Die Vorbehandlung von Rohwasser zur Umkehrosmose Teil 3

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Schwerpunktthemen
der Trommel, weiterhin ein neuer Antrieb
SummationDrive, sowie Energy Jets oder
optimiertes Anfahren des Dekanters. In
Summe konnten die Energiebedarfe
wesentlich reduziert werden. Anhand
eines Beispieles wird gezeigt, dass der
spezifische Energieverbrauch eines Dekanters auf 0,63 kWh/m3 gesenkt werden
konnte.
Formelzeichen:
a
A
cf
=
=
=
c
=
D
H
k
=
=
=
m·
M
=
=
spezifische Arbeit
Oberfläche
Reibungsbeiwert Luft zu drehender
Trommel
Strömungsgeschwindigkeit im
Absolutsystem
Durchmesser
Teichtiefe
Konstante zur Anpassung
Trommeloberfläche
Massenstrom
Drehmoment
n
P
Q
L
s
u
v
w
=
=
=
=
=
=
=
=
ω
ρ
τ
=
=
=
Drehzahl
Leistung
Volumenstrom
Länge
Schlupf
Umfangsgeschwindigkeit
Geschwindigkeit
Strömungsgeschwindigkeit im
Relativsystem der Trommel
Drehfrequenz
Dichte Fluid
Schubspannung rotierende Strömung
zu Oberfläche Dekanter
Die Vorbehandlung von Rohwasser
zur Umkehrosmose
Teil 3: Verfahren zur chemischen und
physikalischen Vorbehandlung
K. Gebhard, K. Nikolaus, S. Ripperger*
Die Umkehrosmose ist heute das bevorzugte Verfahren zur Trinkwassergewinnung aus Brack- und Meerwasser. In vielen
Ländern der Erde werden solche Anlagen betrieben und ihre Zahl wird weiter steigen. Im ersten Teil dieser Serie /1/
wurde beschrieben, dass störende Wasserinhaltsstoffe im Zulauf einer Umkehrosmoseanlage ein Scaling oder Fouling
verursachen können und den Betreib und die Wirtschaftlichkeit einer Anlage entscheidend beeinflussen. Daher ist eine
Aufarbeitung der Zulaufs (ein Pretreatment) von entscheidender Bedeutung. Im zweiten Teil /2/ wurden verschiedene
Systeme zur Wasserentnahme vorgestellt, die teilweise bereits mit einer Filtration des Wassers und damit einem Pretreatment verbunden sind. In vorliegenden dritten Teil der Serie werden die eigentlichen chemischen und physikalischen
Verfahren zur Wasservorbehandlung beschrieben.
1. Einleitung
Im Teil 1 der Beitragsserie /1/ wurden
die störende Substanzen in den Rohwässern zur Umkehrosmose und ihre
negative Wirkung näher beschrieben. Im
Teil 2 /2/ wurden typische Anforderungen,
die an die Aufarbeitung des Rohwassers
gestellt werden, behandelt. Dabei wurde
auch erwähnt, dass die Anforderungen
vom Membranmaterial und der Modulkonstruktion beeinflusst werden. Trotz
einer Filtration des Rohwassers in natürlichen Bodenschichten oder künstlichen
Sandbetten bei der Wasserentnahme, ist
eine weitere Aufarbeitung meist notwendig. Dabei müssen standortspezifische
Gegebenheiten, die insbesondere die Rohwasserinhaltsstoffe betreffen, berücksichtigt werden. Die darauf abgestimmten Verfahren der Rohwasservorbehandlung beeinflussen wiederum auch die Membran* Dipl.-Wirtsch.-Ing. Katrin Gebhard
Dipl.-Ing. Kai Nikolaus
Prof. Dr.-Ing. Siegfried Ripperger
Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik
TU Kaiserslautern
Tel.: 0631-205-2121
www.uni-kl.de/mvt
166
auswahl und die geplanten Maßnahmen
zur Membranreinigung.
Ziel der Vorbehandlung bzw. des
Pretreatments ist, das Rohwasser derart in
die Stufe der Umkehrosmose zu leiten,
dass die Anlage entsprechend der Planung
wirtschaftlich betrieben werden kann. Um
dieses zu erreichen stehen unterschiedliche Verfahren zur Rohwasserreinigung
und/oder Konditionierung zur Verfügung,
die im Folgenden beschrieben werden.
Dabei kann zwischen vorwiegen physikalisch und vorwiegend chemisch wirkenden
Behandlungsmethoden unterscheiden wer-
den. Die eigentliche Vorbehandlung ist ein
komplexer Prozess, der meist mehrere
Aufbereitungsschritte umfasst.
2. Der Prozess zur Vorbehandlung von Rohwasser
Abb. 1 zeigt beispielhaft einen typischen Aufbereitungsprozess zur Vorbehandlung von Meerwasser für die Umkehrosmose. Ein solch aufwändiges
Pretreatment ist vor allem dann notwendig, wenn das Wasser aus offenen Entnahmesystemen bezogen wird. Dem grob
vorfiltrierten Wasser werden im dargestell-
Abb. 1: Konventionelle Wasseraufbereitung vor der Einspeisung in eine RO-Anlage
F & S Filtrieren und Separieren
Jahrgang 26 (2012) Nr. 3
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Schwerpunktthemen
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Rohwassers (nach /4/)
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ten Fall zur Desinfektion Chlor dosiert.
Danach erfolgt eine Einstellung des pHWertes bevor eine Koagulation und
Flockung durchgeführt wird. Eine zentrale
Verfahrensstufe der dargestellten Aufbereitung ist die Filtration in Schüttschichtfiltern. Danach folgen die Dosierung eines Antiscalants und eine Feinfiltration mittels Filterkerzen. Eine Dosierung von Natriumhydrogensulfit (engl.:
Sodiumbisulfit: SBS) dient der Entfernung
des Chlors, um eine Membranschädigung
durch eine Oxidation zu verhindern. An
dieser Stelle sollte in bestimmten Abständen der Silt-Density-Index (SDI) überprüft werden. Außerdem sollte ein Sensor
installiert werden, mit dem überprüft wird,
ob eine vollständige Entchlorung stattgefunden hat.
