Abwasserbehandlung/-aufbereitung Filtrationstechnologie

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1 Leonardo da Vinci Projekt Nachhaltigkeit in der gewerblichen Wäscherei Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Abwasserbehandlung/-aufbereitung Filtrationstechnologie Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 1

2 Inhalt Abwasserbehandlung und Wasserqualität Abwasserbehandlungsmethoden Membranfiltration: Wie funktioniert das? Membranfiltration: Technologieauswahl Umkehrosmose Ultrafiltration Keramikmembranen Membranfiltration und Kosten Vorfiltrierung und Partikelfiltration Grenzwerte und Wartung Einfache Filtrationsmethoden und Wiederaufbereitungsmethoden Zusammenfassung Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 2

3 Lernziele Nach Beendigung dieses Kapitels werden Sie: Grundkenntnisse über Filtrationsmethoden aufweisen können und wissen wie diese Methoden zur Abwasseraufbereitung angewendet werden können in der Lage sein, die optimale Filtrationsmethode hinsichtlich Beschaffenheit des aufzubereitenden Wassers sowie der gewünschten Qualität des Ergebnisses auszuwählen die Bedeutung der Vorbehandlungsschritte für eine erfolgreiche Membranfiltration kennen wissen, warum und wie Filtersysteme gewartet werden wissen, wie man mit mit einer einfachen Filtrationsmethode und dem passenden Waschprozess erhebliche Mengen an Wasser sparen kann Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 3

4 Abwasseraufbereitung Möchten Sie die Qualität ihres Abwassers verbessern oder Wasser zur Wiederverwendung aufbereiten?... und möglichst Geld sparen? AUSGANG Wasser EINGANG Abwasser Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 4

5 Abwasser Zusammensetzung Die Zusammensetzung des Abwassers kann erheblich variieren und beeinflusst die Auswahl der geeigneten Aufbereitungsmethode CSB BSB ph Ptot Ntot TSS* mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Normal Schwer verschmutzt Quelle: Vercaemst & Dijkmans, BBT-studie, 1999 Von besonderer Bedeutung sind Schwermetallionen Kohlenwasserstoffe AOX Flusen * TSS = total dissolved solids gelöste Stoffe Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 5

6 Abwasserbehandlung Ergebnis In Erwägung der Abwasserqualität, die erhalten werden soll, müssen folgende Parameter beachtet werden: - CSB-Gehalt (niedrig) - Salzgehalt (niedrig) - Metalle (Abwesenheit von) - Farbpigmente (Abwesenheit von) - biologische Aktivität (inaktiv) Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 6

7 Abwasseraufbereitungsmethoden Klassische Aufbereitungsmethoden (WH): Fällung/Flockung (& Sedimentation, Flotation) - Ziel: Entfernung von Schwebstoffen, Kolloiden, natürlichen organischen Materials Aktivkohlefiltration - Ziel: Entfernung von natürlichem organischen Material sowie Kontamination durch Mikroorganismen Oxidation (Ozon, UV, Chlor, Hydrogenperoxide) - Ziel: Abbau organischen Materials, Desinfektion Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 7

8 Abwasseraufbereitungsmethoden Biologische Methoden - Ziel: Abbau organischen Materials, Stickstoff, Eisen Destillation & Evaporation - Ziel: Entfernung von Lösemittel, Ölen Filtration - Ziel: Entfernung von Verschmutzung je nach Partikelgröße - im Folgenden wird sich ausschließlich mit der Membranfiltration befasst Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 8

9 Membranfiltration: Wie funktioniert das? Ein einfaches Schema zur Verdeutlichung des Wirkmechanismusses Permeat: Das von Bakterien, Härtebildnern und Schwermetallen befreite Fluid (hier: Wasser), Retentat: Herausgefilterte Stoffe RETENTAT PERMEAT ZULAUF PERMEAT Quelle: VITO Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 9

10 Membranfiltration: Technologieauswahl Diese Übersicht zeigt, wie anhand der Größe des zu filternden Materials die richtige Technologie auszuwählen ist Separationsprozess Umkehrosmose Nanofiltration Ultrafiltration Mikrofiltration Partikelfiltration Relative Teilchengröße Mikrometer ca. Molekulargewicht wäßrige Salze Metallion Synthetische Farben Laktose (Zucker) Milchproteine Gelatine Endotoxin Pyrogen Virus Silizium kolloidal Rote Blutkörperchen Inigoblaue Farbe Bakterium Öl-Emulsion Cryptosporidium Cyste Giardia Fettmizellen Aktivkohle menschl. Haar Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 10

11 Membranfiltration: Auswahlverfahren Die Qualität des Permeats hängt stark von der ausgewählten Filtrationsmethode ab Beispiele von links nach rechts: zugeführtes Abwasser, Ultrafiltrationspermeat und Permeat aus der Umkehrosmose source: Wehrle source: VITO Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 11

