Membrantechnologie Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft in der Wasserindustrie

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1 Membrantechnologie Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft in der Wasserindustrie Th. Peters* Die druckgetriebenen Membranverfahren Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (UO) nehmen heute in der Wasserwirtschaft und Umwelttechnik eine Schlüsselstellung ein. Ihre Leistungsfähigkeit wurde aus technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Sicht nachvollziehbar geprüft und bewiesen. Diese Verfahren können heute als bewährte und sehr erfolgreiche Instrumente des Chemieingenieurwesens angesehen werden, die beispielsweise helfen, Wasserknappheit oder Wasserverschmutzung zu vermeiden, oder die eine Rückgewinnung und Aufbereitung wertvoller Stoffe ermöglichen. In Kombination mit anderen Verfahren können die verbleibenden Wassermengen durch eine mehrfache Verwendung des Wassers deutlich reduziert werden, was Kosten spart, aber auch die Förderung einer nachhaltig umweltverträglichen abwasserfreien Produktion (Zero Liquid Discharge, ZLD) möglich macht. Diese Entwicklung beruht zum Teil auf den Ergebnissen, die beim Betrieb von UO-Anlagen gewonnen worden sind, die im Anfangsstadium des Einsatzes dieses Verfahrens zur Meerwasserentsalzung (zukunftsweisendes Patent aus dem Jahr 1964) betrieben wurden. Im Folgenden werden technische Einzelheiten dieser Membranverfahren erörtert, Beispiele für ihre Anwendung in der Vergangenheit, in der Gegenwart und absehbare Entwicklungen beschrieben sowie Kriterien zur Unterstützung der Entscheidung für die Anwendung dieser Verfahren aufgezeigt. 1. Einleitung Die Membrantechnologie zur Behandlung von Wasser und Abwasser zeigt eindrucksvoll, wie innovativ, zukunftsorientiert und wirtschaftlich bedeutungsvoll Umweltschutztechnologie sein kann. In den vergangenen 100 Jahren der modernen Wasser- und Abwasserbehandlung für Haushalte und Betriebe wurde keine andere Technologie eingeführt, die so viele positive Effekte hat wie die Membrantechnologie /1/. Es können zahlreiche unterschiedliche Probleme der Wasseraufbereitung gelöst werden, wodurch gleichzeitig eine deutlich bessere Reinigung des Abwassers erzielt wird. Aufgrund des breiten Spektrums verfügbarer Membranen und Mo - dule, darunter Offenkanal-Systeme für Nischen anwendungen /2/, stehen technisch geeignete Systeme für nahezu jedes Problem der Wasseraufbereitung zur Verfügung. Die Membrantechnologie ermöglicht zudem die Rückgewinnung und Wiederverwertung fester und gelöster Stoffe und somit die Schaffung von Mehrwert. Einerseits sind die wachsende Welt bevölkerung, der steigende Lebensstandard und die expandierende Industrialisierung die Hauptursachen des unaufhörlich zunehmenden Bedarfs an Trinkwasser und Wasser hochwertiger Qualität für industri- * Dr.-Ing. Thomas Peters Consulting für Membrantechnologie um Umwelttechnik Rheinfährstr Neuss dr.peters.consulting@t-online.de elle Anwendungen. Davon betroffen sind nicht nur die Trockengebiete der Welt mit ihrem chronischen Wassermangel, sondern auch eine wachsende Anzahl urbaner Ballungsräume und Industriezentren, in denen die Kapazitätsgrenzen der natürlichen Vorräte nahezu erreicht worden sind /3/. Andererseits wird der Satz WASSER IST LEBEN heutzutage generell benutzt, um ganz klar die Probleme des Trink wassermangels zum Ausdruck zu bringen. Allerdings sollte der Satz umformuliert werden in KEIN LEBEN OHNE SAUBERES WASSER IN AUS REI CHEN DER MENGE, da dies helfen würde die Verbraucher daran zu erinnern, dass fast jede Art der