Abwasseraufbereitung Weniger organisches Fouling bei der Umkehrosmose durch optimierte Feedspacer

Gereinigtes Wasser wiederverwenden statt in Flüsse einzuleiten, das ist das erklärte Ziel des Forschungsprojektes Multi-Reuse. Dafür nutzen die Forscher Aufbereitungsverfahren wie die Umkehrosmose. Herausforderung dabei ist Biofouling. Mit dem Industriepartner Lanxess suchen die Forscher nach Möglichkeiten zur Optimierung.

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Was wäre, wenn man aufbereitetes Abwasser nicht mehr in Flüsse leiten, sondern direkt nutzen könnte – etwa Kühl- oder Kesselspeisewasser. Wertvolles Trinkwasser würde nicht mehr in industriellen Prozessen eingesetzt werden müssen. Das Forschungsprojekt Multi-Reuse hat sich die Entwicklung optimierter Aufbereitungsverfahren zum Ziel gesetzt. Dabei nutzen die Forscher eine Kombination verschiedener Aufbereitungstechniken. Umkehrosmose (UO) ist beispielsweise eine Möglichkeit, kritische Spurenstoffe sicher aus Abwasser oder Trinkwasser zu entfernen [1]. Allerdings stellen beim Einsatz der UO-Filtration das Biofouling und das organische Fouling in den Wickelelementen eine Hürde dar. Selbst nach einer Ultrafiltration als Barriere können sich Bakterien im Permeat ansiedeln. Dies liegt nicht unbedingt an der Integrität des UF-Moduls, sondern daran, dass das System nicht hermetisch abgeschottet ist. So können Bakterien über die Luft in den Tank gelangen und sich dann dort häufig exponentiell vermehren, da die im Abwasser ausreichend vorhandenen organischen Substanzen in das UF-Permeat gelangen und dort als Nährstoffe dienen. Also lag es nahe, dass die Forscher im Rahmen dieses Projektes nach Möglichkeiten suchten, wie das Fouling reduziert und somit der UO-Prozess insgesamt stabilisiert werden kann.

Reduzierung des Biofoulings durch Feedspacer

Die eleganteste Methode das Biofouling zu reduzieren, besteht darin, die Ansiedlung von Bakterien im Wickelmodul zu verhindern, indem Räume mit langsamer Überströmung minimiert werden. Dazu wurde ein neuer Feedspacer im direkten Vergleich mit einem Standardspacer getestet. Der Feedspacer ist ein entscheidender Bestandteil eines Wickelelements, da er die Höhe des Feedkanals und die Strömung beeinflusst.

Der neue Feedspacer hat im Vergleich zu dem Standardspacer unterschiedliche Faden- bzw. Filamenthöhen. Dicke und dünne Filamente wechseln sich ab. So kann die Feedkanalhöhe definiert werden und gleichzeitig lassen sich mit dünneren Filamenten ausreichend starke Turbulenzen generieren, um die Konzentrationspolarisation auf der Membranoberfläche zu reduzieren. Simulationen zeigen, dass dies zu weniger Bereichen mit geringer Überströmung führt.

Untersuchungen an der Universität Delft bestätigen, dass dies einen Einfluss auf das Biofouling hat. So wurden Testzellen mit unterschiedlichen Spacern bestückt und überströmt. Dabei wurden im Tank Bakterien angesetzt und deren Wachstum gefördert [2]. Der Versuch zeigte, dass der Druckverlust entlang des Feedspacers kontinuierlich anstieg. Nach 90 Tagen war der Druckverlust durch biologische Verblockung beim Standardspacer um 54 % gestiegen, während dieser beim Spacer mit alternierenden Filamenten (ASD, Alternating Strand Design) nur um 30 % anstieg. Wenn man berücksichtigt, dass eine Anlage gereinigt wird, wenn der Druckanstieg etwa 15 % erreicht hat, musste der Standardspacer nach zirka 45 Tagen und der ASD-Spacer erst nach 65 Tagen gereinigt werden. Dies hat natürlich einen Einfluss auf Chemikalienverbrauch und Stillstandzeiten. Um dieses Ergebnis unter realen Testbedingungen zu validieren, wurden im Rahmen des Projekts parallel zwei 4-Zoll-Druckrohre mit UO-Filterelementen bestückt, in denen ein Standardspacer bzw. der ASD-Spacer verbaut wurden.

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Die Piloteinheit in Nordenham besteht aus zwei separaten Linien, um verschiedene Prozessbedingungen vergleichen zu können. Als Vorbehandlung wird nach der Biologie eine Fällung bzw. Flockung und anschließend eine Ultrafiltration (UF) eingesetzt. Während die Aufgabe der UF die Entfernung von Partikeln ist, werden mit der Umkehrosmose Salze und Mikroverunreinigungen entfernt. Zusätzlich sollte ein stabiler und energieeffizienter Prozess implementiert werden. Jede UO-Linie hat ein 4-Zoll-Druckrohr mit drei installierten Elementen. Im Druckrohr UO1 ist der Element-Typ Lewabrane B085 ULP 4040 (ULP = Ultra Low Pressure) und im Druckrohr UO2 eine Sonderanfertigung Lewabrane B085 ULP 4040 mit ASD installiert.

Ergebnisse aus der Piloteinheit in Nordenham

Während der fast 200 Versuchstage wurden die Elemente unterschiedlichen Temperaturen und Wasserqualitäten ausgesetzt. Während des angezeigten Zeitraums wurden am Tag 83 und 147 eine Reinigung an beiden Straßen durchgeführt. Die mit ASD-Elementen bestückte Linie zeigte während des gesamten Versuchszeitraums einen geringeren Druckverlust.

Nach Ablauf der Versuchsperiode wurden die Elemente deinstalliert und geöffnet, um die Art und Stärke des Foulings festzustellen. Hierbei wurde deutlich, dass das Fouling in den Elementen mit dem ASD-Spacer deutlich geringer ausfiel, als beim Standardspacer.

Zusätzlich wurde die Masse an Fouling ermittelt. Es zeigte sich, dass das ASD-Element 40 % weniger Fouling aufwies. Die Veraschung des Foulings zeigte, dass der vorwiegende Anteil des Foulings mit einem Ascheanteil von 20 bis 30 % organischer Natur war. Die Untersuchung betraf vorwiegend das erste Element im Druckrohr. Im ersten Element ist das organische Fouling deutlich stärker, als das anorganische. Das anorganische Fouling wird vorwiegend im letzten Element deutlich, da dort die Salzkonzentration deutlich höher ist, und es zu Ausfällungen kommt. Diese anorganischen Ausfällungen können nicht durch einen Spacer verhindert werden.

Umkehrosmose ist eine sichere Technologie, um Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen. Hürden für den breiten Einsatz in Wasserwerken sind der Energie- und Chemikalienbedarf. Obwohl der Energiebedarf durch verbesserte Membrane in den letzten Jahren deutlich gesenkt werden konnte und sich der Einsatz von Bioziden und Reinigungschemikalien erheblich reduzieren ließe, ist der Durchbruch noch nicht erfolgt. Zwar arbeitet Lanxess im Rahmen eines weiteren Forschungsprojektes an Verbesserungen des Spacers durch eine Oberflächenmodifizierung, aber letztlich wird sich wahrscheinlich nur ein Gesamtkonzept mit unterschiedlichen Technologien, wie z.B. Adsorberharze durchsetzen um das organische Fouling auf der Membran besser kontrollieren zu können.

* Der Autor ist Leiter Technical Marketing Membrane im Geschäftsbereich Liquid Purification Technologies von Lanxess.

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