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Wasser effizient recyceln Mit Membrantechnologien gegen Wasserknappheit

| Autor / Redakteur: Andreas Hauser* / Dr. Ilka Ottleben

Membrantechnologien, wie sie bei Ultrafiltration oder Umkehrosmose zum Einsatz kommen, werden immer leistungsfähiger. Wasser lässt sich so zunehmend kostengünstiger und in höherer Qualität aufbereiten. Effizienz und Sicherheit hängen dabei maßgeblich von den eingesetzten Membranen ab.

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Abb. 3: Damit Wasser auf Dauer effizient und zuverlässig recycelt werden kann, müssen die Membrane in den Fokus von Planung, Betrieb und Management rücken.
Abb. 3: Damit Wasser auf Dauer effizient und zuverlässig recycelt werden kann, müssen die Membrane in den Fokus von Planung, Betrieb und Management rücken.
(Bild: TÜV Süd)

Wasserrecycling wird immer wichtiger, um Bevölkerung, Landwirtschaft und Industrie in vielen Regionen der Welt versorgen zu können. Im Jahr 2030 wird der globale Wasserbedarf die verfügbaren Ressourcen um 40 Prozent übersteigen. Erste Erfahrungen mit der Aufbereitung zeigen: Nach kurzer Zeit nimmt die Leistung einiger Anlagen ab. Qualität und Quantität des Permeats – des gefilterten Wassers – bleiben hinter den Erwartungen zurück. Um dennoch den gewünschten Output zu erhalten, müssen Energie- und Chemikalieneinsatz erhöht werden. Das hat nicht nur zur Folge, dass die Betriebskosten steigen. Auch müssen Komponenten häufiger ausgetauscht werden als geplant.

Membranzustand entscheidend für den Aufbereitungsprozess

Membrane haben sich in Aufbereitungsprozessen bewährt. Sie werden häufig in den letzten Behandlungsstufen eingesetzt, um die hohe Wasserqualität zu erreichen, die für die Wiederverwendung notwendig ist. Ihr Zustand ist dann maßgeblich für den effizienten und reibungslosen Betrieb und häufig auch der Grund für Leistungseinbußen: Membrane können beschädigt sein, etwa weil ungeeignete Reinigungschemikalien verwendet wurden. Häufig sind es auch organische Ablagerungen, das so genannte Biofouling, die die Performance der Membrane herabsetzen. Hinzu kommt, dass sich der Membranzustand in der Regel nur indirekt messen lässt und nicht im Betrieb begutachtet werden kann. Er ist daher selten verlässlich dokumentiert.

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Da der Aufbereitungsprozess mit den eingesetzten Membranen steht und fällt, ist in solchen Fällen eine ausgiebige Fehlersuche nötig. Eine physische Prüfung gibt Aufschluss darüber, ob Gehäuse, Dichtungselemente (z.B. O-Ringe) und Klebefugen intakt sind. Mit anspruchsvollen analytischen Verfahren lassen sich weitere Schwachstellen aufdecken. Dazu gehört beispielsweise:

  • Durchfluss- und Salzrückhaltung werden unter standardisierten Bedingungen gemessen. Die Ergebnisse bieten Hinweise auf Schäden durch Fouling, unsachgemäße Handhabung oder Chemikalien.
  • Bildgebende Verfahren wie Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie zeigen auf kleinster Ebene Veränderungen und Ablagerungen auf der Membranoberfläche.
  • Um zu verstehen, wie die Ablagerungen die Leistung der Membran beeinflussen, müssen sie genau charakterisiert werden. Mithilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie sind Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Verteilung möglich. Auch eine FTIR-Spektroskopie (FTIR = Fourier Transform Infrared), Veraschung oder Sekundärionen-Massenspektrometrie kann aufzeigen, welche Stoffgruppen darin enthalten sind.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bieten ein umfassendes Bild der Problem­ursachen. Sie können aber nicht nur genutzt werden, um die bestehenden Probleme zu beheben. Betreiber können und sollten die Erkenntnisse darüber hinaus auch verwenden, um den Aufbereitungsprozess zu optimieren und die Leistung der Anlage möglichst dauerhaft aufrecht zu erhalten. Maßnahmen, die dazu beitragen, betreffen beispielsweise die Konfiguration der Komponenten, Betriebs- und Wartungsabläufe oder Vorbehandlungsschritte und den Chemikalieneinsatz. Anpassungen helfen hier, Biofouling zu reduzieren und die Lebensdauer der Mem­branen zu verlängern. Das senkt auch die Kosten, die ungeplante Instandsetzungen oder Ausfälle verursachen.

Standards für den Überblick bei der Auswahl von Membranen

Damit Wasser auf Dauer effizient und zuverlässig recycelt werden kann, müssen die Membrane in den Fokus von Planung, Betrieb und Management rücken. Das beginnt bereits bei der Auswahl der richtigen Membrane. Je nach Einsatzzweck variieren auch die Anforderungen. Dabei sind viele Fragen zu klären: Wie sieht beispielsweise die Zusammensetzung der Abwässer aus? Wie konstant ist sie? Häufig entstehen Probleme, weil die Zusammensetzung sich stark von dem unterscheidet, wofür die Anlage geplant und ausgelegt worden ist. Welche Betriebsparameter (Temperatur, Druck) herrschen in der Anlage? Wie soll das recycelte Wasser genutzt werden? Welchen Qualitätsansprüchen muss es dafür genügen? Hierin zeigt sich schon, dass Wasserrecycling und -wiederverwendung komplexe Prozesse sind, die viel Erfahrung und Know-how erfordern.

Erschwerend kommt hinzu, dass der Markt für Membrane unübersichtlich ist. Weil etablierte Normen fehlen, sind die Produkte schwer vergleichbar. Zwar existieren informelle Industrienormen und Key Performance Indikatoren (KPI). Die zugehörigen Parameter werden aber häufig unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Darunter sind die Temperatur, der pH-Wert oder die Wasserzusammensetzung. Aber auch ob nur das Membran-Gewebe oder das gesamte Modul getestet wird, ist ein Faktor.

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