Verunreinigung zumindest eine Quelle für die Wasser verschmutzung sein kann und somit eine Gefahr für diese Lebensgrundlage. Gleichzeitig wird verdeutlicht, dass künstlich hergestelltes Wasser klar definierte Qualitätsstandards erfüllen muss /4/, was mit Hilfe der Membrantechnologie möglich wird. 2. Fortschrittliche Strategien zur Wasserbewirtschaftung In vielen Gebieten ist es nicht mehr mög lich, den wachsenden Wasser be darf durch herkömmliche Verfahren der Wasser-Beschaffung und -Auf berei tung abzudecken. Daher ist die zunehmende Anwendung fortschrittlicher Trennverfahren wie der Mem bran techno logie notwendig, die auf drei Haupt strategien basiert /5/: 2.1 PRODUKTION: Produktion von Trinkwasser aus salzhaltigem und verschmutztem Wasser zur Erhö hung der Menge an Wasser von guter Qualität, das zusätzlich zu den natürlichen Wasservorkommen verfügbar ist. Beispiele sind: - Entsalzung von Meerwasser oder Brack wasser (UO) - Trennung von Sulfat aus Trinkwasser (NF) - Verbesserte Reinigung von Flusswasser (UF) - Desinfektion von Oberflächenwasser (UF) 2.2 WIEDERVERWENDUNG: Verbesserte Reinigung von leicht verschmutztem Abwasser zur Erhöhung des Nutzungspotentials, insbesondere zur Verringerung des Verbrauchs an Trinkwasser, durch Recycling oder Wiederverwendung von gereinigtem Wasser. Beispiele sind die Reinigung von: - Vorbehandeltem Industrieabwasser zum Recycling in einem halbgeschlossenen Kreislauf (Niederdruck- UO) - Filterspülwasser in Schwimmbädern zur Nutzung als Badewasser (Nieder druck-uo) - Filterspülwasser in Wasserwerken zur Erhöhung der Produktion von Trinkwasser (UF) - Abwasser aus Abwasserbehandlungsanlagen zur Nutzung für die Be - wässerung (UF) - Grauwasser auf Schiffen zur Nutzung als technisches Wasser (UF) - Grauwasser in Hotels zur Nutzung als Toilettenspülwasser und für Be - wässerungszwecke (UF) 166 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr. 3

2 Abb. 1: Flussdiagramm eines UO-Systems als Beispiel für die Funktion der druckgetriebenen Membranverfahren 2.3 SCHUTZ: Vermeidung weiterer Verunreinigung der Wasser ressourcen durch eine verbesserte Reinigung von Abwasser und verunreinigtem Wasser. Beispiele sind die Reinigung von: - Deponiesickerwasser (UO) - Abwasser aus Abwasserbehandlungsanlagen zur Verringe rung der Be lastung des aufnehmenden Vorfluters (UF) - Schwarzwasser auf Schiffen oder in Hotels zum Schutz der Umwelt (Membranbioreaktor (MBR) basierend auf UF) Die in den vergangenen Jahren weltweit wachsende Besorgnis in Bezug auf Umweltverschmutzung, strengere gesetzliche Bestim mungen für die Trinkwasseroder Badewasser-Quali tät sowie die welt weit zu erwartenden verschärften Ab wasser ein leitungsvorschriften waren weitere Antriebskräfte, die eine zunehmende Akzeptanz und Verbreitung dieser Techno logie bewirkt haben /6, 7/. Vergleichbar mit der Entwicklung der UO-Techno logie als klassische Anwendung für die Entsalzung von Meerwasser zur Produktion von Trinkwasser sind die Membranverfahren MF, UF und NF wichtige Instrumente der Wasserbewirtschaftung und Umwelt technik geworden. Die Art des Membranverfahrens, das als Hauptstufe oder in Kombination mit anderen verfahrenstechnischen Prozessen für eine spezifische Anwendung zu installieren ist, hängt von der Art der Schadstoffe ab, die aus dem zu behandelnden Wasser abgetrennt werden sollen, und von den Qualitätsanforderungen für das produzierte Wasser. 