figawa-arbeitskreis Ultrafiltration in der Kreislaufaufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser

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1 figawa-arbeitskreis Ultrafiltration in der Kreislaufaufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser

2 Inhalt 1. Einführung 2. Begriffsbestimmungen 3. Membranverfahren 3.1 Module, allgemein 3.2 Modultypen 4. Ultrafiltration 4.1 Allgemeines 4.2 Prozessführung 5. Der Ultrafiltrationsprozess in der Badewassertechnik 5.1 Filtration mit einem Kapillar / Hohlfasermodul 5.2 Spülung der Kapillarmembranmodule 5.3 Der Wasserkreislauf mit einer Ultrafiltrationsanlage 6. Quellenverzeichnis; Normen und Regelwerke 7. Die Autoren Hinweise zu Urheberrechten 2006, figawa Köln, Alle Rechte vorbehalten. Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere das Recht der Vervielfältigung und Verbreitung sowie der Übersetzung und des Nachdrucks, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung von figawa reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme vervielfältigt oder verbreitet werden. Auch die Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funk und Fernsehen sind vorbehalten. Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach e. V. Fon +49 (0) Technisch-wissenschaftliche Vereinigung Fax +49 (0) Postfach info@figawa.de Köln 2

3 1. Einführung Seit Anfang der 70-er Jahre werden Membranverfahren technisch erfolgreich umgesetzt. Ihr Einsatz dient vornehmlich der Abtrennung fein verteilter Stoffe aus Flüssigkeiten. Jede Membran ist im weitesten Sinne ein Filter. Entsprechend erfolgt auch die Trennung wie bei der Filtration. Mindestens eine Komponente des zu trennenden Gemisches kann die Membrane nahezu ungehindert passieren, während andere Komponenten mehr oder weniger stark zurückgehalten werden. [3] Die Tatsache, dass Membranen eine Trennung bis in den molekularen Bereich erlauben, lässt sie in Konkurrenz zu den klassischen Trennungsverfahren stehen. Klassische Festbettfilter wirken als Raumfilter, Membrananlagen und Anschwemmfilter hingegen als Oberflächenfilter. Bei den Membranverfahren wird das Wasser vereinfacht beschrieben mit Druck durch eine Membran gepresst. Art und Größe des abzutrennenden Wasserinhaltsstoffs bestimmen die Wahl des Membranverfahrens beziehungsweise den notwendigen transmembranen Druck. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen den Verfahren: Umkehrosmose (UO) Nanofiltration (NF) Ultrafiltration (UF) Mikrofiltration (MF) Abb. 1.1 Überblick über die Verfahren [1] Die Aufbereitung von Badebeckenwasser mittels Membrantechnik findet zurzeit nur mit der Ultrafiltrationstechnik statt. 2. Begriffsbestimmungen Im Folgenden sind die wichtigsten Begriffe der Membrantechnik und der Ultrafiltration erläutert. 2.1 Ausbeute (auch Recovery) Verhältnis zwischen produzierter Filtratmenge und der der Membranfiltrationsanlage zugeführten Wassermenge. Die Wasserverluste werden durch die Membranspülungen verursacht. 2.2 Chemische Reinigung Behandlung von Membranen mit Chemikalien, die erforderlich wird, wenn durch regelmäßige Spülung der gewünschte Filtratfluss nicht mehr erreicht wird. 3

