Informationsveranstaltung Sicherung der Trinkwasserqualität Aufbereitungsverfahren: Membranfiltration. Meschede, Stefan Panglisch

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2 Informationsveranstaltung Sicherung der Trinkwasserqualität Aufbereitungsverfahren: Membranfiltration Meschede, Stefan Panglisch

3 Inhalte Partikel und ihre Bedeutung Notwendigkeit der Partikelabtrennung und Aufbereitungsziele Aufbereitungsverfahren zur Partikelabtrennung Membranfiltrationsverfahren Kleinanlagen zur Partikelentfernung gemäß DIN (Mai 2007) Desinfektion nach der Aufbereitung Anforderungen an Membranen und Membrananlagen 3

4 Größenbereiche von Wasserinhaltsstoffen nach DVGW W

5 Partikel... sind sowohl in Oberflächenwasser als auch in Grundwässern zu finden können z. B. bestehen aus: Ton, Lehm, Eisen-, Mangan-, Kalkverbindungen, ungelösten Salzen Bakterien, Viren, Algen, Parasiten organischen Kolloiden oder Makromolekülen können auch während eines Aufbereitungsprozesses dem Wasser zugegeben werden oder entstehen 5

6 ... Partikel Können per se pathogen sein Pathogene umhüllen und so vor der Wirkung von Desinfektionsmaßnahmen schützen evtl. die Abtrennung von Pathogenen erschweren als Nährstofflieferant zur Wiederverkeimung bei der Trinkwasserverteilung beitragen als Vorläufersubstanzen für Desinfektionsnebenprodukte dienen das Trinkwasser in seiner Akzeptanz durch den Verbraucher beeinträchtigen (Trübung als organoleptischer Parameter) 6

8 Monster Soup, Thames Water

9 Monster Soup, Thames Water 1828 Giardia Polio-Virus Bakterien Cryptosporidium 9

10 Monster Soup, Milwaukee, Wisconsin 1993 Giardia Cryptosporidium 10

11 Milwaukee 1993 Größter trinkwasserbedingter Ausbruch einer Infektionskrankheit (Cryptosporidiose) in einem Industrieland in neuerer Zeit März April 1993 Ursachen: Cryptosporidien (3-7 µm) im Rohwasser (Lake Michigan) Aufbereitung: Flockung, Filtration, Chlorung Trübung im aufbereiteten Wasser, erhöhte Chlorung, unauffällige bakteriologische Befunde Geschätzt ca Erkrankungen 111 Tote (Kosten: > 130 Mio. Dollar)? hohe Resistenz der Oocysten gegenüber Desinfektionsmitteln (hinreichend wirksame Inaktivierung der Oocysten erst bei dem fachen der zulässigen Konz.) 11

12 12

13 Cholera in Hamburg 1892 Krankheitsfälle Todesfälle Die Cholera an der Grenze von Hamburg und Altona (Ausschnitt). Oberhalb der Grenzlinie (Altona), unterhalb der Grenze Hamburg. Die schwarzen Punkte markieren die Erkrankungen, häufig tötlichen Ausgangs. Unterschiedliche Häufigkeit der Cholera an der Grenze von Hamburg zu Altona infolge verschiedenartiger Wasserversorgungssysteme (Wassergewinnung aus der Elbe mit (Altona) und ohne (Hamburg) Filtration). 13

14 Trinkwasseraufbereitung und Rückgang der Typhusfälle in den USA 14

15 Aufbereitungsgebot 5 Mikrobiologische Anforderungen Absatz 4: Aufbereitungsgebot Soweit der Unternehmer [...] hinsichtlich mikrobieller Belastungen des Rohwassers Tatsachen feststellen, die zum Auftreten einer übertragbaren Krankheit führen können, oder annehmen, dass solche Tatsachen vorliegen, muss eine Aufbereitung, erforderlichenfalls unter Einschluss einer Desinfektion, nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik erfolgen. Desinfektion/ Inaktivierung Aufbereitung/ Elimination 15

16 TrinkwV Trübung < 1 NTU (= FNU) UBA Trübung (Einzelfilter) < 0,2 FNU Liste gem. 11 TrinkwV Trübung: < 0,1-0,2 FNU (gilt nur bei nachfolgender Desinfektion) FA Wasseraufbereitung Trübung (Gesamtfiltrat) < 0,1 FNU TK Wasseraufbereitung -Trübung < 0,1 FNU 16