3. Membranverfahren Obwohl Membranverfahren hinläng lich bekannt zu sein scheinen, oder sind, und in unzähligen Artikeln und Beschreibungen erläutert wurden, weichen einige techno - logische Details und Fach aus drücke in den Publikationen voneinander ab. Deshalb werden bestimmte Defini tionen und techni sche Details, die üblicherweise von Fach - leuten benutzt werden, nachstehend zusammen mit einigen Über legungen beschrieben, die auf lang jähriger Erfahrung auf diesem Gebiet beruhen. Die betrachteten Membranverfahren sind druckgetriebene Trennverfahren, bei denen die Triebkraft ein Differenzdruck über die Membran ist. Mittels der Membran wird das zu behandelnde Wasser in ein Filtrat (die übliche Bezeichnung für das Produktwasser bei der MF und der UF) oder Permeat (die übliche Bezeichnung für das Produkt bei der NF und UO) und eine verbleibende Menge Retentat, das auch als Konzentrat bezeichnet wird, getrennt (Abb.1). Im Retentat werden die im Zulauf enthaltenen Schadstoffe bzw. gelösten und ungelösten Komponenten gesammelt, die von der Membran zurückgehalten wurden. Diese Verfahren werden üblicherweise im sogenannten Querstrom-Modus (crossflow) betrieben, der es ermöglicht, die Bildung von Ablagerungen oder Schichten an der Membranoberfläche zu kontrollieren und in bestimmtem Umfang eine Reduzierung des Scaling, Fouling und Biofouling bewirkt. Dadurch können die negativen Effekte des unvermeidlichen Biofouling bei einem langfristigen Betrieb durch die Anwendung innovativer Reinigungsverfahren, wie z.b. durch Nutzung von Luftblasen /8/, positiv beeinflusst werden. Eine solche verbesserte Membranreinigung mittels Luftblasen wurde bereits vor etwa 30 Jahren in Zusammenhang mit einer UO-basierten Technik für die Reduzierung von Nitrat im Trinkwasser in einem Prozess untersucht, der heute als ZLD bezeichnet wird /9/. Für UF-Anwendungen wurde das Verfahren Jahre später als Air-Pulsing eingeführt. ACHEMA Halle Stand E62 CUT Membrane Technology Die Applikationsspezialisten Als langjähriger Hersteller von Filtrationslösungen bietet CUT seinen Kunden: Know-How in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Umwelttechnik, Wasser- und Abwasseraufbereitung hohe Expertise beim Einsatz und in der Fertigung von Membranen Unterstützung bei Prozesslösungen maßgeschneiderte Membran- und Modullösungen weltweite Verfügbarkeit Sind Sie auf der Suche nach individuellen Lösungen für Ihre Filtrationsprozesse? Dann freuen wir uns auf Ihren Anruf! CUT Membrane Technology GmbH Feldheider Str. 42, Erkrath Telefon: info@cut-membrane.com F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr PART OF THE BÜRKERT GROUP

3 Abb. 2: Betriebs-Cluster einer Membrananlage zur Spezifikation und Bewertung des Prozessablaufs /11/ Im Querstrom-Modus wird die zu behandelnde Flüssigkeit über die Membrane(n) gepumpt und in die zwei oben genannten Teilströme aufgeteilt; der Betriebsdruck wird erzielt, indem der von der Einspeisepumpe gelieferte Förderdruck mittels Reduzierung des Querschnittes im Druckregelventil entsprechend angepasst wird. Für den Betrieb im Dead-End-Modus (der nur bei der MF und UF möglich ist) wird dieses Druckregelventil in genau spezifizierten Intervallen vollständig geschlossen. Wichtig ist, dass in allen Fällen die Spülung, die Rückspülung, die chemisch unterstützte Rückspülung und andere Membranreinigungs-Prozeduren entsprechend auszuwählen sind und während des langfristigen Betriebs optimiert werden müssen. Dabei sei daran erinnert, dass die wichtigste Voraussetzung für den erfolgreichen Betrieb von Membransystemen die unter anderem auch konstruktriv zu beeinflussende Möglichkeit zur regelmäßigen hochwirksamen Reinigung der Membranen ist. Die bei diesen Verfahren eingesetzten Membranen können als eindeutig definierte Barrieren betrachtet