Umkehrosmose mit System

Dipl.-Ing. Rolf Nagel, Dipl.-Betriebswirt Eckhard Rau

Aus der Novalis-Produktlinie stehen je nach den technischen und kommerziellen Anforderungen derzeit vier Konzepte zur Verfügung:

• die Basisausführung Novalis für Anwendungen im Leistungsbereich von 80 l/h bis zu 24 m³/h (höhere Leistungen auf Anfrage),

• Novalis Eco, die die Energiekosten nochmals um bis zu 50% reduziert,

• Novalis-SB-Plus-Anlagen, die eine noch höhere Wasserausbeute ermöglichen und

• Novalis Ultraclean, ein Reinstwasserkonzept für die hohen Anforderungen der Pharmazie, Biotechnologie, etc.

In der Novalis-Produktlinie werden hochwertige Komponenten eingesetzt; eine leistungsfähige Steuerung sorgt für den vollautomatischen Anlagenbetrieb.

Das Novalis-Konzept nutzt konsequent die Eigenschaften einer speziellen Membran aus. Dabei wird im Gegensatz zu konventionellen Umkehrosmoseanlagen ein optimaler Betriebspunkt in bezug auf die Reinwasserausbeute und den Energieeinsatz eingestellt. Ergebnis ist ein um über 40% reduzierter Energiebedarf. Neben der Reduzierung der Energiekosten zeichnet sich die Novalis durch eine hohe Betriebssicherheit und lange Membranstandzeiten aus, da im optimalen Betriebspunkt eine für die Membrane geringe Gefahr bzgl. Fouling bzw. Scaling besteht.

Industrielle Anforderungen an Reinwasser beschränken sich häufig auf den Summenparameter der Salzrückhaltung, vorgegeben in der Limitierung der Leitfähigkeit in µS/cm (Tabelle). In Abbildung 1 sind die Betriebsergebnisse der Novalis-Anlagen grafisch aufbereitet. Bei einer Leitfähigkeit des Rohwassers zwischen 300 µS/cm bis zu 1300 µS/cm liegt die Salzrückhaltung zwischen 98,20 und 99,25%. Die Reinwasserqualität der Novalis ermöglicht somit den direkten Einsatz bei geforderten Wasserqualitäten von 5 bis 25 µS/cm.

Bei Rohwässern mit extrem hoher Salzbelastung können durch den Einsatz von High-Reject-Modulen adäquate Werte erreicht werden. Sofern die spezifischen Anforderungen höher liegen, wie beispielsweise für Kesselspeisewasser oder in der Elektronikfertigung, erfolgt durch die Novalis eine Hauptentsalzung vor den nachgeschalteten Feinentsalzungsstufen, die mit Mischbettaustauschern oder dem chemikalienfreien elektrochemischen CleanCell©-Verfahren erfolgen kann.

Die Novalis hat zwar bereits in der Basiskonzeption einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad, bietet jedoch darüber hinaus weitere Möglichkeiten zur Energieeinsparung (Abb. 2). Folgende Faktoren beeinflussen den Energiebedarf unmittelbar:

• der Rohwasservordruck, der üblicherweise auf einen festen Wert gedrosselt wird,

• membranspezifische Toleranzen und Auslegungsreserven, die im Betrieb einen geringeren Druck erfordern sowie

• höhere Rohwassertemperaturen, aus denen gleichermaßen geringere Betriebsdrücke resultieren.

Diese Faktoren werden üblicherweise durch die Einstellung des erforderlichen Betriebsdruckes nach der Pumpe berücksichtigt, der überschüssige Druck wird gedrosselt und Energie somit ungenutzt vernichtet. Beim Novalis-Eco-Konzept werden die Einflußgrößen projektbezogen durch ein Rechnerprogramm auf das Amortisationspotential analysiert. Die Novalis Eco nützt die Systemreserven aus, indem die Pumpe auf die notwendige Leistung bzw. den erforderlichen Druck gedrosselt wird. Bei veränderten Betriebsparametern kann eine einfache manuelle oder automatische Anpassung an die neuen Rahmenbedingungen erfolgen. Die Mehrinvestition für die Novalis Eco amortisiert sich nach etwa ein bis drei Jahren.

