Druckvolle Wasseraufbereitung

Bernd Eggert

Ob in der industriellen Prozesswasseraufbereitung, der Abwasserbehandlung oder der kommunalen Trinkwasserbereitstellung: Membrantechnologien gewinnen an Bedeutung, werden zunehmend gar zum Standard. Das liegt zum einen an den fallenden Kosten der Membranwerkstoffe, zum anderen aber auch an den immer kompakteren Anlagen. Betreiber schätzen die höhere Produktqualität und den umweltschonenden bzw. energetisch effizienteren Prozess. Dass Membrantechnologien in der Tat zu den Wachstumsfeldern zählen, lässt sich mit den bereits realisierten Projekten belegen:

Membranverfahren gehören heute zu den Schlüsseltechnologien. Sie weisen hohe Trennleistungen auf und können für ein breites Anwendungsspektrum eingesetzt werden. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren, bei denen häufig mehrere Prozessstufen für die Erzielung einer vergleichbaren Wasserqualität notwendig sind, kann dies in Membrananlagen meist mit einer einzigen Verfahrensstufe realisiert werden.

Die Mehrzahl der Membranverfahren nutzt als Triebkraft eine mehr oder weniger hohe Druckdifferenz. Es bedarf also des Einsatzes von Pumpen. Grundfos begleitet die Entwicklungen der Membrantechnik im Bereich der Wasseraufbereitung seit Jahren aktiv und offeriert die jeweils passenden Pumpen und Systeme für einen wirtschaftlichen Betrieb.

Eine probate Lösung für Filtrationsaufgaben beispielsweise sind fast immer drehzahlgeregelte Pumpen – sie halten nicht nur die Filtrationsgeschwindigkeit absolut konstant, sondern erfassen auch die Druckdifferenz bei zunehmendem, durch Blockung verursachten Filterwiderstand und sorgen für einen gleichbleibenden Volumenstrom. Für das Trennen von Lösungen im Molekularbereich offeriert Grundfos Lösungen für die unterschiedlichen Druckniveaus. Während Mikro- und Ultrafiltrationsanlagen Drücke bis 4 bzw. 15 bar voraussetzen, gilt es bei der Nanofiltration und Umkehrosmose Drücke von 40 bis 70 bar zu erzeugen – je nach Art der gelösten Stoffe und des für deren Filtration erforderlichen osmotischen Drucks. Die Pumpen müssen zudem – beispielsweise für Permeat und Konzentrat – in unterschiedlichen Werkstoffvarianten verfügbar sein.

Eine Voraussetzung für Pumpen für die Membranfiltration ist Korrosionsbeständigkeit. Grauguss kommt nicht als Werkstoff infrage. Selbst Bronze kann eine zweifelhafte Wahl sein. Der Gehalt an Chlorid im Wasser ist dafür nicht der einzige bestimmende Faktor. Ebenso entscheidend ist der Umstand, dass bei Cleaning-in-Place-Systemen (CIP) verschiedene Säuren, z. B. zur Reinigung des Filters, verwendet werden. Aus diesem Grund müssen die Pumpen entweder aus Verbundwerkstoffen oder aus Edelstahl sein. Als Pumpenmaterial für stark chloridhaltige Medien wird rostfreier Stahl (1.4539) verwendet, aber auch Aluminiumbronze, Nickellegierungen, wie Hastelloy und Titan eignen sich für solche Medien. Für Umkehrosmose-Anlagen für Seewasser mit einem Förderdruck über 40 bar stehen spezielle Booster-Pumpen zur Verfügung.

Ein weiteres Einsatzgebiet im Bereich der Wasseraufbereitung sind Ionenaustauscher. Über welche Förderhöhe und -ströme die Pumpen für Entsalzungs- und Enthärtungsanlagen verfügen, hängt von Größe und Aufbau der jeweiligen Ionenaustauscher ab. Handelt es sich um industriell genutzte, kontinuierlich betriebene Anlagen, muss deren Durchsatzmenge meistens auch nachfolgenden Prozessen angepasst sein. Besonders geeignet sind auch hier Pumpen mit drehzahlregelbarem Antrieb. Bei einigen Systemen empfiehlt es sich, nach dem Ionenaustauscher eine zweite Pumpe (Reinwasserpumpe) zu installieren. Für die Zuführung von Regenerationsflüssigkeit kommen mehrere Ausführungen infrage: Pumpen aus Edelstahl oder Titan (Baureihe CR/CRT), wenn die Flüssigkeit keine Säure enthält, oder Verbundmaterial.

Flüssige Zusatzstoffe, die der Verfahrensbeschleunigung bzw. der Verbesserung der Wasserqualität dienen, werden meist in kleinsten Mengen zugeführt. Daraus leiten sich die Anforderungen an die Dosierpumpe ab: hochpräzise und einfach in der Einstellung. Vielfach müssen sie auch zur Überwachung in übergeordnete Prozessleitsysteme eingebunden werden.

Für das Dosieren von Additiven sind die Dosierpumpen der Baureihe DME ausgelegt. Ihre Dosiergenauigkeit ist auch bei kleinen Dosiervolumina hoch, das Handling einfach und die Anbindung per Bus-Kommunikation an die zentrale Leittechnik problemlos.