In Tabelle 1 wird die Wirksamkeit der
einzelnen Verfahren zur Vermeidung eines
Foulings und Scalings der Membranen als
Übersicht qualitativ dargestellt (nach /3/).
Die Tabelle gibt überschlägig einen Hinweis,
welche Prozesse ausgewählt werden müssen, um konkrete Gefahren abzuwenden.
Zusätzlich zu den in der Abb. 1 und der
Tabelle 1 dargestellten Verfahren, werden
im Folgenden auch die Sedimentation und
die Flotation behandelt. Tabelle 2 zeigt
einen Vorschlag nach /4/, welche Auf-
F & S Filtrieren und Separieren
bereitungsstufen bei welcher Wasserqualität des eingespeisten Feeds genutzt werden
sollten. Wenn das Meerwasser mittels
einer indirekten Entnahme bereits vorfiltriert ist, können einige Stufen am Beginn
des Prozesses entfallen. Eine einstufige
Sandfiltration ohne Zugabe von Koagulationsmitteln kann bei einer indirekten
Entnahme z.B. ausreichen. In manchen
Fällen genügt bereits eine Vorfiltration
mittels Kerzenfilter, um einen SDI15min < 3
zu erzielen /5/.
3. Aufbereitungsverfahren
3.1 Screening
Das einfließende Wasser muss bei einer
offenen Wasserentnahme zuerst einen
Grob- und Feinrechen und/oder ein feinmaschiges Sieb passieren. In Grobrechen
beträgt der Abstand der Stäbe des Rostes
40 bis 80 mm zueinander. Sie sollen groben Schmutz und große Wasserlebewesen
zurückhalten. Die kleinsten Öffnungen der
meist selbstreinigenden Feinrechen betragen 3 bis 10 mm. Als Alternative bieten
sich große rückspülbare Filter mit Öffnungsweiten bis zu 10 mm und Durchflüssen bis 20000 m3/h an. Rechen und
Grobfilter werden u. a. zum Schutz der
Entnahmepumpen eingesetzt /4/.
Jahrgang 26 (2012) Nr. 3
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Schwerpunktthemen
3.2 Chemische Aufbereitung
Zu verschiedenen Zeitpunkten werden Chemikalien zur Desinfektion, pH-Wert-Einstellung, Koagulation und Flockung sowie
zur Scaling-Reduzierung dosiert. Um einen wirtschaftlichen
Betrieb der Anlage zu gewährleisten, muss die Dosierung dieser
Stoffe an die gerade vorherrschenden Bedingungen des Meerwassers angepasst werden. Bei offenen Entnahmesystemen ist
stündlich eine Veränderung der Zulaufs möglich /6/.
3.2.1 Chemische Desinfektion
Da das Rohwasser organische Substanzen und Kleinstlebewesen enthält, besteht die bereits beschriebene Gefahr des biologischen Wachstums. Aus diesem Grund wird der Zulauf mittels
Biozide desinfiziert. Am häufigsten wird zur Abtötung der
Lebewesen Chlor verwendet. Die kontinuierliche Zugabe kann bis
zu 1 mg/l betragen /7/. Chlor tötet als chemisches Oxidationsmittel
Mikroorganismen, wie Bakterien und Viren, ab /8/. Eingesetzt werden häufig Chlorgas (Cl2) sowie Natrium- oder Calciumhypochlorit (NaOCl bzw. Ca(OCl)2). Im Wasser hydrolysieren
diese Stoffe direkt unter Freisetzung von hypochloriger Säure
(HOCl) nach den folgenden Reaktionsgleichungen:
(1)
Cl2 + H2O ? HOCl + HCl
NaOCl + H2O ? HOCl + NaOH
(2)
Ca(OCl)2 + 2 H2O ? 2 HOCl + Ca(OH)2
(3)
Die Säure dissoziiert je nach pH-Wert zu Wasserstoff- und Hypochlorit-Ionen.
(4)
HOCl ? H+ + OCl –
Diese Summe über Cl2, NaOCl, Ca(OCl)2, HOCl, und OCl–
wird als frei verfügbares Chlor bezeichnet und in mg/l Cl2 ausgedrückt. Die Effektivität im Hinblick auf die Abtötung des frei verfügbaren Chlors hängt nicht nur von der Konzentration, sondern
auch vom pH-Wert und der Einsatzzeit ab. Zur Desinfektion wird,
je nach Temperatur, eine Zeitspanne von 20 bis 60 Minuten benötigt. HOCl ist wirksamer als ClO–. Die hypochlorige Säure liegt bei
einem pH-Wert unter 6,5 undissoziiert vor, während sich das
Gleichgewicht bei einem Wert über 9 vollständig auf die Seite der
Ionen verschiebt /9/. Im Gegensatz zu Brackwasser enthält Meerwasser etwa 65 mg/l Bromidionen, die schnell mit der hypochlorigen zu hypobromiger Säure reagieren.
(5)
Br – + HOCl ? HOBr + Cl –
Dementsprechend ist als Biozid in gechlortem Meerwasser vorwiegend HOBr wirksam, das weniger schnell dissoziiert als HOCl.
Bei einem pH-Wert von 8 liegen 72 % der hypochlorigen, jedoch
nur 17 % der hypobromigen Säure in ionisierter Form vor. Verglichen mit Brackwasser kann die Desinfektion somit bei einem
höheren pH-Wert effektiv durchgeführt werden. Der Wert „frei
verfügbares Chlor“ berücksichtigt aus diesem Grund bei
Meerwasser auch HOBr und OBr –/10/.
Um die Membran vor den Oxidationsmitteln zu schützen, müssen diese wieder abgebaut bzw. entfernt werden /6/. Die Empfindlichkeit der polymeren Membranmaterialien wurde bereits mehrfach erwähnt. Die Zersetzungsrate nimmt mit der Basizität des
Wassers und mit steigender Temperatur zu. Häufig wird Natriummetabisulfit (Na2S2O5) auf Grund seiner Kosteneffizienz zur
Entfernung des Chlors eingesetzt. Es reagiert im Wasser zu
Natriumhydrogensulfit (NaHSO3), das dann die hypochlorige
Säure reduziert:
(6)
Na2S2O5 + H2O ? 2 NaHSO3
2 NaHSO3 + 2 HOCl ? H2SO4 + 2 HCl + Na2SO4
(7)
Zur Entfernung von 1,0 mg freien Chlor werden typischerweise
3,0 mg Metabisulfit eingesetzt. Alternativ dazu kann eine
Behandlung mit Aktivkohle erfolgen, die ebenfalls sehr effektiv
das verbleibende Chlor reduziert. Wasser reagiert in diesem Fall
mit der Kohle und dem Chlor /11/.