4 2.3 Cross-Flow-Modus (CF-Modus) Betriebsart, bei der das aufzubereitende Wasser nur teilweise durch die Membranen filtriert wird. Anmerkung: Durch Rezirkulation des nicht filtrierten Teilstromes wird eine starke Überströmung der Membranoberfläche eingestellt, um eine Belagbildung einzuschränken. 2.4 Dead-End-Modus (DE-Modus) Betriebsart, bei der das aufzubereitende Wasser vollständig und ohne Rezirkulation durch die Membranen filtriert wird. Die anfallenden Verschmutzungen werden durch regelmäßige Spülungen entfernt. 2.5 Feed Dem Modul zulaufender Wasserstrom. Dies kann unbehandeltes oder vorbehandeltes Rohwasser sein. 2.6 Filtrat Ist das gereinigte Wasser, das das Membranmodul nach der Filtration verlässt. 2.7 Flächenbelastung (auch Flux oder Filtratfluss in I/(m²*h)) Auf die Membranfläche bezogene pro Zeiteinheit durchgesetzte Menge an Filtrat. 2.8 Verblockung Verminderung der Durchlässigkeit von Membranen für Wasser aufgrund von Ablagerungen auf der Membranoberfläche und/oder in den Membranporen. a. Scaling (anorganisch): Mineralische Ablagerungen auf der Membranoberfläche b. Fouling (organisch): Ablagerungen auf der Membranoberfläche, die durch mikrobiellen Bewuchs verursacht werden. 2.9 Deckschicht Auf der Membranoberfläche zurückgehaltene Feststoffe Membran Semipermeable (halbdurchlässige), teils poröse, teils homogene Trennschicht aus organischem oder anorganischem Material. Derzeit werden als Werkstoffe für Membranen in der Badewasseraufbereitung hauptsächlich PES (Polyethersulfon) und PS (Polysulfon) verwendet Membranfaser In der Schwimm- und Badebeckenwasseraufbereitung werden derzeit hauptsächlich Kapillar- und Hohlfasermembranen eingesetzt. Es wird unterschieden zwischen Single- und Multibore-Fasern (Einkanal- und Mehrkanal-Fasern). Siehe Abb Membranelement Kleinste Funktionseinheit einer Membrananlage. Diese bestehen aus mehreren tausend einzelnen Membranröhrchen (Membranfasern). Je nach Aufbau wird zwischen verschiedenen Membrantypen unterschieden Membranfiltration Abtrennung von Partikeln aus Wasser mittels Passage durch eine poröse Membran Membranfläche Die mit dem zu filtrierenden Wasser in Kontakt stehende Membranoberfläche Integrität Die einwandfreie Beschaffenheit der Membranen oder Module sowie die Unversehrtheit einer Membran bzw. eines Membranelementes. Wird durch einen Integritätstest bestimmt Modul Anschlussfertige, funktionsfähige Einheit aus einem oder mehreren Membranelementen Modulblock oder Modulstraße Anordnung mehrerer Module zu einer Einheit. Anmerkung: Jedem Block sind entsprechende technische Einrichtungen für Betrieb und Spülung zugeordnet, so dass ein autarker Betrieb eines Blockes möglich ist. Alle Module eines Blockes arbeiten gleichzeitig im gleichen Betriebsmodus. 4

5 2.18 Permeabilität Der auf den Transmembrandruck bezogene Filtratfluss bei einer bestimmten Temperatur (üblicherweise bei 20 C). Anmerkung: Übliche Einheit I/ (m²*h*bar) bei 20 C Spülung Reinigung der Membranen in definierten Zeitabständen um die aufgrund der zunehmenden Verschmutzung der Membranen mit der Zeit abnehmende Durchlässigkeit der Membranen wiederherzustellen. Bei der Spülung erfolgt die Wasserführung über oder durch die Membranen entgegen der Filtrationsrichtung. Es wird unterschieden zwischen Wasserspülungen und Spülungen mit Chemikalienzusatz Transmembrandruck (TMP, Transmembrane Pressure [bar]) Der über der Membran wirkende Differenzdruck, der sich aus der Differenz der mittleren Drücke auf der Feed- und der Filtratseite berechnet Trenngrenze Die Trenngrenze gibt an, bis zu welcher Größe die Membrane Partikel zurückhalten kann. Die für UF-Membranen angegebene Trenngrenze (siehe Abb. 1.1) liegt bei 0,01-0,1 µm und bei MF-Membranen > 0,2 µm. 3. Membranverfahren 3.1 Module, allgemein Die kleinste Gehäuseeinheit zur Aufnahme einer Membran wird als Modul bezeichnet. Neben der Aufnahme der Membranen müssen bei der Modulauslegung zusätzlich folgende Anforderungen berücksichtigt werden: gute, gleichmäßige Überströmung der Membran, keine Totwasserzonen mechanische, thermische und chemische Stabilität gute Reinigungsmöglichkeit kostengünstige und einfache Möglichkeit des Membranwechsels geringe Druckverluste 3.2 Modultypen Die Einteilung der Modultypen erfolgt entsprechend den Membranen, die in den Modulen integriert werden. Hauptsächlich werden dabei Kapillar- /Hohlfasermodule verwendet. Abb. 3.1: Beispielhafte Darstellung eines Kapillar-/Hohlfasermoduls [1] Die Membranen sind allgemein als einzelne Röhrchen geformt. Dadurch wird eine hohe Filterfläche bei vergleichsweise geringem Platzbedarf realisiert. Jede Membran besteht mindestens aus einer extrem dünnen Filtrationsschicht und einer schaumartigen Stützschicht. Je nach Membranhersteller befindet sich die Filtrationsschicht auf der Innen- oder Außenseite des Membranröhrchens (Membranfaser). In der Badewasseraufbereitung werden derzeit fast ausschließlich Membranen mit innen liegender Filtrationsschicht verwendet, d.h. es wird von innen nach außen filtriert. Ein in einer Ultrafiltrationskapillare entstehender Druckverlust bildet sich immer direkt an der Filtrationsschicht. Der Druckverlust innerhalb der Stützstruktur ist dabei so klein, dass er zu vernachlässigen ist. 5

