Es gibt viele Faktoren für den Erfolg einer Wasseraufbereitungsanlage. Wie sie auf einander abgestimmt sind, ist am Ende entscheidend für die Minimierung desBetriebsaufwands und der -kosten. Hydrophile Membranen, die statisch im Dead-End-Betrieb von außen nach innen betrieben werden und alle möglichen Reinigungsmöglichkeiten zur Verfügung stellen, sind ein wichtiger Baustein.
Hohlfasermembranen sind sowohl in der industriellen Wasseraufbereitung als auch in der Aufbereitung von Trinkwasser fest etabliert und heute Stand der Technik. Ihre Zuverlässigkeit in Bezug auf die Abtrennung von Feststoffen und Bakterien auch bei schwankenden Rohwasserqualitäten ist einer der Gründe für ihren Siegeszug. Heutzutage gibt es Ultrafiltrationsanlagen mit Kapazitäten von 100 000 m3 pro Tag und mehr.
Bei der Aufbereitung von Wässern mit höherem Feststoffgehalt und Trübung erfordern jedoch die im Markt verfügbaren Hohlfasermembranmodule häufig eine erweiterte Vorbehandlung, um erfolgreich eingesetzt werden zu können. Dies reduziert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens besonders dann, wenn die höheren Feststoffkonzentrationen nur sporadisch auftreten. Das Design von Filtrationsanlagen und -modulen muss dies berücksichtigen. Dabei rücken die drei Bereiche Membraneigenschaften, Moduleigenschaften und Betriebsweise in den Vordergrund. Bei erfolgreichem Design können Hohlfasermodule, die eine höhere Toleranz gegenüber Feststoffen und Trübungen aufweisen, wirtschaftliche Vorteile bieten und auch neue Anwendungen erschließen.
Hydrophilie – das Maß der Dinge
Die im Markt verfügbaren Hohlfasermembranen basieren überwiegend auf Polyethersulfon (PES), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril (PAN) und Celluloseacetat (CA)/Cellulosetriacetat (CTA). Dabei verfügen PAN und CA/CTA über die für die Wasseraufbereitung vorteilhafte Eigenschaft der Hydrophilie und insbesondere Polyacrylnitril darüber hinaus über eine vergleichsweise hohe chemische und mechanische Stabilität.
Eine deutlich höhere Hydrophilie und damit verbundene Antifoulingeigenschaften bei Membranen führen zu einer reduzierten Belagsbildung beim Betrieb der Membrane durch hydrophobe Wasserinhaltsstoffe wie Huminstoffe, Algen etc. Durch die höhere Abstoßung von suspendierten Feststoffen aufgrund des negativeren Zetapotentials der PAN- und CA/CTA-Membranen wird auch die Belagsbildung durch diese Wasserinhaltsstoffe reduziert. Beides zusammen führt bei Membranen auf PAN- und CA/CTA-Basis im Betrieb zu höheren Flussleistungen und seltenerem und geringerem Reinigungsaufwand.
Dass die hydrophileren Membranpolymere dabei im Vergleich zu hydrophoberen Membranpolymeren, insbesondere gegenüber PVDF, geringere chemische Stabilitäten aufweisen, ist von untergeordneter Bedeutung, da die sich auf hydrophilen Membranen ausbildenden Foulingschichten mit deutlich geringeren Chemikalienkonzentrationen abgereinigt werden können. Darüber hinaus ist die Reinigungshäufigkeit gegenüber hydrophoben Membranen reduziert, was insgesamt in einer deutlich geringeren Chemikalienexpositionszeit resultiert. Die oftmals genannte höhere chemische Beständigkeit von PVDF ist nur im Zusammenhang mit der häufigeren und intensiveren Reinigung dieser hydrophoben Membranen von Bedeutung, da diese oftmals mit besonders hohen Konzentrationen gereinigt werden müssen.
Hydrophile Membranoberflächen sind für Wasser „attraktiv“, Foulingmaterial wird dagegen abgestoßen. Deshalb müssen genau diese Werkstoffe gewählt werden, um hohe Flussleistungen über lange Zeiträume zu erreichen.