(8)
C + 2 Cl2 + 2 H2O ? 4 HCl + CO2
168
Die kontinuierliche Chlorung mit anschließender Entfernung
des Chlors war für viele Jahre die standardisierte Vorgehensweise.
Problematisch ist jedoch, dass nach der Entchlorung häufig
Biofouling auftritt. Chlor reagiert mit dem organischen Material
und zerlegt dieses in biologisch abbaubarere Verbindungen. Da
nach der Desinfektion des Wasser die aktiven Chlorverbindungen
abgebaut werden und an den Membranen selbst kein Chlor mehr
vorhanden ist, können Mikroorganismen, die in diesem Bereich
noch vorkommen können unter dem gesteigerten Angebot an
Nährstoffen wachsen, solange das System nicht regelmäßig gereinigt wird. Daher verliert dieses Verfahren an Bedeutung /10/.
Periodische Chlorinjektionen höherer Dosierungen (bis zu 5 mg/l)
werden durchgeführt, um dieses Problem zu überwinden. Wenn die
Zugabe erfolgt, befindet sich die Stufe der Umkehrosmose offline.
Das gechlorte Wasser muss ausgespült werden, bevor der Betrieb
wieder aufgenommen wird. Die Häufigkeit dieser „Schockdosierungen“ variiert je nach Anlage und kann sich von vier Mal
täglich bis zu einem Mal am Tag variieren /11/.
Als alternatives Desinfektionsmittel wurde Ozon (O3) getestet,
das, um eine ausreichende Reaktionszeit zu gewährleisten, in den
Zulauf unter Bildung von möglichst feinen Blasen zudosiert wird
/12/. Da Ozon eines der stärksten Oxidationsmitteln ist, ist die
Entfernung des überschüssigen Ozons unumgänglich. Keine
Polymermembran ist auf Dauer dagegen beständig /13/. Dazu wird
häufig ultraviolettes Licht angewandt /12/.
Ozon hat sich allerdings, genauso wie andere getestete
Chemikalien (z.B. Monochloramin (NH2Cl) oder Kupfersulfat
(CuSO4)), nicht zur Eindämmung des Biofoulings bei der
Umkehrosmose durchgesetzt.
3.2.2 Desinfektion durch UV-Strahlung
Als nicht-chemische Variante wird zur Desinfektion auch die
UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 200 bis 300 nm direkt
verwendet. Das Licht zerstört die DNA, die Zellmembrane sowie
die Enzyme der Mikroorganismen durch Bildung freier Radikale
im Wasser /14/. Der Prozess findet statt, indem der vorgereinigte
Feedstrom durch eine Bestrahlungskammer strömt /8/. Vorteilhaft
bei diesem Verfahrens ist, dass sowohl die Lagerung als auch der
Umgang mit Chemikalien vermieden wird, physikalische und chemische Parameter des Meerwassers nicht beeinträchtigt werden
und sich zudem keine giftigen Nebenprodukte bilden /15/. Diese
Bestrahlung ist jedoch nur aktiv, solange das Wasser dem
Lichtstrahl ausgesetzt ist /12/. Die Lagerung des UV-behandelten
Wassers in Tanks könnte laut Voruntersuchungen von Munshi et al.
deshalb zu einer bakteriellen Reaktivierung führen /16/.
3.2.3 Säuredosierung zur pH- Wert Einstellung
Der nächste Schritt der Vorbehandlung beinhaltet in der Regel
die Einstellung des pH-Wertes. Zum einen sind die ROMembranen nur in einem bestimmten Bereich beständig, zum
anderen ist der Zustand der vorhandenen und zugesetzten Stoffe
des Rohwassers vom Säuregrad abhängig. Korrosion, Scaling, aber
auch die Wirksamkeit der Koagulationsmittel werden von diesem
Wert beeinflusst. Standardmäßig wird dem Feed Schwefelsäure
zugegeben, um den Ausgangs-pH-Wert von etwa 8,3 auf 6,5 bis 6
zu senken und damit die Löslichkeit alkalischer Salze wie
Calciumcarbonat zu erhöhen/15/.
3.2.4 Koagulation und Flockung
Koagulation und Flockung erleichtern die Entfernung von
suspendierten Feststoffen und Kolloiden. Die Koagulation beinhaltet die Destabilisierung und Zusammenballung von Kolloiden. In
der Wassertechnik wird in der Regel eine Koagulation durch
Zugabe von Chemikalien eingeleitet. Während die Koagulation
auch die Zusammenballung von makromolekularen Stoffen mit
beinhaltet bezieht sich die Flockulation oder Flockung mehr auf
die Agglomeration von destabilisierten feinsten Partikeln zu grö-
F & S Filtrieren und Separieren
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ßeren Partikelverbünden (Flocken). Durch
die Zugabe von Flockungsmitteln bzw. hilfsmitteln wird die Flockenbildung
wesentlich begünstigt.