6 4. Ultrafiltration 4.1 Allgemeines Die Ultrafiltration wird zur Abtrennung von Partikeln mit Durchmessern zwischen 0,1 und 0,01 μm eingesetzt. Das aufzubereitende Wasser wird durch das Membranmodul gepumpt. Das Wasser passiert die Membran, während unerwünschte Wasserinhaltsstoffe an der Membranoberfläche zurückgehalten werden. Die Trennwirkung beruht im Wesentlichen auf Siebeffekten. Die typische Anwendung der Ultrafiltration ist der Rückhalt von kolloidal gelösten Stoffen und Makromolekülen. Besonders aufgrund der sicheren Rückhaltung von Mikroorganismen wie Viren, Bakterien und Parasiten ist dieses Verfahren für die Badewasseraufbereitung geeignet. Die Größenverhältnisse zwischen den auftretenden, zurückgehaltenen Keimen und den Membranporen werden durch die folgende Abbildung verdeutlicht: Abb. 4.1 Größenverhältnisse zwischen UF- bzw. MF- Membran und häufig auftretenden Wasserkeimen [1] 4.2 Prozessführung Bei der Ultrafiltration unterscheidet man zwischen statischem und dynamischem Betrieb Querstromfiltration (Crossflow-Betrieb) Beim dynamischen Betrieb, Querstromfiltration oder auch Crossflow genannt, wird eine membranparallele Überströmung durchgeführt, wie nachfolgende Abbildung zeigt. Abb. 4.2: Schemadarstellung des Crossflows eines Membranmoduls [2] Die Rezirkulation dient zur Reduzierung der Deckschichtbildung auf der Membran. Durch die Überströmgeschwindigkeit kann die Deckschichtbildung beeinflusst werden. Eine regelmäßige Spülung ist erforderlich. Der Crossflow-Betrieb wird in der Hauptsache bei hohen Feststoff- Konzentrationen eingesetzt, das Dead- End-Verfahren bei geringen Feststoffgehalten. 6

7 4.2.2 Dead-End Betrieb (Statischer Betrieb) Beim statischen Betrieb, oder auch Dead-End Betrieb genannt, wird auf eine Rezirkulation des Wassers verzichtet. Das gesamte Zulaufwasser wird, ähnlich wie bei einem Kaffeefilter, durch die Membran gepresst. Alle zurückgehaltenen Partikel lagern sich auf der Membran ab und bilden eine anwachsende Deckschicht, siehe Abbildung 4.3. Abb. 4.3: Schemadarstellung des Dead-End Betriebs eines Membranmoduls [2] Der mit der Deckschicht anwachsende Strömungswiderstand bedingt eine Abnahme des Filtratflusses, die durch Erhöhung des Drucks kompensiert werden kann. Der Filtratfluss wird in der Badewasseraufbereitung konstant gehalten. Damit der Druck nicht so stark erhöht werden muss, wird das Modul in periodischen Abständen gespült. Bei der Ultrafiltration im Badewasser ist der Dead-End Betrieb das gängige Verfahren. Abb. 4.4: Schematische Darstellung eines Spülvorgangs eines Membranmoduls [2] Das für die Spülung benötigte Filtrat wird entweder im Spülwasserspeicher bevorratet oder von parallel arbeitenden Filtereinheiten zur Verfügung gestellt. 7

8 5. Der Ultrafiltrationsprozess in der Badewassertechnik 5.1 Filtration mit einem Kapillar / Hohlfasermodul Im Mantelrohr befinden sich Kapillarröhrchen, die an ihren Enden in einem Harz vergossen sind und so in den Rohren befestigt sind. Das Filtrat wird entweder durch ein zentrales Sammelrohr oder durch Anschlüsse im Mantel abgeführt. Das Rohwasser strömt stirnseitig in die Kapillaren ein. µm Abb. 5.1 Beispielhafter Aufbau Kapillar/Hohlfasermembranmoduls mit Darstellung der Durchströmung [1] 5.2 Spülung der Kapillarmembranmodule Mit laufender Filterstandzeit bildet sich eine Deckschicht, die verschiedene Formen annehmen kann. Um diese Deckschicht abzubauen, erfolgt in regelmäßigen Abständen eine Spülung. Dazu wird die Membran in umgekehrter Richtung durchströmt und der Schmutz ausgespült. Abb. 5.2 Schematische Darstellung einer Membranspülung mit vorheriger Überspülung (Forward Flush) in einem vertikalen Kapillarmembranmodul [1] 8