18 Sedimentation Oberflächenwasser, ggf. Untergrundpassage Flockung Filtration Oberflächenwasser - große Versorgungen alle Filterverfahren gleichberechtigt Flockung vielfach sinnvoll - bei Schnellfiltration obligatorisch Desinfektion obligatorisch Multibarrierensystem Quell-/Karstwasser - kleine Versorgungen Membranfiltration Verfahren der Wahl Flockung nicht regelmäßig notwendig in der Regel Desinfektion; Ausnahmen möglich Karst-/Quellwasser Membranfiltration Schnellfiltration Langsamfiltration Flockung Membranfiltration Membranfiltration Membranfiltration Desinfektion Desinfektion Netz Netz 18

19 Kleinanlagen zur Partikelentfernung Kleinanlagen nach TrinkwV, 2011: Aufbereitungsmenge Trinkwasser zur eigenen Nutzung weniger als 10 m³ pro Tag Kleinanlagen nach DIN : Aufbereitungsmenge Trinkwasser zur eigenen Nutzung weniger als m³ pro Jahr Vorzugsverfahren gemäß DIN Mikro-, Ultra-, Langsamsandfiltration 19

21 Prinzip der Membranfiltrationsverfahren Richtung der Flüsse Umkehrosmose (RO) Nanofiltration (NF) Ultrafiltration (UF) Mikrofiltration (MF) keine Poren d pore 1 nm d pore nm d pore 50 nm p = bar p = 3-10 bar p = bar p = bar Membran Ungelöste Stoffe Partikel, Kolloide wie bspw. Bakterien Parasiten Algen Tonpartikel Viren Gelöste Stoffe organische Stoffe, hochmolekular organische Stoffe, mittlere Größe organische Stoffe, niedermolekular anorganische Stoffe: Ionen, mehrwertig Ionen, einwertig 21

22 Niedrigdruck-Membranprozesse 22

23 Aufbau einer Kapillarmembran 23

24 Betriebsweisen von Kapillarmembranen In / Out Betrieb Out / In Betrieb Rückspülung Rückspülung schlammhaltiges Wasser schlammhaltiges Wasser 24

25 Kapillarmodul im eigenen Druckrohr Kapillarmembranen Mantelrohr Feed Konzentrat Filtrat Harz Membran Faserdurchmesser: 0,5-5 mm 25

26 Modulsysteme: Nicht standardisiert Große Vielfalt 26

27 Betrieb einer mit Überdruck betriebenen MF/ UF Zulauf- Pumpe Membran Modul Rohwasser Filtrat Tank 27

28 Rückspülung (Backwash) einer mit Überdruck betriebenen MF/ UF Membran Modul Schlammhaltiges Spülwasser Spülpumpe Filtrat Tank 28

29 Überströmspülung (Forward-Flush) einer mit Druck betriebenen MF/ UF Zulauf Pumpe Membran Modul ggf. Luft Schlammhaltiges chemikalienfreies Wasser Feed Filtrat Tank 29

30 Kombinierte Rückspülung mit Lufteindüsung (Air-Flush) einer mit Druck betriebenen MF/ UF Luft Membran Modul Schlammhaltiges Spülwasser Spülpumpe Filtrat Tank 30

31 Kombinierte Überströmspülung und Rückspülung einer mit Druck betriebenen MF/ UF Zulauf- Pumpe Membran Modul ggf. Luft Schlammhaltiges Spülwasser Rohwasser Spülpumpe Filtrat Tank 31

32 Allgemeines zur Spülung I Eine Spülung erfolgt nach festgelegten Zeitintervallen (üblich) nach durchgesetzter Menge (selten) nach festgelegtem TMP (meist Grenzwert) muss vollautomatisch ablaufen Die Spülfrequenz muss einen stabilen Betrieb gewährleisten ist abhängig von der Entwicklung des TMP und der Beschaffenheit des Zulaufwassers üblich: jede 20 Minuten bis 2 Stunden Der vom Hersteller anzugebende erforderliche Spülflux muss auch bei maximalem TMP eingehalten werden können 32

33 Allgemeines zu Spülung II Die Spüldauer muss zum Austrag der schlammhaltigen Spülwässer aus dem System ausreichen Bei luftunterstützter Spülung müssen ein ausreichender Spülluftvolumenstrom, ein gleichmäßiger Lufteintrag und eine anschließende Entlüftung sichergestellt sein Die notwendige Spülwassermenge (aus max. Spülwasserflux und empfohlener Spüldauer) muss unabhängig vom momentanen Filtratanfall sichergestellt sein bspw. durch Spülwasserbehälter und Spülwasserpumpe Spülwasserbehälter sind vor Verkeimung zu schützen bspw. Durchströmung, Desinfektion, Be- und Entlüftung mit Luftfiltern 33