Die Partikel sind im Zulauf einer
Umkehrosmoseanlage häufig negativ geladen und stoßen sich gegenseitig ab. Die
negative Ladung der Partikel kann in Form
eines negativen Zeta-Potentials auch gemessen werden. Wenn die abstoßenden
Kräfte zwischen den Partikeln ihre Gewichtskraft überwindet, stellt sich ein stabiler Zustand innerhalb einer Suspension
ein, bei dem die Partikeln dauerhaft
suspendiert bleiben. Durch Zugabe eines
Koagulations- bzw. Flockungsmittels wird
eine stabile Suspension destabilisiert, so
dass sich die Partikeln gegenseitig anlagern können. Bei den Flockungsmitteln
handelt es sich häufig um Metallsalze, wie
z. B. Eisen(III)-chlorid und Eisen(II)-sulfat. Eisen(III)-chlorid reagiert in Wasser
nach folgender Reaktion:
FeCl3 + 3 HCO3– ? FeOH3 + 3 Cl– + 3
CO2
(9)
Durch die Bildung von Ionen werden
negative Ladungen der suspendierten
Partikel neutralisiert, wodurch die abstoßenden Wirkung zwischen den Partikeln
wesentlich reduziert wird und sich die
Partikeln, unterstützt durch die wirkenden
van der Waalskräft, aneinander anlagern
können. Es entstehen lockere Agglomerate
bzw. Flocken. Durch ein leichtes Rühren
wird die Stoßwahrscheinlichkeit zwischen
den Partikeln erhöht und die Flockungskinetik beschleunigt. Große Scherkräfte
würden die Flockenzerstörung begünstigen, so dass diese bei einer Flockung zu
vermeiden sind. Größere Partikelverbände
sedimentieren schneller als die einzelnen
F & S Filtrieren und Separieren
kleinen Partikel und bilden auch lockere
Filterkuchen mit größeren Poren. Dadurch
wird die Partikelabtrennung durch Sedimentation und Filtration deutlich verbessert. Die Dosierung der Flockungsmittel
richtet sich nach der Trübung des Wassers
und kann bis zu 30 mg/l betragen.
Polyelektolyte, z. B. in Form von
Polyphosphaten, Polyacrylsäure und Polyacrylamide, unterstützen ebenfalls die
Flockung. Diese Stoffe werden häufig als
Flockungshilfsmittel und auch als
Antiscalants eingesetzt (siehe Abschnitt
3.2.5). Die Konzentration entscheidet, ob
sie flockulativ (als Flockungshilfsmittel)
oder dispersiv (als Antiscalant) wirken.
Die Dosierung zur Flockung beträgt nur
etwa ein Zehntel der als Antibelagmittel
eingesetzten Menge /7/ und damit zwischen 0,2 und 4,0 mg/l /14/.
Da bei der Flockung auch der pH-Wert
entscheidend ist, erfolgt die Zugabe des
Flockungsmittels nach der Säureeinstellung. In der Regel werden Flockungsmittel
bzw. Flockungshilfsmittel in einem
Ansetz-Rührbehälter durch intensives
Mischen in einer erhöhten Konzentration
in Wasser verteilt. Anschließend wird die
Lösung dem Feedstrom zudosiert, wo sich
unter gemäßigtem Mischen bzw. Rühren
Flocken bilden. Diese können dann durch
Sedimentation oder Filtration aus dem
Rohwasser entfernt werden. Gelingt dies
nicht vollständig, wird die Leistung der
RO-Membran durch den Niederschlag
beeinträchtigt.
Außerdem kann es zu einer Reaktion
mit einer Verbindung kommen, die erst
nach dem Filtrationsschritt zugegeben
wird. Werden beispielsweise kationische
Koagulations- und/oder Flockungsmittel
eingesetzt, reagieren diese mit Anti-
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scalants, die meistens negativ geladen
sind. Positive Polyelektrolyte haben bereits häufiger mit den Scaling-Inhibitoren
zu Gelschichten und damit einem Fouling
der Membran geführt. Um dieses Risiko
zu umgehen, werden bevorzugt anionische
oder neutrale Stoffe verwendet /17/.
3.2.5 Antibelagmittel (Antiscalants)
Antibelagmittel werden eingesetzt um
Scaling zu unterbinden. Je nach eingesetztem Hemmstoff werden einzelne Stufen
einer Fällung und Kristallisation von
Wasserinhaltsstoffen beeinflusst. Entweder werden Löslichkeitsgrenzen erweitert,
die Fällung unterbunden oder es werden
die entstandenen Kristallkeime so verändert, dass ihr Wachstums gehemmt wird.
Außerdem ist der Aufbau einer Oberflächenladung möglich, indem Dispergiermittel an den Kristallen adsorbiert werden.
Neben den beschriebenen Löslichkeitsgrenz-, Verformungs- und Dispersionseffekten können Inhibitoren auch eine
Komplexierung bewirken. Chelatbildner
konkurrieren dabei mit Salz-Anionen um
freie mehrwertige Kationen, um aus diesen Komplexe zu bilden. Da die Auswahl
jedoch nicht selektiv auf die Stoffe fällt,
die sich an der Löslichkeitsgrenze befinden, ist häufig eine Überdosierung notwendig /13/.
Früher wurde zur Hemmung von
Calciumsulfat und -carbonat vermehrt
Natriumhexametaphosphat (NHMP) verwendet, bei dem geringe Mengen an der
Oberfläche der Mikrokristalle adsorbieren
und dadurch das weitere Kristallwachstum
verhindern. Die Verwendung wird jedoch
nicht länger empfohlen, da sehr darauf
geachtet werden muss, dass es nicht zu
einer Hydrolyse des NHMP im Dosier-
169
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Schwerpunktthemen
behälter kommt. Diese mindert nicht nur
die Effizienz der Scalingvermeidung, sondern erhöht zudem das Risiko der
Calciumphosphat-Scale-Bildung
/18/.
Außerdem kann eine Überdosierung zur
Korrosion der Rohre führen und das
NHMP dient Bakterien als Nährstoff /11/.
Heute werden polymere organische
Verbindungen (vor allem Polyacrylsäure
und Polymaleinsäure), Phosphonate und
Polyphosphate eingesetzt /15/. Da die
Verwendung der Inhibitoren den Anwuchs
von Mikroorganismen, also Biofouling,
begünstigt, darf der Einsatz der
Chemikalien nur in geringen Mengen
erfolgen /19/. Bei der Dosierung der
Antiscalants müssen folgende Parameter
berücksichtigt werden:
- der Zeitraum, in dem Scaling verhindert
werden muss;
- der Grad der Übersättigung, als treibende Kraft;
- die Temperatur, bei der der Hemmstoff
wirken muss;
- der pH-Wert des Wassers, der sich auf
die Dissoziation und die Stereochemie
des Hemmstoffes auswirkt;
- die aktiven Zentren, an denen Salze
direkt wachsen können und die als
Keime dienen. Schwebstoffe im Wasser
können ebenfalls als aktive Zentren dienen und zudem die Konzentration des
Hemmstoffs reduzieren, indem sie diesen adsorbieren /20/.