9 Der gesamte Vorgang der Spülung dauert etwa 30 bis 80 Sekunden und kann block- oder straßenweise erfolgen, während andere Modulstraßen im normalen Filtrationsbetrieb bleiben. Die Notwendigkeit einer Spülung ergibt sich aus der Überwachung der Druckdifferenz. Überschreitet dieser Druck den Sollwert, erfolgt die Spülung vollautomatisch bzw. die zeitgesteuerte Spülung wird über die Anlagensteuerung vorgegeben. Graphisch stellen sich die Vorgänge der Filtration sowie die der Spülung wie folgt dar: α α Abb. 5.3: Veranschaulichung der Spülintervalle und der chemischen Reinigung bei Membranmodulen [1] Neben den Wasserspülungen erfolgen automatisch bedarfsgerechte chemische Spülungen, bei denen dem Wasser zusätzlich Reinigungs- und Desinfektionsmittel zudosiert werden. Durch eine erhöhte Konzentration an Desinfektionsmitteln wird der Bildung von Fouling entgegengewirkt. Das anfallende Spülabwasser sollte über eine Aufbereitung dem Kreislauf zurückgeführt werden. 9

10 5.3 Der Wasserkreislauf mit einer Ultrafiltrationsanlage Das Schwallwasser aus der Überlaufrinne sammelt sich im Schwallwasserbehälter. Von dort wird das Rohwasser mittels Umwälzpumpen entnommen. Ein Vorfilter schützt die Membranen vor groben Verunreinigungen. Abb. 5.4 Darstellung eines Wasserkreislaufs mit Ultrafiltration [1] Im nächsten Schritt tritt das vorgefilterte Rohwasser in die Ultrafiltrationsanlage ein. Dort werden kolloidal gelöste Inhaltsstoffe durch die Membranen zurückgehalten. Um den sich dort bildenden Deckschichten entgegen zu wirken, werden die Membranmodule regelmäßig vollautomatisch gespült. Die im Badewasser enthaltenen gelösten Desinfektionsnebenprodukte (THM Trihalogenmethan, Chloramin etc.) müssen durch zusätzliche Verfahrenstufen wie z.b. durch die Zugabe von Pulveraktivkohle (in Abb. Variante 1), Filtration über Kornaktivkohle (in Abb. Variante 2) oder durch UV-Wasserbehandlung (in Abb. Variante 3) vermindert werden. Grundsätzlich gilt, dass bei dem Einsatz von UF-Anlagen, Anlagenkomponenten wie das Schwallwassersystem sowie die gesamte Beckenhydraulik abgestimmt sein müssen. Insbesondere gilt dies, da die derzeit in Betrieb befindlichen Anlagen mit reduzierter Umwälzleistung betrieben werden. 10

11 6. Quellenverzeichnis; Normen und Regelwerke Literatur: Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung. Verlag Chemie, Weinheim, 2002 DIN Deutsches Institut für Normung e.v.: DIN Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser: Teil 1-Allgemeine Anforderungen. Beuth Verlag Berlin, 1997 DIN Deutsches Institut für Normung e.v.: DIN Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser: Teil 2-Verfahrenskombination:Adsorption-Flockung-Filtration-Chlorung. Beuth Verlag Berlin, 1997 DIN Deutsches Institut für Normung e.v.: DIN Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser: Teil 3-Verfahrenskombination: Flockung-Filtration-Ozonung-Sorptionsfiltration-Chlorung. Beuth Verlag Berlin, 1997 DIN Deutsches Institut für Normung e.v.: DIN Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser: Teil 4-Verfahrenskombination: Flockung-Ozonung-Mehrschichtfiltration-Chlorung. Beuth Verlag Berlin, 1997 DIN Deutsches Institut für Normung e.v.: DIN Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser: Teil 5-Verfahrenskombination: Flockung-Filtration-Adsorption an Aktivkornkohle- Chlorung. Beuth Verlag Berlin, 1997 Rautenbach, R.: Membranverfahren, Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer Verlag, Berlin, 1997 Quellen [1] Broschüre: Einführung in die Ultrafiltration, W.E.T. GmbH, Kasendorf [2] Inge AG, Greifenberg [3] Rautenbach, R.: Membranverfahren, Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer Verlag, Berlin, Die Autoren Die vorliegende Empfehlung wurde maßgeblich von den Mitgliedern des Arbeitskreises Schwimmbeckenwasseraufbereitung erarbeitet. Seit 1926 organisieren sich Hersteller und Dienstleister von Produkten des Gas- und Wasserfachs in einem technisch-wissenschaftlichen Dachverband, der Bundesvereinigung der Firmen im Gas- und Wasserfach figawa e. V. Das Ziel dieser Vereinigung besteht seit ihrer Gründung darin, Produkte und Verfahren im Hinblick auf Sicherheit, Hygiene, Umweltschutz und Wirtschaftlichkeit in Regelwerken zu verankern. Insgesamt sind mehr als tausend Unternehmen Mitglied in der figawa. Einen aktuellen Überblick finden Sie unter 11

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