12 Umkehrosmose Feinste Partikel (inkl. Salzen) können durch Umkehrosmose mit qualitativ hochwertigen Membranen entfernt werden. Separationsprozess Umkehrosmose Nanofiltration Ultrafiltration Mikrofiltration Partikelfiltration Relative Teilchengröße Mikrometer ca. Molekulargewicht wäßrige Salze Metallion Synthetische Farben Laktose (Zucker) Milchproteine Gelatine Endotoxin Pyrogen Virus Silizium kolloidal Rote Blutkörperchen Inigoblaue Farbe Bakterium Öl-Emulsion Cryptosporidium Cyste Giardia Fettmizellen Aktivkohle menschl. Haar Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 12

13 Umkehrosmose spiralförmige Membranen Eine spiralförmig gewickelte Membran, die aus einer oder mehreren Schichten von Memranenhüllen, die um ein perforiertes Rohr gewickelt werden, besteht. Das Permeat passiert die Membranhüllen und wird spiralförmig nach innen geleitet. Perforiertes Rohr Maschengitter Verbindungsstück Retentat Abwasser Permeatfluss Retentat Abwasser Membran Adhäsive Schicht Membranrückseite Permeatträger source: GE Water Technologies Quelle: GE Water Technologies Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 13

14 Umkehrosmose spiralförmige Membranen Das spiralförmig gewickelte Membranelement besteht aus einer oder mehreren Membranhüllen, die um ein perforiertes Rohr gewickelt sind. Das Permeat passiert die Membranen, die spiralförmige Wicklung befördert das Permeat nach innen Quelle: GE Water Technologies source: GE Water Technologies Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 14

15 Querstromprinzip Polarisation: In der Nähe der Membranoberfläche ist eine erhöhte Konzentration an Stoffen aus dem Abwasser zu finden. Abwasser Permeat Membran source: VITO Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 15

16 Querstromprinzip Starke Polarisierung und Konzentration der Stoffe hat zu Folge: I) Stark herabgesetzte Fließgeschwindigkeit II) Diffusion von Salzen durch die Membran III) Ausfällung und Ablagerung von Salzen FEED Abwasser Permeat Permeate t - C wand - C bulk Membrane Quelle: VITO Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 16

17 Gegenstromprinzip Gegenstrom ist erforderlich um Aufkonzentrierung zu vermeiden. FEED Abwasser Permeat Permeate t - C wand Membrane - C bulk Quelle: VITO Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 17

18 Umkehrosmose Aufkonzentrierung erfordert den Aufbau einer Umkehrosmoseanlage: Abwasser Feed Module Pressure Druckrohr tube Retentate Permeate source: VITO 1 50% Wiederherstellung % Wiederherstellung 85% Wiederherstellung Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 18

19 Umkehrosmose Beispiel für eine Umkehrosmoseanlage Quelle: Christeyns Ltd. Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 19

20 Umkehrosmose Beispiel für eine Umkehrosmoseanlage Quelle: Christeyns Ltd. Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 20

21 Ultrafiltration Schmutz aus Arbeitskleidung wie z.b. Öle und Bakterien können durch Ultrafiltration entfernt werden. Separationsprozess Umkehrosmose Nanofiltration Ultrafiltration Mikrofiltration Partikelfiltration Relative Teilchengröße Mikrometer ca. Molekulargewicht wäßrige Salze Metallion Synthetische Farben Laktose (Zucker) Milchproteine Gelatine Endotoxin Pyrogen Virus Silizium kolloidal Rote Blutkörperchen Inigoblaue Farbe Bakterium Öl-Emulsion Cryptosporidium Cyste Giardia Fettmizellen Aktivkohle menschl. Haar Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 21

22 Ultrafiltration Anwendung - Abwasserbehandlung für Betriebe, in denen Arbeitskleidung gewaschen wird - Vorbehandlung vor der Umkehrosmose Anforderungen an die Abwasserqualität: - gelöste Stoffe < 50 mg/l - Vorfiltrierung ± 200 µm Permeatwasserqualität: - SDI < 2 ( Silt Density Index, Verblockungs-Index, Kolloid-Index ) - Trübungsindex < 0.1 NTU - Mikroorganismen-Reduktion um log 4 (virus) bis log 6 (Bakterien) Wiederaufbereitungsquote: % Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 22

23 Ultrafiltration Beispiel für eine Ultrafiltrationsanlage: Quelle: Christeyns Ltd. Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 23

24 Keramikmembranen Keramikmembranen sind sehr robust (Säure, Laugen, Temperatur) Mikroskopansicht und Struktur einer Ultrafiltrationsmembran aus Keramik unter dem Mikroskop: Obere Schicht Mittlere Schicht Unterstützende Schicht Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 24

