Ultrafiltration als Membranfiltration

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Eike Lorenz
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1 Ultrafiltration als Membranfiltration Grundlagen und Anwendungen Referentin: Dipl. -Ing. Sandra Grages Folie 0

2 Grundlagen der Ultrafiltration Vergleich Sandfilter und Ultrafiltration Ersetzt die Membran eine Desinfektionsstufe? Typische Anlagen- und Betriebskosten Anlagenbeispiele Folie 1

3 Vorurteile gegenüber Ultrafiltrationsanlagen - zu aufwändig, zu teuer, zu anfällig? bezahlbar erprobt (Großanlagen seit Ende 1990er in Betrieb) planbar (Pilotierung nur noch bei Großanlagen) leicht bedienbar zuverlässig Folie 2

Membranfiltrationen Einordnung der Ultrafiltration 3-20 bar Umkehrosmose 10-100 bar 0,1-5 bar 0,1-2 bar MS-2-Bakteriophagen Durchmesser ca.

4 Membranfiltrationen Einordnung der Ultrafiltration 3-20 bar Umkehrosmose bar 0,1-5 bar 0,1-2 bar MS-2-Bakteriophagen Durchmesser ca. 0,027 µm Coliforme Keime ca. 0,3-1 x 1-6 µm E. Coli ca. 1,1-1,5 x 2-6 µm Trenngrenze UF und MF Membranen in der Trinkwasserfiltration Folie 3

5 Ultrafiltration ein druckgetriebener Filtrationsprozess Überströmung max % Reinwasser UF Modul Rohwasser Membran: Porenmembran aus polymeren Kunststoffen, z.b. PES, PESM, PVDF Abwasser Porengröße: ca. 0,02-0,05 µm Druckbereich: 0,1-2 bar Rückspülung: alle 60 bis 120 Minuten Ultrafiltrationsmembranen sind geeignet, um Viren und Makromoleküle zurückzuhalten Folie 4

6 Einsatzgebiet Ultrafiltration Klassisches Anwendungsfeld: Oberflächenwasser und von Oberflächenwasser beeinflusste Brunnen, Quellen, Wasservorkommen Entfernung von Trübstoffen und Partikeln Rückhalt oxidierter, partikulär vorliegender Metallsalze, wie Eisen-III-Salze, Aluminium, (Arsen-V-Salze, Mangan-IV-Salze) Rückhalt mikrobiologischer Verunreinigungen Folie 5

7 Filtrationsrichtung Inside Out Wasser wird in die Hohlfasern geleitet und von Innen nach Außen gedrückt aktive Membranschicht innen Rückspülung von Außen nach Innen Filtration Rückspülung Modultypen Filtrationsrichtung Outside In Wasser wird von Außen in die Hohlfasern hinein gedrückt, aktive Membranschicht Außen Rückspülung von Innen nach Außen Filtration Rückspülung Rückspülwasser Rückspülwasser Rohwasser Rohwasser Reinwasser Reinwasser Abwasser Abwasser Rohwasser Aktive Membranschicht Innen Abwasser mit gelösten Verunreinigungen Reinwasser Aktive Membranschicht Außen Rückspülwasser Folie 6

8 Modultypen: Vor- und Nachteile Filtrationsrichtung Inside Out - Faserdurchmesser: 0,9 1,5 mm - Mögliche Verblockung der Faser durch Partikel; Lösung: Wechsel der Filtrationsrichtung - stabiler Faseraufbau, da 7 Kapillaren in einer Faser - Hydrophiles Material, daher niedriger Betriebsdruck - Effektive chemische Spülung - wöchentlicher Einsatz von Chemikalien Filtrationsrichtung Outside In - Faserdurchmesser: 0,7 mm - Verunreinigungen bleiben außen auf der Hohlfaser liegen - Luftunterstützte Spülung möglich - Stabiler Faseraufbau durch PVDF Material - PVDF als hydrophobes Material wird hydrophilisiert, leicht höherer Betriebsdruck - Chemische Spülung wenig effektiv - Wenige Male im Jahr vollständige chemische Reinigung (meist 1-2 mal) Folie 7

9 Ultrafiltrationsmodule Pall Aria System aufgeschnittener Modulkopf Multibore Hohlfasern, inge GmbH Pall Aria System mit Asahi Modulen T-Rack vario mit dizzer XL Membranmodulen, inge GmbH Pentair X-Flow Aquaflex 55 Module Folie 8

10 Reinwasserqualität im KA Ablauf Fäkalstreptokokken: nicht nachweisbar Fäkalcoliforme: nicht nachweisbar Gesamtcoliforme: nicht nachweisbar ph: keine Veränderung CSB: Reduktion bis 70 % Trübung: < 0,1 NTU Färbung: keine Veränderung Anlagenkonzept Modulgestell (Rack) Rückspülbehälter Rohwasserbehälter Rückspülpumpen Rohwasserpumpen Chemikaliendosierstation Folie 9

11 Ultrafiltrationsmodule Chemische Reinigung Reinwasser UF Modul Rohwasser Option 1: CEB- Chemikaliendosierung in das Rückspülwasser Abwasser CIP Lösung Option 2: CIP Chemikalienlösung wird über die Membran zirkuliert Folie 10