Wenn als Feed Meerwasser mit einem
durchschnittlichen Salzgehalt von 35.000
mg/l eingespeist wird, sollte auf Antibelagmittel bei einer Wasserausbeute über
35 % nicht verzichtet werden, da auf
Grund der Erhöhung der Konzentration
der Wasserinhaltsstoffe die Gefahr besteht,
dass diese ausfallen und ein Scaling verursachen. Empfehlungen zur Kontrolle des
Scalings durch Scalinginhibitoren werden
von Trussel /21/ behandelt.
3.3 Konventionelle Klärverfahren
Die Auswahl des Prozesses zur Klärung
des Rohwassers hängt vom Feststoffgehalt
sowie der Größe, Form und Dichte der
Partikel ab. Allgemein werden Sand und
andere anorganische Stoffe gut durch eine
Schwerkraft-Sedimentation entfernt. Liegen
im Feed primär Feststoffe geringer Dichte
vor, wie beispielsweise Algen und ausgefällte organische Substanzen, kann eine
Flotation oder Filtration angewendet werden.
3.3.1 Sedimentation
Mit einem Absetzbecken, vor einer
Mehrschichtfiltration, kann in vielen
Fällen eine Reduktion des NTU-Wertes
des Feeds auf kleiner 2,0 sowie ein
SDI15min-Wert von etwa 6,0 erreicht werden. Der Absetzvorgang kann durch die
Zufuhr von Koagulations- und Flockungs170
mitteln unterstützt werden. Konventionellen Absetzbecken weisen üblicherweise
eine hydraulische Verweilzeit von 2 bis 4
Stunden auf, was bei einer Beckentiefe
von 2 bis 4 m einer spezifischen Belastung
der Oberfläche (Klärfläche) von 12 bis
48 m3/(m3 d) entspricht. Oft genügen die
Ablaufwerte der Anlagen bei einer solchen
Auslegung nicht mehr den Anforderungen.
Sie werden daher beispielsweise durch
Lamellenabscheider ersetzt oder der Absetzvorgang wird durch die optimierte Zugabe von Flockungs- bzw. Flockungshilfsmitteln und anderen Zusätzen verbessert
/22/.
3.3.2 Entspannungsflotation
Die Entfernung von hauptsächlich
hydrophoben Verunreinigungen, wie Öle
und Fette, sowie von Schwebstoffen kann
durch eine Flotation erfolgen. Es gibt
unterschiedliche Ausführungsformen dieses Trennprozesses. Allen gemeinsam ist,
dass die im Wasser dispergierten Stoffe an
erzeugten feinen Gasblasen anhaften und
mit ihnen an die Wasseroberfläche transportiert und dort mit einer Räumeinrichtung entfernt werden. Die Varianten unterscheiden sich u. a. in der Erzeugung
der Gasbläschen. Meist wird die Entspannungsflotation eingesetzt, bei der in
einem Teilstrom des Feeds Luft unter
erhöhtem Druck gelöst wird, bevor diese
bei einer Entspannung und gleichzeitigen
Vermischung mit dem restlichen Feedstrom wieder als Bläschen austritt. Vor dieser Entgasung kann dem restlichen Eingangsstrom ein Flockungsmittel zugeführt
werden. Durch die plötzliche Entspannung
entstehen Bläschen mit einer Größe von
etwa 60 bis 100 μm, an denen dann die
Partikel bzw. Flocken anhaften. Die
Blasen entstehen, da die physikalische
Löslichkeit eines Gases in Wasser bei konstanter Temperatur nahezu proportional
mit dem Druck ansteigt. Die Größe und
Bildung der feinsten Bläschen hängen
sowohl von der Druckdifferenz, der Oberflächenspannung, dem pH-Wert, der
Salzkonzentration, der Viskosität der
Flüssigkeit und der Ausführungen der
Entspannungsapparatur ab. Je kleiner die
Blasen bei konstanter Luftmenge sind,
desto größer ist folglich deren Anzahl und
umso höher ist die Wahrscheinlichkeit,
dass diese auf die Feststoffteilchen treffen.
Auch eine leichte lokale Turbulenz im
Einlaufbereich verbessert die Häufigkeit
der Kollisionen. Die nicht flotierbaren
Stoffe sinken ab und werden als
Bodenschlamm abgeführt.
3.3.3 Tiefenfiltration
Die Filtration, als eine der bedeutendsten verfahrenstechnischen Grundoperationen der Wasseraufbereitung, wird auch
zur Vorreinigung des Rohwassers der
Umkehrosmose angewendet. Sie kann als
Tiefenfiltration oder als Oberflächenfiltration ausgeführt werden.
• Mehrschichtfilter
Bei der Tiefenfiltration durchströmt das
Rohwasser meist einen Schüttschichtfilter,
der aus verschiedenen Schichten granularer Stoffe besteht. Partikel bis hin zu
Schwebstoffen und Kolloiden werden
dabei an der Oberfläche der Filterkörner
abgelagert. Der Prozess ist meist effizienter und die Standzeiten zwischen den
Reinigungsphasen länger, wenn verschiedene Schichten übereinander angeordnet
sind. Sand mit einer Korngröße von 0,35
bis 0,50 mm dient als feineres Material
und wird als untere Schicht mindestens 0,5
m hoch in den Behälter gegeben. Eine
mindestens 0,3 m hohe Füllung von 0,7 bis
0,8 mm großen Anthrazitkörnern bedeckt
den Sand. Ein solcher Filter kann SDIWerte kleiner 5 erreichen /23/. Um die
Reinheit des Wassers weiter zu erhöhen,
wird eine mehrstufige Filtration empfohlen. Wenn zusätzlich Koagulationsmittel
zugegeben werden, wird der Rückhalt der
unerwünschten Stoffe ebenfalls gesteigert.