34 Spülprozesse in Membrananlagen: Spülung mit Chemikalienzugabe Chemical Enhanced Backwash (CEB) Membran Modul Schlamm- und chemikalienhaltiges Wasser Spülpumpe Filtrat Tank Chemikalien 34

35 Spülprozesse in Membrananlagen: Spülung mit Chemikalienzugabe Zulauf- Pumpe Membran Modul Schlamm- und chemikalienhaltiges Wasser Chemikalien Rohwasser 35

36 Allgemeines zur Spülung mit Chemikalienzugabe Übliche Frequenz : 1/Woche bis 4/Tag I. d. R. präventiv zur Verminderung von Fouling Vollautomatisch Einwirkzeit beachten (5-20 Minuten) Mögliche Kontamination des Trinkwassers ist zu vermeiden Übliche Chemikalien (auf Vorgaben der Membranhersteller ist unbedingt zu achten!) Säure (bspw. Salz-, Schwefelsäure), ph 2-3 Lauge (üblich Natronlauge), ph (i.d.r. danach eine saure Spülung!) Oxidations- und Desinfektionsmittel (Chlor, Chlordioxid), mg/l Der Spülwasservorrat muss auch für eine Spülung mit Chemikalienzusatz einschließlich der zum Ausspülen der Chemikalien erforderlichen Mengen ausreichend sein. 36

37 Zeitlicher Verlauf des Transmembrandrucks für MF/UF Spülung oder Reinigung mit Chemikalien 37

38 Chemische Reinigung (CIP = Cleaning in Place) Chemikalien Heizung Kreislauf Pumpe Z Reinigungstank Membran Modul Schlamm- und chemikalienhaltiges Wasser ggf. zur Entsorgung Spülpumpe Filtrat Tank Chemikalien 38

39 Allgemeines zur Chemische Reinigung I Auszulösen, wenn TMP bei festgelegtem Flux über einen betrieblich festzulegenden Grenzwert ansteigt Übliche Frequenz: mehrere Wochen bis mehrere Monate Eine irreversible Verminderung der Permeabilität mit der Zeit ist bei der Planung zu berücksichtigen Reinigungschemikalien werden nach Angaben des Membranherstellers in einem Vorlagebehälter angesetzt und die Prozedur nach den Angaben des Herstellers durchgeführt Chlorbleichlauge, > 200 mg/l Natronlauge, ph (i.d.r. danach eine saure Spülung!) Salz,- Schwefelsäure, ph 2 3 Zitronensäure (> 2 g/l) Reinigung ggf. im Rahmen eines Wartungsvertrages durchführen lassen 39

40 Allgemeines zur Chemische Reinigung II Während der chemischen Reinigung sind die Wirkkonzentrationen (z. B. freies Chlor) bzw. der ph- Wert konstant zu halten; ggf. sind Nachdosierungen erforderlich Gegebenenfalls Überströmung Gegebenenfalls Aufheizung (aber: < 40 C!). Temperatur im Modul nur langsam erhöhen (etwa 1 C/min) Aus- und Rückspülungen solange bis Spülchemikalien und abgelöste Verschmutzungen ausgetragen sind Mögliche Kontamination des Trinkwassers ist zu vermeiden. Bei Verwendung von Zitronensäure auf Erhöhung des Wiederverkeimungspotenzials achten 40

41 Vertikale Modulanordnung (Beispiel Inge) 41

43 Kleinanlagen zur Partikelentfernung gemäß DIN Vorgaben Einhaltung der aardt Filtration und Desinfektion mit Trübungswert < 0,2 NTU Betriebssichere und fehlertolerante Technik Quittierbare Störmeldungen (optisch und akustisch) Automatische Abschaltung bei Fehlfunktion Gefahrlose Entsorgung von Rückständen 43

44 Kleinanlagen zur Partikelentfernung gemäß DIN Vorgaben Einhaltung der aardt Filtration und Desinfektion mit Trübungswert < 0,2 NTU Betriebssichere und fehlertolerante Technik Quittierbare Störmeldungen (optisch und akustisch) Automatische Abschaltung bei Fehlfunktion Gefahrlose Entsorgung von Rückständen 44