werden. Dies ermöglicht eine kontinuierliche und reproduzierbare Funktionskontrolle mittels robuster Messinstrumente. Gleichzeitig gewährleistet die Barriere-Funktion der Membranen eine gleichbleibende hohe Qualität des Filtrats oder Permeats, die von Konzentrationsänderungen bei den Schadstoffen im Zulauf nahezu unabhängig ist /5/. Anlagen, die mit diesen Membranen ausgerüstet sind, weisen eine hohe Betriebsstabilität auf, da der Prozess selbst elektrisch gesteuert wird und die Funktion elektronisch überwacht ist. Zudem sind für die Inbetriebnahme und das Abschalten, das nur wenige Minuten in Anspruch nimmt, keine besondere Aufmerksamkeit nötig. Die modulare Bauweise der Anlagen ist die Basis für eine hohe Flexibilität in Bezug auf Volumenveränderungen des zu behandelnden Wassers und für eine kleine Aufstellfläche der Anlage. Diese Merkmale resultieren aus den Eigenschaften der Membranen und deren Kombination mit einer geeigneten Modulkonfiguration und Anlagenkonzeption, die allerdings genau an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung adaptiert werden müssen /5/. Die Basis für die Auswahl ist dabei das Leistungsspektrum der Prozesse. 3.1 Mikrofiltration (MF): Dies ist der Membranprozess mit den geringsten Anforderungen an die Membranen. Die MF wird zur Abtrennung von Bakterien, Pigmenten und anderen Partikeln mit Partikelgrößen im Submikronbereich eingesetzt. Verwendet werden poröse Membranen mit Porendurchmessern im Bereich von etwa 0,1 bis 1,0 μm (1 mm = μm); kommerzielle Membranen weisen meist eine durchschnittliche Porengröße von 0,2 μm auf. Der Transmembrandruck reicht von 10 bis 500 kpa (0,1 bis 5 bar) und beträgt normalerweise etwa 100 kpa. Bei speziellen Anwendungen, wie bei MBR- Anlagen, wird ein Vakuum angelegt, beispielsweise im Bereich von 0,1 bar. 3.2 Ultrafiltration (UF): Diese Membranen können Bakterien und Viren zurückhalten und Makromoleküle wie z.b. Proteine abtrennen, ebenso wie kolloidales Silizium und Pyrogene. Typische Trenngrenzen liegen für das Molekulargewicht im Bereich von bis g/mol. Der Porendurchmesser deckt normalerweise den Bereich von 0,05 bis 0,02 μm ab. Der Transmembrandruck beträgt zwischen 20 und kpa (0,2 bis 10 bar), normalerweise zwischen 100 und 300 kpa. Bei speziellen Anwendungen, wie MBR-Anlagen, wird wiederum ein Vakuum im Bereich von 0,2 bar angelegt. 3.3 Nanofiltration (NF): Die für die NF verwendeten Membranen arbeiten nach dem Lösungs-Diffusionsprinzip. Einwertige Anionen können in hohem Maße durch die Membran diffundieren, während mehrwertige Anionen weitgehend zurückgehalten werden. Vom Trennprinzip her also anders als bei MF und UF, wo die Rückhaltung von Partikeln oder anderen Wasserinhaltsstoffen durch den Durchmesser der Poren in den Membranen bestimmt wird. NF eignet sich für die Entfernung von Farbstoffen, Zucker und THM (Trihalomethan)-Vorprodukten sowie zur Entfernung von Härte oder Sulfat aus einem Wasserzufluss. Aufgrund der Einsatzmöglichkeit bei niedrigen ph-werten eignet sich die NF zudem sehr gut für die Reinigung von saurem Grubenabwasser (AMD acid mine drainage). In Kombination mit der Seeding-Technik (Zudosierung von Impfkristallen) und Hydrozyklon- Klassierung ist es möglich, bei hochkonzentriertem Deponiesickerwasser eine Permeatausbeute von bis zu 95% zu erzielen /10/. Der Trans membran druck beträgt bis zu kpa (50 bar) und liegt üblicherweise im Bereich von bis kpa. 3.4 Umkehrosmose (UO): Bei der Um kehrosmose werden die dichtesten Membranarten eingesetzt. Die Abtrennung der organischen und anorganischen Moleküle aus dem Zulauf erfolgt mit einer Rückhalterate