Die Filtrationsgeschwindigkeit sowie die
Abmessungen, Tiefen und die Korngrößenverteilung der Filtermaterialien
sind Parameter, welche das Filtrationsergebnis beeinflussen. Um eine lange
Standzeit zwischen den Rückspülungen
und Verluste der Filterkörner zu vermeiden, müssen enge Korngrößenverteilungen
verwendet werden. Der Variationskoeffizient des Sandes sollte d60/d10 kleiner
1,3; der des Anthrazits kleiner 1,5 sein.
Um beim Absetzen nach der Rückspülung,
bei der die Schichten wie bei einer
Wirbelschicht expandiert und aufgewirbelt
werden, eine gegenseitige Durchdringung
der beiden Materialien zu verhindern, darf
die Größenfraktion der gröberen oberen
Schicht die der unteren nicht um das
Fünffache überschreiten /24/.
Bei einer Tiefenfiltration sind die Poren
innerhalb des Filtermediums größer, als
der Durchmesser der Partikel, die entfernt
werden. Diese werden auf Grund von
Kollisionen mit der Oberfläche des Filtermediums auf dem gewundenen Weg durch
das Filtermedium und die dann wirkenden
Haftkräfte zurückgehalten. Es kann dabei
eine hohe Effizienz der Abtrennung erzielt
werden. Partikel mit einer Größe von 10
bis 20 μm werden beispielsweise von einer
Schicht mit 150 μm großen Sandkörnen zu
90 bis 99 % abgetrennt /25/.
Man unterscheidet zwischen Druckund Schwerkraftfiltern. Letztere benötigen
in der Regel Wasserüberstauhöhen von 2
bis 3 m und werden als offenen Betonoder Stahltanks ausgeführt. Bei ersteren
herrscht ein höherer Eingangsdruck und
die Filtration findet in geschlossenen
Behältern statt. Auf Grund der höheren
Kosten großer Stahl-Druckbehälter mit
F & S Filtrieren und Separieren
Jahrgang 26 (2012) Nr. 3
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Schwerpunktthemen
korrosionsresistenten Oberflächen, werden Druckfilter nur für kleine und mittlere
Anlagengrößen verwendet /4/. Druckfilter
haben gegenüber offenen Filtern den
Vorteil, dass größere Schichthöhen und
höhere Filtergeschwindigkeiten und damit
höhere spezifische Durchsätze möglich
sind. Nachteilig ist die geringere Querschnittfläche bei stehenden Druckfiltern.
Bei erforderlichen großen Querschnittflächen werden deshalb meist offene Filter
vorgesehen. In jedem Fall wird die erforderliche Gesamtfilterfläche auf mehrere
Filter aufgeteilt.
Schüttschichtfilter werden durch eine
Rückspülung regeneriert. Diese wird notwendig, da sich aus dem Feed abgetrennte
Wasserinhaltsstoffe die Poren des Filtermaterials verengen und zu einem Druckverlustanstieg führen. Bei einer bestimmten Größe wird die Fließrichtung des
Wassers zur Rückspülung umgekehrt. Die
Schicht wird aufgewirbelt und die an den
Kornoberflächen haftenden Schmutzpartikel werden abgerieben und dann mit dem
nach oben steigenden Wasserstrom ausgetragen. Die Aufwirbelung kann durch den
Eintrag von Luft noch verstärkt werden.
Die unterschiedlichen Partikeldichten und
Partikelgrößen in einem Mehrschichtfilter
werden so aufeinander abgestimmt, dass
beim Absinken die Partikel sich wieder
getrennt als Schichten ablagern. Ein möglicher Luft-Wasser-Spülzyklus kann nach
Mutschmann /26/ beispielsweise wie folgt
ausgeführt werden:
– Absenken des Wasserspiegels bis zur
Oberkante der Schüttung,
– Aufbrechen des Filterbetts durch eine
Zufuhr von Luft mit einem spezifischen
Volumenstrom von 60 bis 80 m3/(m2·h)
über ca. 2 min,
– Ablösen der Schmutzstoffe über ca. 3
min durch gleichzeitig einen Luft- und
Wassereintrag (Luft ca. 60 m3/(m2·h)
und Wasser mindestens 10 m3/(m2·h)),
– Ausspülen der Schmutzstoffe,
Luftaustrag, Klassieren über ca. 5 min
bei einem spezifischen Wasserstrom
von 40 bis 90 m3/(m2·h), je nach
Filtermaterial.
Je nach Aufnahmefähigkeit des Überstauraumes und Höhenlage des Abzugs
des Wassers bei der Rückspülung muss u.
U. zwischenzeitlich eine gesonderte Entleerung des Überstauraumes erfolgen.
Parallel geschaltete Filter werden einzeln
nacheinander gespült. Die Rückspülgeschwindigkeit ist so zu wählen, dass kein
Filtermaterial ausgetragen wird und kein
Verlust des Filtermaterials auftritt. Es können sich jedoch Agglomerate bilden, die
zu einer Kanalbildung im Filter führen
können und eventuell Verbackungen ver-
ursachen, wenn die Rückspülgeschwindigkeit zu gering eingestellt wird /24/.
• Kerzenfilter
Meist werden Kerzenfilter einer Mehrschichtfiltration nachgeschaltet. Die Aufgabe dieser Filterkerzen (Cartridges)
besteht darin, die RO-Membranen vor ggf.
ausgetragenen Partikeln zu schützen.
Kerzenfilter halten in der Regel mindestens 90 % der Partikel zurück, die größer
sind als die eingesetzte Nenntrenngrenze
(nominale Trenngrenze). Diese betragen
häufig 1, 2, 5, 10 oder 25 μm, wobei
Filterkerzen mit einer Nenntrenngrenze
von 5 μm am meisten vor einer Umkehrosmose eingesetzt werden. Mehrere Filterkerzen, mit einer Länge bis zu 1000 mm