45 COP-Anlagen (Cleaning out of place) Vereinfachte Mess-/Regel- und Steuerungstechnik Vergleichsweise geringe spezifische Investitionskosten Keine integrierte Reinigungsstation Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit Modulreinigung als Serviceleistung mittels externer mobiler Reinigungsstation Austausch gegen ein gereinigtes oder neues Modul Keine Behandlung oder Entsorgung chemikalienhaltigen Rückstände notwendig 45

46 Produkte der Fa. Seccua: Virex und Phoenix 46

47 Produkt der Fa. Pall: Aria LT 47

48 Pall Aria LT mit CIP 48

49 Verfahrensprinzip Pall Aria LT 49

51 Hygienische Sicherheit von Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsanlagen zur Trinkwasseraufbereitung Information aus dem Technischen Komitee Wasseraufbereitungsverfahren" des DVGW Deutsche Vereinigung des Gas- und Wasserfaches e. V. Ultra- und Mikrofiltration gehören inzwischen zum bewährten Arsenal der Trinkwasseraufbereitung An die Filtratqualität sind keine höheren Anforderungen als an andere Filterverfahren zu stellen. Wenn eine abschließende Desinfektion erfolgt, genügt der Nachweis, dass die Trübung im Filtrat 0,2 FNU nicht überschreitet. Die Überwachung solcher Anlagen erfolgt nach DVGW W (Überwachung von Filteranlagen). Besondere Anforderungen an Integritätsprüfungen bestehen nicht. 51

52 Hygienische Sicherheit von Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsanlagen zur Trinkwasseraufbereitung Bei Verzicht auf eine abschließende Desinfektion sind weitergehende Anforderungen zu stellen: Nur Ultrafiltration ( virendichte Membranen) Eignungsnachweis durch Test der Rückhaltung von MS2-Phagen: > 99,99% (4 Log-Stufen) Möglichst zertifizierte Produkte/Elemente Häufige Integritätsprüfungen erforderlich Online-Monitoring der Integrität sollte angestrebt werden (F&E-Bedarf) Online-Tests zur Partikelrückhaltung ist wünschenswert (F&E-Bedarf) 52

53 Hygienische Sicherheit von Ultrafiltrations- und Mikrofiltrationsanlagen zur Trinkwasseraufbereitung Aus diesen Gründen wird zur Zeit empfohlen, bei der Aufbereitung mikrobiell belasteter Wässer zu Trinkwasser mittels einstufiger Partikelabtrennung durch Membranfiltration auf eine abschließende Desinfektion nicht zu verzichten, selbst wenn sehr niedrige Partikelgehalte im Filtrat erreicht werden. Wenn zusätzliche Filtrationsstufen im Aufbereitungsprozess vorhanden sind und das Wasser vor der Ultrafiltration mikrobiologisch bereits weitgehend den Anforderungen der TrinkwV entspricht, ist im Einzelfall das Erfordernis einer Desinfektion zu prüfen. 53

55 Novellierung der TrinkwV 17 Anforderungen an Anlagen für die Gewinnung, Aufbereitung oder Verteilung von Trinkwasser Absatz 1: Werkstoffe und Materialien Neue Fassung: Für die Neuerrichtung oder die Instandhaltung von Anlagen für die Gewinnung, die Aufbereitung oder die Verteilung von Trinkwasser dürfen nur Werkstoffe und Materialien verwendet werden, die in Kontakt mit Wasser Stoffe nicht in solchen Konzentrationen abgeben, die höher als nach den aardt unvermeidbar sind. Weiterhin dürfen Werkstoffe und Materialien den nach dieser Verordnung vorgesehenen Schutz der menschlichen Gesundheit nicht unmittelbar oder mittelbar mindern oder den Geruch oder den Geschmack des Wassers verändern. Bei der Planung, dem Bau und Betrieb der in Satz 1 genannten Anlagen sind mindestens die aardt einzuhalten. Dies kann für die dabei betroffenen Verfahren und Produkte insbesondere sichergestellt werden, indem durch einen akkreditierten Branchenzertifizierer zertifizierte Verfahren und Produkte eingesetzt werden. 55

56 Trinkwasserhygienische Anforderungen an Membranen/Elemente/Module UBA-Leitlinien ( KTW Leitlinie Modellierungsleitlinie Beschichtungsleitlinie (inkl. Epoxidharzleitlinie) DVGW W 270 "Vermehrung von Mikroorganismen auf Werkstoffen für den Trinkwasserbereich - Prüfung und Bewertung" (keine Begünstigung der Vermehrung von Mikroorganismen) DIN EN Migrationsprüfung für Membranen ( ) 56