von bis zu 99% durch einen Lösungs- Diffusionsprozess. UO-Membranen werden zur Abtrennung von in Wasser gelösten Salzen und Ionen mit weniger als 200 D verwendet, wobei ein Dalton (Da) numerisch dem Molekulargewicht in g/mol entspricht. Die Anwendungen reichen von ultrareinem Wasser für die Halbleiter- und Pharma-Industrie über die Entsalzung von Meerwasser für die Trinkwasserproduktion bis hin zur Reinigung von Industrieabwasser, wie etwa Deponie-Sickerwasser. Der Betriebsdruck für die UO beträgt meist bis zu kpa (70 bar), für die Niederdruck-UO bis kpa und für die Hochdruck-UO bis zu kpa (150 bar). 168 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr. 3

4 4. Betriebs-Cluster von Membrananlagen Während für die Auslegung und die Herstellung einer membranbasierten Anlage zumeist bewährte technische Lösungen zur Verfügung stehen, müssen die Vorbehandlung des aufzubereitenden Wassers und die Behandlung des Retentats sowie der während des Betriebs einer Membrananlage erzeugten Abwasserströme von Fall zu Fall an die spezifischen Bedingungen am Ort der Errichtung der Anlage angepasst werden. Diese Bedingungen können sehr unterschiedlich sein, da, abgesehen von den Faktoren, die die Rohwasserqualität bestimmen, sich vor Ort auch die Details hinsichtlich Infrastruktur und Logistik meist unterscheiden und demzufolge bei der Planung, Errichtung und dem Betrieb einer Membrananlage entsprechend berücksichtigt werden müssen /4/. Die obigen Überlegungen betreffen die Systeme zur Dosierung und Behandlung der Chemikalien zur Vorbehandlung, der Chemikalien, die während des Betriebs benötigt werden, der Chemikalien für die Reinigung der Membranen und ferner die Behandlung und Ableitung der einzelnen Abwasserströme, die während des Betriebs erzeugt werden. Zur Spezifizierung und Bewertung der Wechselbeziehungen wurde ein Flussdiagramm entwickelt (Abb.2), das die wesentlichen Betriebs- Cluster einer Membrananlage zusammenfasst, hier am Beispiel einer Anlage zur Meerwasser-Entsalzung mittels UO. Der Begriff ICT bedeutet Information and Communication Technology, welche die Basis eines effizienten SCADA- Systems (Supervisory Control and Data Acquisition) einschließlich Fernsteuerung und Datenverarbeitung ist /11/. 5. Ausgewählte Beispiele für künftige Anwendungen Eine große Zahl von wissenschaftlichen Institutionen, Industrieunternehmen, Wasserversorgern und Abwasserbehörden haben an der Entwicklung und Anwendung der Membrantechnologie mitgewirkt, zum Teil mit Unterstützung durch staatliche F&E-Mittel. Dies war in der Vergangenheit der Fall, gilt auch heute und ist für die zukünftige Entwicklung zu erwarten. In Deutschland beispielsweise stellt die Membrantechnologie eine bewährte Alternative zu den klassischen Verfahren der kommunalen und industriellen Ab wasserbehandlung dar. Dies zahlt sich in ökologischer und wirtschaftlicher Hinsicht aus, da die Membrantechnologie geringere Kosten für die Wasserversorgung und Abwasserentsorgung sowie industrielle Produktion verursacht und eine deutlich geringere Umweltbelastung zur Folge hat /1, 12/. Neben den zahlreichen bekannten, auf Membranverfahren basierenden Lösungen in der Wasserwirtschaft, die in der Vergangen heit angewandt wurden und auch heute eingesetzt werden, sind zunehmend innovative Lösungen zu erwarten. Zwei Lösungen, die in den entsprechenden Nischenanwendungen eine zunehmende Bedeutung gewinnen werden, sind: a) NF für die dezentralisierte Produktion von sicherem Trinkwasser aus verunreinigtem Oberflächenwasser, b) UF und UO in Kombination mit anderen Behandlungsstufen zur Realiserung eines ZLD-Prozesses für die Auf bereitung von Brackwasser in ariden und semiariden Gebieten. ACHEMA, Halle 6.0, Stand D20 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr

5 im Not- oder Katastrophenfall einzusetzen, wenn die gesamte Infrastruktur zerstört ist, wie z.b. nach einem Tsunami. Alternativ kann die Anlage im Rahmen von Initiativen mit dem Ziel der Hilfe zur Selbsthilfe in entlegenen Gebieten ohne saubere Wasserressourcen genutzt werden, oder auch zur Förderung von Mikro-Geschäften, die Trinkwasser in (zum Beispiel) 10-Liter- Flaschen verkaufen. 5.2 Mehrstufiger Zero Liquid Discharge (ZLD)-Prozess Angepasst an die besonderen Bedingungen in ariden und semiariden Gebieten mit eingeschränktem Zugang zu Wasser von guter Qualität, in denen jedoch Brunnen mit Brackwasser vorhanden sind, ist eine Kombination von UF und UO zur Reinigung von Wasser entwickelt und erfolgreich betrieben worden, dessen Aufbereitung normalerweise komplexe Verfahren erfordert /17/. Für dieses Konzept werden unterschiedliche Prozesse mit diversen Triebkräften zur Behandlung des Retentats integriert, die eine hohe Rückgewinnungsrate der verschiedenen Hauptwasserströme als Basis für einen ZLD-Ansatz /18, 19/ ermöglichen. Abb. 3: Kompakte NF-Anlage für die dezentrale Trinkwasserversorgung, /15/ 5.1 Nanofiltration für die dezentrale Produktion von sicherem Trinkwasser Die Versorgung mit sauberem Trinkwasser gilt mittlerweile als Grundrecht des Menschen. Dabei steht in semiariden Gebieten und tropischen Ländern ebenso wie in subtropischen Klimazonen im Prinzip ausreichend Wasser aus Oberflächenwasser zur Verfügung. Aber wegen der hohen Schadstoffbelastung kann oder sollte dieses Wasser jedoch nicht als Trinkwasser genutzt werden /13/. Dabei kann die Art der Verunreinigung des Oberflächenwassers sehr unterschiedlich sein. Das Spektrum reicht von Mikroorganismen wie Algen, Bakterien, Parasiten und Viren sowie besorgniserregenden organischen Mikroschadstoffen über die Kontamination mit Chemikalien und diversen toxischen Rückständen aus Industrie und Landwirtschaft bis hin zu Partikeln und Schwebstoffen organischen oder anorganischen Ursprungs. Entsprechend müssen die Wasserbehandlungs-Anlagen an die Randbedingungen am jeweiligen Standort angepasst werden. Für eine zentrale Trinkwasserversorgung werden dabei normalerweise Großanlagen errichtet. Beispielsweise weisen die Anlagen zur Produktion von Trinkwasser aus Meerwasser mittels UO meist eine Produktionskapazität im Bereich zwischen bis m 3 pro Tag auf, in Einzelfällen bis zu m 3 /Tag. An die Bedingungen einer dezentralen Trinkwasserversorgung angepasst, stehen kleinere oder Kleinanlagen mit einer Produktion von wenigen m 3 bis zu nur einigen hundert Litern Trinkwasser pro Tag zur Verfügung, insbesondere für Katastrophen- und Notfall- Situationen /14/. In Verbindung mit der dezentralen Versorgung mit (nur) Trinkwasser wird eine kompakte Anlage, die für rauhe Betriebsbedingungen konzipiert ist, als vielversprechende Lösung angesehen (Abb. 3). Dabei handelt es sich um ein mit einer NF-Membran ausgerüstetes Membranmodul /15/. Die Besonderheit ist das Membran-Element selbst, das als Offenkanal-System ausgeführt ist, das weltweit erfolgreich angewandt wird und sich auch für andere Anwendungen der Wasserbehandlung als sehr gut geeignet erwiesen hat /16/. Basierend auf üblichen Randbedingungen bezüglich Temperatur und Verunreinigung des aufzubereitenden Oberflächenwassers kann bei einem Betriebsdruck von etwa 5 bar eine Permeatproduktion von bis zu Litern pro Tag erreicht werden. Da der Energie bedarf unter diesen Bedingungen bei