(40 inch) werden in einem Edelstahl- oder
auch glasfaserverstärkten KunststoffDruckbehälter angeordnet. Eine Einheit
kann für einen Durchsatz von bis zu
20.000 m2/d ausgelegt sein. Der Druckabfall steigt beim Betrieb an. Er ist zu
Beginn geringer als 0,2 bar. Bei einem
Wert von 0,7 bis 1,0 bar werden die
Filterkerzen oft ausgetauscht. Je nach
Vorfiltration werden Standzeiten von 6 bis
8 Wochen erreicht /4/.
3.3.4 Membranverfahren zur
Vorbehandlung
Die Filtration mit Tiefenfiltern wird oft
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Schwerpunktthemen
Abb. 2: Einsatz der Mikro- oder Ultrafiltration zur Wasseraufbereitung vor der Einspeisung in eine
RO-Anlage
im Zusammenhang mit einem „konventionellen Pretreatment“ aufgeführt. Wie dieser Ausdruck andeutet, handelt es sich
hierbei um eine Vorbehandlung, die sich
über viele Jahre etabliert hat. Seit einigen
Jahren werden auch die Membranverfahren Ultrafiltration (UF) und Mikrofiltration (MF) verstärkt zur Vorreinigung
des Wassers vor einer Umkehrosmose
getestet und eingesetzt. Die Druckverhältnisse unterscheiden sich gegenüber
den konventionellen Filtrationsverfahren
nur geringfügig, jedoch ist die Filtratqualität, die einen wesentlichen Einfluss
auf die Umkehrosmose-Anlage besitzt, bei
einer Filtration mit Membranen besser.
Insbesondere im Bereich der Wasseraufbereitung ist der Übergang von der
Mikrofiltration zur Ultrafiltration fließend.
Während die Membranen zur Mikrofiltration meist eine nahezu gleichförmige
Struktur über die Membrandicke aufweisen, sind Membranen zur Ultrafiltration
stark asymmetrisch. Während die Mikrofiltration meist sicher Bakterien abtrennt,
kann mit der Ultrafiltration auch die Zahl
der Viren meist deutlich verringert werden. Generell gilt, dass beide Verfahren
eine wirkungsvolle Barriere gegen suspendierte Partikel, Kolloide und Bakterien bilden. Selbst bei starken Fluktuationen des
Rohwassers erzielen sie eine gute und stabile Permeatqualität. Trotz der guten
Stofftrennung, werden diese Verfahren
gelegentlich mit anderen Vorbehandlungsstufen kombiniert. Abb. 2 zeigt hierzu ein
einfaches Anlagenschema.
Zur Mikro- und Ultrafiltration werden
meist Hohlfasermembranen eingesetzt. Sie
werden oft zweitweise im Dead-endBetrieb betrieben und in bestimmten
Intervallen durchströmt (Crossflow-Betrieb) und oft gleichzeitig auch rückgespült. Einige dieser Rückspülungen können auch mit einer chemischen Reinigung
verbunden werden /27/.
• Kombination der Ultrafiltration mit
weiteren Vorbehandlungsverfahren
Bei einer Membranfiltration wird die
Anzahl der Aufbereitungsstufen, im
Vergleich
zur
konventionellen
Vorbehandlung, meist deutlich reduziert.
172
Je nach Qualität des Feedwassers kann
eine grobe Siebfiltration vor der Einspeisung in die Membrananlage genügen.
In der Regel wird einem Rechenrost mit
Abständen von 3 bis 10 mm, ein feinmaschiges Siebgewebe mit einer Maschenweite von 100 bis 250 μm nachgeschaltet.
In Tabelle 2 wird bereits darauf hingewiesen, dass bei einem SDI-Wert > 4 und
einer Trübung des Rohwassers größer 20
NTU eine vorgelagerte Mehrschichtfiltration vor dem Membranverfahren zur
Entfernung von Partikeln auch sinnvoll
erscheint. Auch die Kombination aus
Koagulation, Absetzung und Flotation
wird bei sehr schlechter Wasserqualität
gelegentlich gewählt, um den spezifischen
Filtratstrom und die Lebensdauer der
Membran zu erhöhen sowie die Häufigkeit
der Reinigung zu reduzieren /28/.
Vorteilhaft ist, dass eine Dosierung von
Chemikalien zur Desinfektion vermieden
oder nur in vergleichsweise sehr geringen
Mengen vorgenommen werden muss /11/.
Die Nutzung von Kerzenfiltern nach der
Membranfiltration ist optional. Der Einsatz ist lediglich eine Sicherheitsvorkehrung, der z. B. bei Membranschäden ein Eindringen von Mikroorganismen oder feisten Partikeln in die
eigentliche Umkehrosmose-Stufe verhindert.
• Rückspülung und
chemische Reinigung
Die Stoffe, die durch die Ultrafiltration
zurückgehalten wurden, können die Membranen verblocken. Aus diesem Grund
werden Rückspülungen ohne und in bestimmten Intervallen auch mit Chemikalienzugabe durchgeführt /29/. Die
Rückspülfrequenz sowie die verwendeten
Chemikalien sind von den vorherrschenden Bedingungen abhängig. Glueckstern
et al. /30/ berichten über die Feldversuche
mit Kapillarmembranen, die im Dead-endBetrieb eingesetzt wurden, und die in
Intervallen von 15 bis 30 Minuten unter
Zugabe von Hypochlorid rückgespült wurden. Der pH-Wert steigt in Folge der
Chemikalienzugabe an und Carbonate
können sich bilden, was wiederrum den
Filtratstrom reduziert. Diese Deckschicht
auf der Membran wird zwei Mal täglich
durch eine Rückspülung bei einem pHWert von 2 entfernt, wodurch der
Filtratfluss wieder ansteigt. Es wurden
auch Reinigungen mit Natronlauge und
Zitronensäure durchgeführt. Hierzu wird
die Membran mit der Reinigungslösung
durchtränkt und danach ausgespült.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen,
dass auch Umkehrosmose-Membranen
chemisch gereinigt werden müssen. Die
Häufigkeit hängt von der Wasserqualität
und der Effizienz des Pretreatments ab und
variiert zwischen einmal in zwei Jahren
und vier Mal jährlich /31/. In der Regel
wird auf die chemische Reinigung zurükkgegriffen, wenn ein 10 %-Abfall der
Produktivität bei gleichbleibendem Druck
und Temperatur festgestellt wird, bzw. der
treibende Druck um 10 % erhöht werden
muss, um den Produktfluss konstant zu
halten oder eine Zunahme der Druckdifferenz zwischen Feed und Konzentrat
um 15 bis 20 % detektiert wird /32/. Da
chemische Reinigungen viel Zeit in
Anspruch nehmen, in der die Produktion
unterbrochen ist, Chemikalien verwendet
werden müssen, die ggf. die Lebensdauer
der Membran und anderer Bauteile beeinträchtigen, und zusätzlich 5 bis 20 % der
Betriebskosten verursachen, ist man bestrebt sie so wenig wie nötig einzusetzen.