Grundfos offeriert Aggregate mit einer Dosierleistung zwischen Kleinstmengen von 0,0025 bis zu 940 l/h. Für diese Leistungsbandbreite sind nur vier Baugruppen mit insgesamt neun Pumpengrößen erforderlich. Während die kleineren Dosierpumpen mit Schrittmotoren bestückt werden, sind in den großen Varianten aufgrund der erforderlichen Motorleistung bürstenlose Gleichstrommotoren installiert. Solche DC-Motoren ermöglichen weite Drehzahlspreizungen. Somit ist auch bei den großen Dosierpumpen ein breiter Verstellbereich von 1:800 verfügbar; bei den Baugruppen mit Schrittmotor liegt der Verstellbereich sogar bei 1:1000. Allen DME-Dosierpumpen gemeinsam ist die konstant hohe Dosiergenauigkeit von +/-1 %.

Bei fast allen hydraulischen Anlagen ergibt sich die Notwendigkeit, den Betriebspunkt an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Grundsätzlich kann das auf vier verschiedene Arten erfolgen, durch Drosselregelung, Bypassregelung, Änderung des Laufraddurchmessers und durch Drehzahlregelung. Die ersten beiden Methoden verändern die Anlagenkennlinie, die Methoden 3 und 4 bewirken eine Verschiebung der Pumpenkennlinie.

Drossel- und Bypassregelung sind unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz äußerst fragwürdig, sollten bei der Planung von Neuanlagen gar nicht erst erwogen werden. Das Abdrehen des Laufrades ist natürlich unwiderruflich und wird nur angewendet, wenn der Betriebspunkt genau auf eine unveränderliche Anlagenkennlinie eingestellt werden soll. Bleibt als State-of-the-Art-Lösung die Drehzahlregelung. Denn wählt man eine Pumpe, die selbsttätig mit angepasster Drehzahl läuft, sinkt der Verbrauch erheblich. Das ist physikalisch schnell erklärt: Da der Energieverbrauch einer Kreiselpumpe nach dem Affinitätsgesetz mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt, machen sich schon kleine Unterschiede deutlich bemerkbar. Durch eine automatische Anpassung der Pumpenleistung an den veränderlichen Förderbedarf in der Anlage und mithilfe einer effizienten Motortechnik lassen sich leicht bis zu 40 % der Antriebsenergie gegenüber einer konventionell betriebenen Pumpe einsparen.

Grundfos kann praktisch alle in der Wasseraufbereitung relevanten Pumpen mit drehzahlregelbaren Hocheffizienz-Motoren ausrüsten. Durch die Verwendung von Drehstrommotoren der Klasse EFF1 und aufgrund der hohen hydraulischen Wirkungsgrade reduzieren diese Pumpen deutlich die Betriebskosten: Da in der Regel 85 % der Life Cycle-Kosten Betriebskosten sind, amortisieren sich drehzahlgeregelte Pumpen schnell in einem Zeitraum von 10 bis 20 Monaten.

Hannover Messe: Halle 26, Stand B14

Achema: Halle 8.0, Stand B25-C32

Online-Info www.cav.de/0409464

Schon 2010 sollen Membranfilter einen Umsatz von 3 Milliarden US-Dollar erwirtschaften1. Die Mikrofiltration ist mit einem Umsatz von 792 Mio. US-Dollar in 2005 und einem erwarteten Umsatz von 1,2 Milliarden US-Dollar in 2010 bei einem jährlichen Wachstum von 10,3 % marktführend. Auch für die Umkehrosmose wird ein deutliches Wachstum von 10,3 % prognostiziert2. Fallende Produktionskosten (seit 1990 sind z. B. die Kosten für Mikrofiltrationsmembranen um 80 % gesunken) und eine steigende Nachfrage, besonders von Seiten der Industrie, begünstigen diese Entwicklung3.

Die Hochdruckpumpen der Baureihe BM/BME/BMET/BMEX kommen besonders in der Umkehrosmose zum Einsatz. Die in Druckmänteln aus Chromnickelstahl untergebrachten schlanken Unterwasserpumpen erzeugen Drücke bis zu 80 bar. Während die Ausführungen der Bauart BMET über eine Pelton-Turbine zur Energierückgewinnung verfügen, nutzt die Modellreihe BMEX die Restenergie des Konzentrats über einen Druck- austauscher.

Solche Aggregate setzt unter anderem die Firma Haase Energietechnik aus Neumünster ein. Mittels Membrantechniken und biologischer Verfahren reinigt der Spezialanlagenbauer hauptsächlich hoch belastete Deponiesickerwässer und Abwässer aus Biogasanlagen – bis zur Direkteinleiter-Qualität. Eine Besonderheit von Haase ist, dass das Unternehmen in den meisten Fällen die komplette Technik in kompakten Containern liefert. Hier bewähren sich die BM-Module. Ohne diese schlanken Aggregate könnte der Anlagenbauer seine Technik nicht entsprechend raumsparend in Container einbauen.