25 Membranfiltration Höhere Membranqualität bedeutet höhere Kosten Mikrofiltration & Ultrafiltration: Durchflussrate : l/h.m² Druck < 1.5 bar, Energieverbrauch: 0,1 kwh/m³ Kosten : EURO/m³ Nanofiltration: Durchflussrate: 20 l/h.m² Druck < 10 bar, Energieverbrauch 0.5 kwh/m³ Kosten: EURO/m³ Umkehrosmose: Durchflussrate: 15 l/h.m² Druck < 10 bar, Energieverbrauch ~ 0.5 kwh/m³ Kosten < 0.4 EURO/m³ Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 25

26 Vorfiltration Vorfiltration ist unbedingt notwendig! Die Anwendung von Vorfiltrationmethoden wie z.b. Partikelfiltration ist unbedingt notwendig um sicherzustellen, dass die Membranen nicht sofort verstopfen Partikelfiltration kann z.b. Der Ultrafiltration vorausgehen, diese wiederum der Umkehrosmose oder Nanofiltration Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 26

27 Partikelfiltration Es gibt eine Reihe von Produkten zur Partikelfiltration: DRUCKFILTRATION * Kassettenfilter * Taschenfilter * Siebe * automatische Filter * Sandfilter * Filterpressen * rotierende Trommelfilter VAKUUMFILTRATION * rotierende Trommelfilter mit Vorstrich * rotierende Filter FILTRATION DURCH SCHWERKRAFT * statische Siebe * rotierende Siebe * vibrierende siebe ZENTRIFUGALFILTRATION * Zentrifuge * Dekanter Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 27

28 Partikelfiltration Siebe ( mm) statisch keine beweglichen Teile anfällig für Verstopfung Reinigung ist teuer rotierend fast kein Verstopfen verlässlich teuer vibrierend Wartung Energie Lautstärke sehr effizient Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 28

29 Leistungsbegrenzende Parameter Leistungs begrenzende Parameter Abnutzung Scaling, fouling Ablagerungen sonstige Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 29

30 Leistungsbegrenzende Parameter Abnutzung Säure Alkali Aktiver Sauerstoff Lösungsmittel Mikroorganismen Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 30

31 Leistungsbegrenzende Parameter Ablagerungen Fouling: Metalloxide, Kolloide, Biostoffe Scaling: CaSO 4, CaCO 3 Scaling: Mg(OH) 2 Scaling: SiO 2 Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 31

32 Fouling source: VITO Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 32

33 Fouling regulärer Reinigungsprozess mit speziellen Detergenzien verlängert die Lebensdauer von Membranen: Fouling: Anziehen hydrophober Materialien Ansteigen von: Ansteigen von: -Ladungsdichte -ph-wert -Polarität Masse/Dichte Verhältnis Ladungsanziehungskraft Anzahl zweiwertiger Kationen source: VITO Reinigung: elektrostatische Abstoßung Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 33

34 Scaling & Siliziumlöslichkeit Anwendung passender Wasch- und Waschhilfsmittel ist ein zentraler Punkt bei Anwendung der Membranfiltration zur Abwasseraufbereitung Einsatz eines Anti-Scaling-Produktes ist nötig Solubility ( ppm) ph source: AKZO PQ Solubility of silica at ambient temperature as a function of ph. ( SHEIKHOLESLAMI R (1999)) Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 34

35 Einfache Filtrationsmethoden Bei Anwendung einfacher Filtrationsmethoden kann aufbereitetes Wasser wiederverwendet werden mit erheblichem Einsparpotenzial Vor Einführung effizienterer, aber kostspieliger Membransysteme sollten einfache Filtersysteme in Betracht gezogen werden Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 35

36 Mikrofiltersystem -> Filtrat -> Zufluss < Rückfluss Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 36

37 Mikrofilter Wassereinsparung in L/kg Textil, gesamte Wäscherei Rückgewin nung Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 37

38 Wasserverbrauch von 2,5 l/kg* vgl. 3-4 Sanoxy Prozess Fresh water through meter 2 l/kg recov 0,5 l/kg fresh 2 l/kg fresh P RESS Centre tank 2 l/kg Tank B A Backflush LINT-X A B 1000 ltr Back-up 1000 ltr Back-up *Sanoxy Plus process DRAIN Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 38

39 Ressourcenwiederaufbereitung vgl. 3-4 Sanoxy Prozess Integrierte Lösungen führen meist zu maximaler Wasser- und Kosteneinsparung, zum Beispiel: SANOXY Wassereinsparung Heat-X Energieaufbereitung Steam-X Dampf-Aufbereitung Lint-X Wasser-Aufbereitung Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 39

40 Membranfiltration - Zusammenfassung Ob der Einsatz lohnt ist stark vom Wasserpreis abhängig Membranpreise sinken; trotzdem ist der Einsatz von Membrantechnologie teuer Investment Kosten sind im Verhältnis höher Vorbehandlung des Abwassers ist wichtig Angepasste Wasch- und Waschhilfsmittel sind vonnöten Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 40

41 Modul 1 Wasserverwendung Kapitel 5 c Filtration 41