immer dann, wenn es um zusätzliche Reinigungsleistung geht: Rückhaltung von Krankheitserregern oder Mikroschadstoffen in Kombinationsverfahren.

Fazit: Das Beispiel Membrantechnik lehrt, dass eine allein technisch überzeugende Technologie nicht ausreicht, eine breite Anwendung zu finden. Die praktische Demonstration anhand von Großanlagen ist erforderlich, um Vorbehalte mit überzeugenden Betriebserfahrungen auszuräumen. Hier ist die Förderung von Demonstrationsanlagen die entscheidende Brücke – dies gilt sicherlich auch für andere Schlüsseltechnologien.

* Der Autor ist freier Mitarbeiter bei PROCESS.

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