etwa 250 W liegt, kommt für die notwendige Energieversorgung der Anlage auch die Photovoltaik in Frage. Ein solcher Ansatz ermöglicht es, die Anlage insbesondere für die Produktion von Trinkwasser 6. Zukünftige Entwicklung der Membrantechnologie Gegenwärtig finden wichtige Entwicklungen für die industrielle Anwendung von Membranen statt, die auf die Integration der unterschiedlichen Membranverfahren in die thermische Trenntechnik sowie auf eine chemische oder biologische Transformation fokussiert sind. Vor diesem Hintergrund können eine bessere Produktqualität, hochkompakte Produktionsanlagen und Prozesse, ein geringerer Energieverbrauch sowie ein nachhaltiger umweltfreundlicher Betrieb erreicht werden /5-7/. Die künftige Entwicklung der Membrantechnologie wird durch folgende Faktoren beeinflusst /5/: - Verringerung der Aufbereitungs-Kosten aufgrund zunehmender Betriebserfahrung und einer längeren Nutzungsdauer der Membranen. - Anpassung der Produktion von Membranen an spezifische An wendungen. - Zunehmende Anstrengungen zur Reduzierung des Biofouling auf der Membranoberfläche. - Zunehmende Anstrengungen hinsichtlich der Entwicklung und Optimierung von Prozessen, z.b. Vorwärtsosmose und membranbasierte Verfahren mit dem Schwerpunkt auf ZLD. - Zuverlässige Prozessüberwachung. - Zuverlässige Einleitungskontrolle. - Standardmäßige Anlagenkonzepte mit einfacher Anpassung an die jeweiligen Standortbedingungen. - Realisierung von Plug & Play -Konzepten. - Breitere Anwendung von Build-Own-Operate- oder Build- Operate-Transfer-Verträgen. - Integration der Membrantechnologie in ein übergeordnetes qualitätsgestaffeltes Wassermanagement. Generell werden die mit einer optimierten Membrantechnologie verbundenen Aspekte, die hier am Beispiel der Meer wasserentsalzung mittels UO angesprochen wurden, zu einer Verringerung des spezifischen Energiebedarfs und somit zu einer Verbesserung der CO 2 -Bilanz beitragen (geringerer carbon footprint ). Dies beinhaltet z.b. UO-Membranen mit einem höheren spezifischen Permeatfluss und/oder einer höheren Salzrückhaltung sowie Pumpen und Vorrichtungen zur Energie-Rückgewinnung oder Energie-Einsparung mit einem höheren Wirkungsgrad. Genauso wichtig sind jedoch verbesserte und umweltverträgliche Systeme für die Meerwasser-Entnahme und partielle Vorbehandlung, die die negativen Auswirkungen des Betriebs von Meerwasserentsalzungsanlagen mittels UO auf die Umwelt vermeiden und die Gesamtbetriebskosten senken. So ist z.b. bei einer Meerwasser-Entnahme mittels unter dem Meeresboden verlegter Spezial-Filterrohre ein Betrieb möglich, der unabhängig 170 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr. 3

6 von den zunehmenden Naturkatastrophen- Szenarien ist wie der Algenblüte, die in diesem Bereich der Wasseraufbereitung zunehmend Probleme verursachen /20/. Ähnliche Strategien werden auch die Integration von MF, UF und NF verbessern. 7. Schlussfolgerungen Der Bedarf an sauberem und kostengünstigem Wasser für eine wachsende Bevölkerung einerseits sowie steigende Kosten, Wassermangel, Überbelastung und/oder Verschmutzung der natürlichen Ressourcen in vielen Gebieten der Welt andererseits, sind die wichtigsten Antriebskräfte für die wachsende Nachfrage nach verbesserter Technologie der Wasser- und Abwasser-Aufbereitung. Die Membrantechnologie wird in dieser Hinsicht nach wie vor erfolgreich eingesetzt werden, und zwar zunehmend für unterschiedliche Zwecke und für ein breites Spektrum auf dem Gebiet der Aufbereitung und Reinigung von Wasser und Abwasser. Eine solche Entwicklung beruht auf Merkmalen wie Kompaktheit der