Faktor Filtrationsrichtung
In der Membranfiltration wird zwischen der Dead-End-Filtration und der Crossflow-Filtration unterschieden. Bei der Crossflow-Filtration ist die Variante mit der besseren feedseitigen Überströmung zu bevorzugen. Dies führt dann zum Inside-Out-Betrieb. Bei der Ultrafiltration von Wasser ist die Verschmutzungsneigung an der Membran aber geringer als in vielen anderen Membrananwendungen. Deshalb wird statisch filtriert und damit ist die Betrachtungsweise eine andere. Hier ein kurzer Vergleich der beiden Filtrationsrichtungen. Bei der Inside-Out-Filtration wird das Rohwasser in der Hohlfaser von innen nach außen filtriert, d. h. das Rohwasser befindet sich in der Hohlfaser. Bei dem im Markt am häufigsten verwendeten Hohlfaserinnendurchmesser von 0,8 mm ergibt sich allein durch den Innendurchmesser eine Limitierung der Feststoffkonzentration im Rohwasser, um ein Verblocken der Hohlfasern zu verhindern, insbesondere dann, wenn die Membranmodule im Dead-End-Verfahren betrieben werden.
Die Tabelle zeigt die Feststoffkonzentration zweier Membranmodule mit vergleichbaren Hohlfasern im Outside-In- und Inside-Out-Betrieb (Dead-End). Durch die in der Tabelle durchgeführte Berechnung ist klar ersichtlich, dass das Risiko der Verblockung von Hohlfasern beim Inside-Out-Betrieb deutlich höher ist als beim Outside-In-Betrieb, selbst wenn man wie in diesem Falle schon einen mit 1,5 mm Innendurchmesser vergleichsweise großen Hohlfaserdurchmesser für den Inside-Out-Betrieb angenommen hat.
Reinigungsmöglichkeiten
Trotz der Auswahl des besten Membranwerkstoffes und gleichzeitiger Wahl der richtigen Filtrationsrichtung bleibt die Verschmutzung der Membran der limitierende Faktor für den Filtrationsprozess. Das Modul muss also so konzipiert werden, dass möglichst viele Reinigungsmöglichkeiten bestehen, die einen sicheren Feststoffaustrag gewährleisten. Generell stehen die folgenden Möglichkeiten zur Verfügung:
- Luftspülung – von unten ins Modul eingeblasene Luft trägt Schmutzpartikel mit dem Wasser zusammen oben aus dem Modul
- Wasserspülung – das Modul wird kurzzeitig im Crossflow betrieben, um Schmutz mit dem Wasser auszutragen
- Rückspülung – geringe Mengen Filtrat werden gegen die eigentliche Filtrationsrichtung durch die Membran gespült, um Schmutz von der Oberfläche abzulösen
- Chemisch unterstützte Rückspülung – während der Rückspülung hinzudosierte Chemikalien unterstützen die Rückspülung
- Chemische Reinigung – Das gesamte Modul wird mit einer Reinigungslösung befüllt, um auch hartnäckige Verschmutzungen zu entfernen
Je mehr Möglichkeiten das Modul bietet, umso besser kann der Filtrationsprozess auf die vorliegende Wasserqualität abgestimmt werden. Damit ist gewährleistet, dass die Anlage auch kosteneffizient betrieben werden kann.
Einsatz in der Getränkeindustrie
Ein Projekt von Microdyn-Nadir in der Getränkeindustrie umfasste eine Vielzahl an Herausforderungen. Die Hauptanforderung lag jedoch darin, ein kompaktes System anzubieten, das gegenüber dem Vorgänger deutlich weniger Raum erforderte. Darüber hinaus muss die neue Anlage in der Lage sein, Schwankungen in der Zusammensetzung des Zulaufwassers aufzufangen, um eine konstante Filtratqualität sicherzustellen. Das Rohwasser wird aus einem nahegelegenen Fluss gewonnen. Das Flusswasser enthält eine geringe Konzentration an Feststoffen und weist dementsprechend niedrige Trübungswerte auf. Jedoch ist der Chloridgehalt sehr hoch (Brackwasser). Um die erforderliche Wasserqualität zu erhalten, wurde in der Anlage der Ultrafiltrationsstufe eine Umkehrosmose nachgeschaltet.
Die Ultrafiltration filtriert die Feststoffe, Algen und Mikroorganismen ab und reduziert so die Trübung. Die nachgeschaltete Umkehrosmosestufe gewährleistet die Abtrennung gelöster Feststoffe, wie Chlorid, Natrium, Härtebildner und anderer Ionen. Die Vorbehandlung zur Ultrafiltration wird durch rückspülbare 200-μm-Spaltfilter erreicht.
Die Ingenieure von Microdyn-Nadir setzten bei diesem Projekt Aquadyn-Module ein, die im Outside-In-Mode betrieben werden. Die Module verfügen zudem über alle der oben genannten Möglichkeiten zur Reinigung. Neben den vergleichsweise geringen Kosten für den Bau der Anlage konnten damit auch die Betriebskosten deutlich reduziert werden.
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Werner Ruppricht
General Manager Global Applications,Microdyn-Nadir
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