Bei allen Membranverfahren erfolgt die Auftrennung von Wasser in einen Reinwasserstrom (Permeat) und den Restwasserstrom (Konzentrat). Das Verhältnis des Permeatstrom zum eingespeisten Rohwasserstrom wird als WCF (Water Conversion Factor) bezeichnet und wird wie folgt berechnet :

WCF = Permeatstrom x 100[%]

Rohwasserstrom

Ein hoher WCF reduziert den Abwasseranfall und die damit verbundenen Kosten. Darüber hinaus wird auch eine kleinere Vorbehandlungsanlage benötigt und der Einsatz von Chemikalien in der Vorbehandlung reduziert.

Üblicherweise liegt der WCF zwischen 50 und 75%. Limitierende Faktoren für die Erhöhung der Reinwasserausbeute sind die Fouling-und Scalingeigenschaften des Rohwassers. Beim Fouling verursachen Wasserinhaltsstoffe, beispielsweise organischer Natur, Membranbeläge, die den Strömungswiderstand der Membran derart erhöhen, daß eine Membranreinigung bzw. ein Membranaustausch erforderlich wird. Ausfällungen von Salzen durch Überschreiten der Löslichkeitsgrenze auf der Konzentratseite werden als Scaling bezeichnet. Um diese unerwünschten Erscheinungen zu verhindern, werden die Anlagen häufig mit einer Vorbehandlungsstufe betrieben. Somit kann ein WCF von 75% erreicht werden.

Novalis-Anlagen erreichen in ihrer Basisausführung bei einer Reinwasserleistung von 80 l/h bis zu 3,4 m³/h eine Reinwasserausbeute von 75%. Alle größeren Anlagen erreichen standardmäßig eine Ausbeute von 80%. Auf der Grundlage von Langzeitbetriebserfahrungen mit Anlagen größerer Leistung wurde das Novalis-SB-Plus-Konzept geschaffen. Damit können WCF-Faktoren deutlich über 85% erreicht werden. Die Steigerung der Wasserausbeute wird durch Installation einer Aufkonzentrierungsstufe erreicht. In zyklischen Abständen erfolgt ohne jeglichen Einsatz von Chemikalien eine automatische Selbstreinigung der Membranen, währenddessen die Versorgung mit Reinwasser aufrecht erhalten bleibt. Dieser intensive, nur einen äußerst kurzen Zeitraum benötigende Reinigungsprozeß beseitigt Ausfällungen und Ablagerungen. Damit kann ein WCF von 85% bis zu 90% unter Beibehaltung einer hohen Betriebssicherheit erreicht werden.

Da weder eine zusätzliche Pumpe noch die Installation von Behältern erforderlich ist, läßt sich die Grundausführung mit relativ geringem Aufwand zur Novalis SB Plus aufrüsten. Die Amortisationsdauer beträgt üblicherweise ein bis höchstens zwei Jahre. In Verbindung mit den Enthärtungsanlagen EcoSoft, die sich durch einen reduzierten Regeneriersalzverbrauch auszeichnen, läßt sich auch der Salzverbrauch nochmals senken.

Wie bereits erwähnt, werden beim Einsatz der Membrantechnik zur Wasseraufbereitung alle Rohwasserinhaltsstoffe analog dem WCF aufkonzentriert. Zu diesen Rohwasserinhaltsstoffen zählen im wesentlichen die Verbindungen der Erdalkalimetalle, wie Calziumkarbonat, Calziumsulfat, Barium- und Strontiumsulfat etc. Je nach Zusammensetzung des Rohwassers und der Konzentration dieser Inhaltsstoffe steigt das Scaling-Potential in Abhängigkeit vom WCF.