Anlagen, kurzen Konstruktionszeiten und einem sauberen, einfachen, wirtschaftlichen und langfristig zuverlässigem Betrieb mit hohen Rückhalteraten für die abzutrennenden Komponenten bzw. Schadstoffe. Die hohe Leistungsfähigkeit wird im Wesentlichen durch die Barrierefunktion der Membranen erreicht. Sie beruht aber auch auf den in den vergangenen Jahrzehnten gewonnenen Erfahrungen und der stetigen Optimierung bei der Auswahl des Materials für die Herstellung der Membranen und Anlagen sowie auf der zunehmenden Optimierung der Betriebsaspekte, einschließlich betrieblicher Schulungsmassnahmen und vorbeugender Wartung. Literatur: /1/ Pinnekamp, J., Friedrich, H.: Membrane Technology for Waste Water Treatment. FiW Verlag, Aachen, 2006 /2/ Peters, Th.: High advanced open channel membrane desalination. Desalination 134 (2001) /3/ Peters, Th.: Modern Water and Waste Water Purifi cation. Structural Change in Europe, Hagbarth Publications, Bollschweil, Juni 2000 /4/ Peters, Th.: Desalination of sea water and brackish water with reverse osmosis and disc tube module DT. Proceedings WSTA Forth Gulf Water Conference, Bahrain, 13-18/02/1999 /5/ Peters, Th.: Membrane processes for the treatment of water and wastewater. Proceedings, International Conference for Filtration and Separation Technology FILTECH 2011, Wiesbaden, März 2011 /6/ Peters, Th., Kraume, M.: Entwicklungen und Perspektiven druckgetriebener Membranverfahren. Chemie Ingenieur Technik, 2005, 77, Nr. 5 /7/ Macedonio, F., Drioli, E.: Membrane engineering progresses in desalination and water reuse. Membrane Water Treatment, 2010, 1 (1), 75 /8/ Chesters, S., Armstrong, M.: Bubble power enhancing a weapon for RO membrane cleaning. WATER & WASTEWATER INTERNATIONAL, June-July 2014 /9/ Peters, Th.: Reduzierung des Nitratgehaltes im Trinkwasser mit Umkehrosmose. WASSERWIRTSCHAFT, 10/83 /10/ Peters, Th.: Purifi cation of industrial waste water by separation of sulphate using nanofi ltration and seeding technology. Proceedings, ACHEMA 2012, Frankfurt a. M., Germany /11/ Peters, Th., Pintó, D.: Seawater Intake and Pretreatment Using Neodren Technology Based on Sub- Seabed Drains. Proceedings, IDA World Congress on Desalination and Water Reuse. Maspalomas, Gran Canaria, Spain, October 2007 /12/ Peters, Th., Günther, R., Vossenkaul, K.: Membrane bioreactors in wastewater treatment. Filtration + Separation, January/February 2000 /13/ Peters, Th.: Safe Drinking Water Abstraction from Surface Waters. Arab Water World, 10/2013 /14/ Al Naqib, B., Bundesanstalt Technisches Hilfswerk, persönliche Mitteilung, Bonn, April 2014 /15/ ROCHEM Technical Services, company brochure, Hamburg, 2013 /16/ Peters, Th.: Membrane Technology for Water Treatment. Chem. Eng. Technol. 8/2010, 33, Nr. 8 /17/ El Maraghy, N., persönliche Mitteilung, Cairo und Oman, Oktober 2014 /18/ Peters, Th.: Visit and inspection of the AGRO-ZLD system from INTERNATIONAL DESALINATION & WATER TREATMENT GROUP. Internal report, Neuss, Oktober 2014 /19/ Peters, Th.: Improving the Performance of Seawater Desalination Technology by Using an Optimized Intake System and Recovering Valuable Components from the Brine. Presentation at BIT s 2nd Annual World Congress of Ocean 2013, Hangzhou, China, September 2013, /20/ Peters, Th.: Improving seawater desalination with reverse osmosis. FILTRATION, 8 (4), 2008 WATER AND PROCESS WATER TREATMENT PLANTS Reverse osmosis Ultrafiltration microfiltration PHONE ACHEMA, Halle 9.1, Stand F18 nanofiltration Electrodeionization Membrane degasification ACHEMA, Halle 5.0, Stand C49 F & S Filtrieren und Separieren Jahrgang 29 (2015) Nr