Membranverfahren

Insbesondere in Regionen mit Wasserknappheit, z.B. im Nahen Osten, gewinnt die Bereitstellung von Trinkwasser aus Meerwasserentsalzungsanlagen zunehmend an Bedeutung. Aber auch die Aufbereitung zu chemisch und bakteriologisch unbedenklichem Trinkwasser aus Oberflächenwasser wird künftig zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Membranen kommen in der Wasseraufbereitung im Wesentlichen für zwei Aufgabenbereiche zum Einsatz: die Mikro- und Ultrafiltration wird für die Partikelentfernung verwendet, zur Enthärtung und Entsalzung von Grundwässern werden immer häufiger Nanofiltrations- und Umkehrosmoseverfahren eingesetzt. Für diese Anwendung liegen inzwischen Praxiserfahrungen aus dem Betrieb mehrerer Anlagen vor.

Membranen zur Wasserfiltration unterscheiden sich hinsichtlich der Porengröße. Je kleiner die Poren sind, umso größer muss die angelegte Druckdifferenz sein, um das Wasser durch die Membran zu pressen. Membranen für die Mikrofiltration (MF) bestehen aus organischem Material oder Keramik. Keramische Membran-Materialien sind robust, hoch temperaturbeständig und können in einem weiten pH-Bereich eingesetzt werden. Nachteile von Keramikmembranen sind die Sprödigkeit des Materials und die höheren Kosten. Bisher setzte man keramische Materialien bis zu Porengrößen von 0,1 µm ein. Viren und Pestizide, die kleiner als 0,1 µm sind, werden vor allem mit Ultrafiltrationsmodulen (UF) abgeschieden. Mit zusätzlich aufgebrachten Trennschichten aus Titan- oder Zirkoniumdioxid können neuerdings jedoch auch Keramikmembranen für diese Zwecke verwendet werden.

Bei der Abscheidung noch kleinerer Partikel, wie beispielsweise bei der Enthärtung und Entsalzung, kommen Nanofiltration (NF) oder Umkehrosmose (UO) zum Einsatz. Diese Membranen sind keine porösen Materialien mit definierter Porenweite, sondern homogene Polymerschichten, die aufgrund ihrer Struktur bestimmte Inhaltsstoffe zurückhalten.

Nanofiltration oder Umkehrosmose

Eine strenge Abgrenzung zwischen NF und UO ist nicht möglich. Zwischen vergleichsweise dichteren NF-Membranen und offenen UO-Membranen (Niederdruckumkehrosmose) besteht ein fließender Übergang. Die Wahl der geeigneten Membran für ein bestimmtes Anwendungsgebiet hängt von der jeweiligen Aufgabenstellung ab. Entscheidungskriterium ist das Rückhaltevermögen der Membran für den zu entfernenden Wasserinhaltsstoff. Zur Entfernung von zweiwertigen Ionen (z. B. Härtebildner und Sulfat) werden meist NF-Membranen eingesetzt, die für einwertige Ionen ein geringeres Rückhaltevermögen aufweisen.

Solche Membranen weisen im Allgemeinen auch ein gutes Rückhaltevermögen für Huminstoffe auf. Zur Entfernung niedermolekularer gelöster organischer Wasserinhaltsstoffe sowie einwertiger Ionen sind eher UO-Membranen einzusetzen. Der Nachweis von Spurenstoffen in Grundwässern und Uferfiltraten und die Entwicklung geeigneter Verfahren zu deren Entfernung sind wichtige Themen für die Trinkwasserbereitstellung. Aktuelle Forschungen befassen sich mit verschiedenen Membranverfahren in Bezug auf ihre Einsatzmöglichkeiten für diese Aufgabenstellung.

Der Wirkungsgrad der Membranen beim Spurenstoffrückhalt ist abhängig vom eingesetzten Membrantyp und den Eigenschaften der Spurenstoffe. Für viele organische Spurenstoffe wird mit entsprechenden NF/UO-Membranen ein weitgehender Rückhalt erreicht. NF/UO-Membranen entfernen allerdings Einzelstoffe nicht selektiv, sondern prinzipiell alle Stoffe, die größer als die jeweilige Trenngrenze der Membran sind. Die Entfernung von Spurenstoffen ist daher immer auch mit einer Enthärtung und Entsalzung verbunden. Da das Permeat aus der Umkehrosmose praktisch frei von Mineralstoffen ist, muss es, um die Anforderungen der Trinkwasserverordnung zu erfüllen, stets nachbehandelt werden. Unter Umständen ist auch eine Vorbehandlung des Rohwassers durch weitere aufbereitungstechnische Maßnahmen erforderlich.

Probleme bei der Trinkwasseraufbereitung durch Membranfilterverfahren entstehen oft durch das sogenannte Fouling. Hierbei lagern sich Stoffe aus dem Rohwasser auf der Membranoberfläche und in den Membranporen ab. Durch diese Ablagerungen sinkt die Durchlässigkeit der Membran. Als Resultat erhöht sich der Druck, der für die Filtration aufgebracht werden muss, was sich auf die Energiekosten und den Spülwasserbedarf negativ auswirkt.

Neben dem Fouling kann, insbesondere bei NF- und UO-Verfahren, auch das sog. Scaling einen Rückgang der Permeabilität verursachen. Scaling entsteht durch eine Krustenbildung auf der Membran, die durch das Überschreiten der Sättigungskonzentration eines bestimmten Stoffs verursacht wird.

Üblicherweise wird zur Beherrschung von Scaling eine Konditionierung des Rohwassers durch Zugabe bestimmter Wirkstoffe, sog. Antiscalants, vorgenommen. Hierfür werden in vielen Anlagen phosphathaltige Polymerlösungen und neuerdings auch Polycarboxylate eingesetzt. Zugelassen sind nur die in der Trinkwasserverordnung § 11 gelisteten Aufbereitungsstoffe. Die verwendeten Substanzen reichern sich bei der Filtration mit den von den UO- oder NF-Membranen zurückgehaltenen Wasserinhaltsstoffen im Konzentrat an. Dieser Teilstrom in Höhe von ca. 20 Prozent der Zulaufwassermenge muss abgeleitet werden. Im günstigsten Fall erfolgt dies in einen Vorfluter, wobei die jeweils gültigen behördlichen Vorgaben zu beachten sind. An der Konzentratableitung scheitert die Umsetzung der Membranfiltration in der Öffentlichen Trinkwasserversorgung in Deutschland jedoch häufig. Unter Umständen ist eine separate Behandlung des Konzentrates vor dessen Ableitung erforderlich. Hierzu besteht noch Forschungsbedarf.

Tab.: Filtrationsstufen, Porengröße und zu entfernende Stoffgruppen

Aktive Schicht 0,1 ... 1,0 µm aus Celluloseacetat oder Polyamid 

Abbildung Membranfilter