Die Auswahl der Chemikalien sowie der
Prozessbedingungen, wie z.B. Konzentration, Reinigungszeit, pH-Wert und
Temperatur, müssen auf die konkret vorliegenden Probleme ausgerichtet werden,
da sie sich maßgeblich auf die Effizienz
des Verfahrens auswirken.
Eine Verschmutzung aus natürlichen
organischen Materialien kann meist durch
Natronlauge ausgespült werden. Zitronenoder Phosphorsäure wirken gegen anorganisches Scaling. Zur Bekämpfung von
Biofilmen eignet sich Chlor. Zur Verbesserung der Schmutzablösung und Dispergierung werden Tenside eingesetzt. Die
Toleranz der Membranen in Bezug auf die
gewählten Stoffe muss auf jeden Fall
beachtet werden.
Die Kombination aus Ultrafiltration und
Umkehrosmose wird seit Jahren diskutiert,
jedoch erst ist in den letzten 5 Jahren wird
diese Kombination öfter realisiert. Knops
und Phay stellen in einer Veröffentlichung
2008 fest /33/, dass weniger als ein halbes
Dutzend Anlagen in Betrieb oder im Bau
befindlich waren. Zu dieser Zeit wurde die
Membranfiltration jedoch an vielen Stellen zur Vorreinigung des Feeds zur
Umkehrosmose mit Pilotanlagen getestet.
In all den Pilotversuchen wurden die von
den Anbietern der Spiral-Wickel-RO
Membranen vorgegebenen Anforderungen
an die Filtratqualität (Trübung kleiner 0,1
NTU und ein SDI-Wert kleiner 3) erreicht
/33/.
F & S Filtrieren und Separieren
Jahrgang 26 (2012) Nr. 3
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Schwerpunktthemen
Es hat seine Gründe, dass sich heutzutage das Pretreatment mit Membranen
immer mehr etabliert. Diverse, in der
Literatur aufgeführte Vorteile, werden
genannt:
– Das UF-Filtrat ist frei von Schwebstoffen und Mikroorganismen /34/, was zu
geringeren Foulingraten führt.
– Die Trübung wird signifikant reduziert,
selbst bei Schwankungen im Zulauf.
– Die gute Qualität des Wassers führt zu
einem besseren Betrieb der RO-Anlage.
Der Betriebsdruck muss nicht so stark
erhöht und die Produktausbeute kann
gesteigert werden. Die Permeationsrate
bleibt über längere Zeit konstant und die
Membran muss seltener gereinigt werden, was wiederum die Stillstandzeiten
verringert /35, 36, 37/.
– Die Lebensdauer der RO-Membranen
erhöht sich und eine Erneuerung ist
dadurch erst zu einem späteren Zeitpunkt notwendig /38/.
– Oftmals werden keine Koagulationsmittel verwendet und Chemikalien kommen allgemein nur gelegentlich bei der
Reinigung zum Einsatz /39/.
– Die Systeme können automatisch rükkgespült und gereinigt werden. Manche
Systeme testen zusätzlich automatisch
die Unversehrtheit der Membranen /40/.
Damit wird eine Bedienungsfreundlichkeit der Systeme gewährleistet.
– Die Anlagen erfordern weniger Platz /30/,
– Die Modulbauweise ermöglicht eine
schnelle Installation /41/.
Doch es gibt auch Erfahrungen, welche
zu berücksichtigen sind. In einer Abhandlung zu einem Vorversuch wurden viele
der oben erwähnten Vorteile bekräftigt und
dieses Pretreatment empfohlen. Trotzdem
wurde die Beobachtung gemacht, dass bei
einem sehr hohen Fluss und einer niedrigen Rückspülungsfrequenz die Membran
verstopfte und dass auch nach einer chemischen Reinigung der transmembrane
Druck nicht wiederhergestellt werden
konnte /42/. Öle und Fette wurden in
einem weiteren Test nicht ausreichend
beseitigt /38/. Es wird darüber berichtet,
dass niedermolekulare organische Stoffe
nicht so gut entfernt werden wie durch
eine konventionelle Vorreinigung /43/. Der
Rückhalt gelöster Komponenten wie
natürliche organische Stoffe lag bei den
Untersuchungen von Bonnélye et al. /28/
lediglich bei 5 %, was zu einem stärker
ausgeprägten organischen Fouling der
Umkehrosmose-Membranen führt /44/.
Die Ergebnisse könne nicht verallgemeinert werden, sie zeigen jedoch, dass bei
einer Auslegung einer Großanlage eine
sorgfältige Prüfung vor Ort notwendig ist.
Abschließend lässt sich festhalten, dass
die Ultrafiltration dem konventionellen
Pretreatment in vielen Fällen überlegen
ist. Dennoch unterstreichen die beschriebenen Ergebnisse, dass die Kombination
mit anderen Vorbehandlungsstufen zumindest an manchen Einsatzorten unumgänglich ist, um eine gute Wasserqualität zu gewährleisten. Nicht zuletzt dienen diese Verfahren auch der angemessenen Einstellung
der Parameter sowie der Vorbeugung vor
Membranverunreinigungen und -schäden.
4. Ausblick
Nach der Beschreibung der störenden
Wasserinhaltsstoffe im Zulauf einer
Umkehrosmoseanlage, den Systemen zur
Wasserentnahme sowie den Aufbereitungsverfahren werden in einem folgenden und letzten Beitrag die Kosten zur
Wasservorbehandlung behandelt. Dabei
wird besonders der Kostenvergleich zwischen dem konventionellen Pretreatment
und der Vorbehandlung durch eine Mikrobzw. Ultrafiltration vorgenommen. Auch
der Anteil der Vorbehandlungskosten an
den gesamten Kosten zur Trinkwasserbereitung durch eine Umkehrosmose wird
dargestellt.
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Schwerpunktthemen
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