Bekannte Methoden, um die Ausfällungen auf der Membran zu beherrschen, sind zum einen die Entfernung des störenden Calziums aus dem Rohwasser durch Ionenaustausch oder zum anderen die Stabilisierung der schwerlöslichen Substanzen über ihre Löslichkeitsgrenze hinaus. EcoSoft verwendet ein spezielles Ionenaustauschermaterial, das sich durch eine hohe Austauschgeschwindigkeit auszeichnet. In Verbindung mit einer speziellen Regeneriertechnik und einer definierten Resthärteüberwachung wird eine vollständige Enthärtung unter weitgehender Ausnutzung des Regeneriermittels erzielt. Ergebnis ist eine hohe Betriebssicherheit in Verbindung mit geringen Betriebskosten (Abb. 3) und einer geringeren Salzbelastung des Vorfluters.

Die Stabilisierung von schwerlöslichen Substanzen im Rohwasser kann durch die Dosierung von Chemikalien erfolgen, die die Kristallbildung verhindern oder verzögern. Bekannte Chemikalien mit diesen Eigenschaften sind Abkömmlinge der Polyphosphate, der Polyacrylate und der Phosphonate. Die Wirkung dieser Chemikalien ist begrenzt, so daß die möglichen Aufkonzentrierungsraten in Abhängigkeit von der Rohwasserzusammensetzung ermittelt werden müssen. Zu vermeiden sind unerwünschte Nebenreaktionen der Chemikalien, die je nach Einsatzbedingungen auftreten können. Ebenso sind die ökologischen Gesichtspunkte und die Trinkwassergesetzgebung zu beachten.

Ein positiver Nebeneffekt der Rohwasserenthärtung ist, daß bei ausschließlicher Anwesenheit von Natriumverbindungen kolloidale Rohwasserinhaltsstoffe stabilisiert und das Potential für kolloidales Membranfouling deutlich reduziert wird.

In vielen Anwendungsbereichen werden Leitfähigkeitswerte von deutlich unter 3 bis 5 µS/cm gefordert. Zudem wird der Einsatz von chemikalienfreien Technologien der Wasseraufbereitung verlangt.

Mit dem in der USP XXIII für Pharma-Reinstwasser geforderten Leitfähigkeitswert von 1,3 µS/cm sind auch mehrstufige Umkehrosmosesysteme an den Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit. Durch den Einsatz spezieller Membranen, insbesondere im höheren Druckbereich und Maßnahmen zur Reduzierung des Kohlendioxidgehaltes, läßt sich dieser Wert jedoch erreichen. Gleichermaßen werden die Forderungen nach Systemen mit geringeren Investitions- und Betriebskosten auch in der Pharmazie und Bereichen mit ähnlichen Reinwasserspezifikationen immer größer, speziell auch für Anlagen mit kleineren Leistungen. Hierfür ist das Reinstwasserkonzept Novalis UltraClean konzipiert, das zur Erzielung von Leitfähigkeiten von 1 bis 3 µS/cm eingesetzt wird. Die optimale Reinigungsleistung der Novalis UltraClean liegt bei einem pH-Wert von 7 bis 8, der bei normalen Rohwasserzusammensetzungen in der ersten Stufe sichergestellt ist. Dort erfolgt jedoch eine Verschiebung in den sauren Bereich insbesondere durch die noch enthaltene Kohlensäure. Herkömmliche Systeme stellen den optimalen pH-Wert durch die Zugabe von Lauge ein, wodurch die Kohlensäure in Hydrogenkarbonat umgewandelt wird, das in der zweiten Stufe zurückgehalten wird. Bei höheren Mengen von gelöstem Kohlendioxid erfordert dies jedoch den Einsatz von relativ großen Mengen an Lauge und bewirkt eine Aufsalzung.

Durch die Installation der zusätzlichen Behandlungsstufe Lowcon wird Kohlendioxid auf chemikalienfreiem Weg abgetrennt, und die Einstellung des optimalen pH-Wertes erfolgt ohne eine zusätzliche Aufsalzung. Dies bewirkt, daß mit der Novalis UltraClean Plus ein Reinstwasser erzeugt werden kann, das die Anforderungen der USP XXIII erfüllt.

Im Gegensatz zu gängigen Systemen mit Laugendosierung wird sogar das häufig nicht beachtete Untersagen der Chemikalienzugabe in der USP XXIII voll erfüllt. Positive Nebeneffekte sind die Umweltfreundlichkeit des Gesamtsystems und der extrem niedrige Bedienungsaufwand.

Weitere Informationen cav-263