12 Ultrafiltrationsmodule Chemische Reinigung CEB Chemical Enhanced Backwash CIP Cleaning in Place Dauer Ca. 20 Minuten Ca Minuten Häufigkeit täglich bis wöchentlich 1-4 x Jahr Temperatur Rohwassertemperatur Bis zu 40 C Automatisierung Chemikalien Vollautomatisch über Steuerung, automatische Neutralisierung möglich Standardchemikalien in niedrigen Konzentrationen: Natronlauge 0,1-0,5 % Salzsäure, Schwefelsäure 0,1-0,5 % Natriumhypochlorit mg/l Manuell bis halbautomatisch, kann von externem Reinigungsservice durchgeführt werden Standardchemikalien in höheren Konzentrationen: Natronlauge 0,5-2 % Salzsäure, Schwefelsäure 1-2 % Natriumhypochlorit mg/l Folie 11

13 Tiefenfilter Vergleich Sandfilter - Ultrafiltrationsmembran Nominaler Rückhalt 2-3 log Stufen 99,9 % (10 2 ; 1 von 100) 99,9 % (10 3 ; 1 von 1.000) Rückhalt wird definiert von Schütthöhe und Material, nicht von freiem Durchschnitt zwischen dem Schüttgut (50-70 µm zwischen Körnern) Oberflächenfilter Absoluter Rückhalt bis zu 6 log Stufen (Bakterien) 99,9999 % (10 6 ; 1 von ) Kontrollierte Verteilung der Porengößen Folie 12

14 Vergleich Sandfilter - Ultrafiltrationsmembran Nominaler Rückhalt 2-3 log Stufen (Tiefenfilter) Bei Stoßbelastung oder unzureichender Rückspülungen können Verunreinigungen in das Filtrat abgegeben werden ( Filterdurchbruch ) Rückhalt nicht validierbar Hohe Ausbeuten zuverlässiger Betrieb Platzbedarf insb. Höhe kann nicht angepasst werden Investkosten ähnlich, müssen im Einzelfall verglichen werden Absoluter Rückhalt bis zu 6 log Stufen (Oberflächenfilter) Reinwasserqualität bleibt immer konstant gut, unabhängig von Schwankungen im Rohwasser, Aufbereitung und Hygienisierung in einem Schritt Rückhalt durch Integritätstest (oft Druckhaltetest) validierbar und kontrollierbar Hohe Ausbeuten zuverlässiger vollautomatisierbarer Betrieb Geringer Platzbedarf, leicht an bestehende Gebäude anzupassen Investkosten ähnlich, müssen im Einzelfall verglichen werden Folie 13

15 Ersetzt eine Membran die Desinfektionsstufe? Was ist die Membranintegrität? Empfehlung DVGW: Es wird empfohlen, auf eine abschließende Desinfektion nicht zu verzichten. Bedingungen unter denen eine Membran gleichzeitig als Aufbereitungs- und Desinfektinsstufe betrieben werden kann UF Membran mit Rückhalt von MS2-Phagen von mind. 4 Log-Stufen Online Überwachung der Integrität (derzeit noch nicht in der notwendigen Feinheit verfügbar) Membranintegrität Nachweis, dass die Membran noch intakt ist und keine Faserbrüche vorliegen Druckhaltetest bei 1-2 bar Markerbasierend Folie 14

Typische Kosten für Ultrafiltrationsanlagen Investitionskosten: Aufbereitungsanlage für ca. 10 m³/h: rd. 25.000 50.000 Aufbereitungsanlage für ca. 20 m³/h: rd. 40.000 70.

16 Typische Kosten für Ultrafiltrationsanlagen Investitionskosten: Aufbereitungsanlage für ca. 10 m³/h: rd Aufbereitungsanlage für ca. 20 m³/h: rd Betriebskosten: nach Artikel des TZW, Dr. Lipp, in gwf Wasser Abwasser 2005-Membranfiltrationsverfahren in der Trinkwasseraufbereitung Anlage Roetgen: unter 0,10 / m³ Folie 15

17 Anlagentypen Prominent ProMaqua Folie 16

18 Mörlenbach Markt Eschau Lohr am Main Aufbereitungsleistung: ca. 10 m³/h Inbetriebnahme: 2005 Aufbereitungsleistung: ca. 10 m³/h Inbetriebnahme: ca Anlage Berchtesgaden seit 2005 Aufbereitungsleistung: 120 m³/d, max. 20 m³/h Inbetriebnahme: 2008 Jährliche chemische Reinigung Folie 17

Roetgen Nordeifel Versorgung Region Aachen ca. 500.

Stufe: X-Flow Membranen Rohwasser: Talsperrenwasser Kapazität: 7.

19 Roetgen Nordeifel Versorgung Region Aachen ca Einwohner Inbetriebnahme: Ende Stufe: X-Flow Membranen Rohwasser: Talsperrenwasser Kapazität: m³/h Verfahren: direkte Flockung auf Ultrafiltrationsmembran 2. Stufe: inge Membranen Rohwasser: Rückspülwasser der 1. Stufe Kapazität: 630 m³/h Verfahren: Ultrafiltration Folie 18

20 Für weitere Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung Folie 19

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