Ultrafiltrationsanlage

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1 Dr. Ralf SCHRÖDER; Gerrit FOERSTER Trinkwasseraufbereitung mit Ultrafiltrationsanlage In Moskau wurde 2006 eine neue Trinkwasseraufbereitungsanlage in Betrieb genommen. Von WTE geplant wird sie seit 7 Jahren gemeinsam mit Mosvodokanal betrieben. Trinkwaseraufbereitungsanlage Moskau Süd-West Bild 1 Zur Verbesserung der Trinkwasserqualität in Moskau wurde im Süd-Westen der russischen Hauptstadt im Dezember 2006 ein neues Trinkwasserwerk in Betrieb genommen (Bild 1). Die Kapazität beträgt m3/d oder m3 stündlich bei einer Bemessungstemperatur von 0,2 bis 26 C. Die Aufbereitung des Oberflächenwassers aus dem Fluss Moskwa erfolgt nach dem so genannten Multibarrieren-Konzept mit einer konventionellen Vorbehandlung mit Koagulation, Flockung, Sedimentation und Mehrschichtfiltration sowie zweistufiger Ozonung. Anschließend wird das Wasser in einer Membranstufe filtriert. Dabei handelt es sich um die größte Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung in Europa. Die Anlage wurde von der WTE Wassertechnik GmbH als BOOT-Modell geplant, finanziert und errichtet. Zusammen mit Mosvodokanal wird die Anlage über einen Zeitraum von zehn Jahren betrieben. Innerhalb der Russischen Föderation kam in diesem Wasserwerk zum ersten Mal eine Ultrafiltration zum Einsatz. Vorbehandlung Bei der Vorbehandlung handelt es sich um eine mehrstufige Aufbereitung nach dem Multi-Barrieren-Konzept. Dabei steht für jede Aufbereitungsstufe eine alternative Technologie zur Verfügung. Eine ausführli che Darstellung des technologischen Schemas wurde bereits früher veröffentlicht /1/. Nach folgend werden nur die wichtigsten Stufen der Vorbehandlung beschrieben (Bild 2). Die Anlage ist in vier parallele Straßen aufgeteilt. Das Rohwasser aus dem Fluss Moskwa gelangt zunächst in die Vorozonungsstufe. Der Eintrag des Ozons ins Rohwasser erfolgt durch eine feinblasige Belüftung mit ozonbeladener Luft. In der Vorozonung werden Geruchs-, Geschmacks- und Farbstoffe oxidativ entfernt. Weiterhin wird durch eine Veränderung der Oberflächenladung an partikulären Stoffen die nachfolgende Koagulation unterstützt. Die nächste Stufe der Aufbereitung ist die Koagulation und Flockung. Diese Verfahrensstufe besteht je Straße aus drei Reaktionsbecken und einem Flockungsbecken, die nacheinander durchflossen werden. Im ersten Becken kann bei Bedarf der ph-wert des Rohwassers durch Dosierung von Schwefelsäure oder Natronlauge eingestellt werden. Dies kann zur Optimierung der Koagulation oder zur Verhinderung von Ausfällungen in der Ultrafiltration (Scaling) erfolgen. Im zweiten Becken erfolgt die Entstabilisierung von Feststoffpartikeln und Kolloiden durch Zudosierung von Polyaluminiumchlorid (PACl). Im dritten Becken wird ein Flockungshilfsmittel (Polyacrylamid) zugegeben. Damit wird im Flockungsbecken die Ausbildung von großen, gut absetzbaren Makroflocken gewährleistet. Zusätzlich kann in dieser Stufe Pulver-Aktivkohle zugegeben werden. Zur schnellen Verteilung der Chemikalien im Wasser wird mit Hilfe von Rührwerken eine turbulente Durchmischung erzeugt. Im Anschluss fließt das Wasser in das Flockungsbecken. Hier agglomerieren die gebildeten Mikroflocken bei sanfter Umwälzung des Beckeninhaltes zu größeren, kompakten Flocken. Die Sedimentation zum Abtrennen der Schlammflocken vom Wasser erfolgt in La- Auszug der Rohwasserbemessungsparameter Tab. 1 Parameter Einheit maximale (auszugsweise) Zulaufwerte 1 Farbigkeit Cr Co 67 2 Trübung NTU 84 3 ph-wert 7,1 8,8 4 Fe (Eisen) mg/l 1,4 5 Mn (Mangan) mg/l 0,24 6 PO 4 (Phosphat) mg/l 0,4 7 Oxidierbarkeit in KMnO 4 mg/l 14 8 Al (Aluminium) mg/l 0,6 9 CCl 4 (Tetrachlormethan) µg/l 4,2 10 Atrazin (Pflanzenschutzmittel) µg/l 1,0 11 Lindan (Insektizid) µg/l 1, D (Pestizid) µg/l 1,0 13 Phenole µg/l 0,5 14 Gesamtmikroorganismenzahl Anzahl in 1 ml Gesamt koliforme Bakterien Anzahl in 100 ml Sporen Klostridien Sporen in 20 ml Koliphage Anzahl in 100 ml /2013

2 Vereinfachtes Technologisches Schema der Vorbehandlung Bild 2 Sedimentation mit Bild 3 Lamellenseparatoren mellenseparatoren (Bild 3). Die Flocken setzen sich auf den Lamellenplatten ab und rutschen in den Eindickraum unter den Lamellen. Im Eindickraum wird der Schlamm eingedickt und nachfolgend als Überschussschlamm aus dem System entfernt. Das weitgehend feststofffreie Wasser verlässt die Lamellenseparatoren nach oben und wird anschließend in die Nachozonung geleitet. In der Nachozonung erfolgt vor wiegend die Oxidation von gelösten Inhaltsstoffen. Dadurch werden die restlichen Geschmacks-, Geruchs- und Farbstoffe entfernt. Weiterhin erfolgt eine teilweise Desinfektion des Wassers. Membranmodule der Bild 4 Ultrafiltrationsanlage Die letzte Stufe der Vorbehandlung ist die Mehrschichtfiltration. Darin werden die nicht sedimentierbaren Feststoffpartikel aus dem Wasser entfernt. Die Filter haben jeweils eine obere Filterschicht aus Hydroanthrazit und eine darunter liegende Schicht aus Quarzsand. Das Spülwasser wird in einem Spülwasserspeicher vergleichmäßigt und anschließend wieder in den Zulauf zur Anlage gefördert. Ultrafiltration Mit der Ultrafiltration werden Trüb- und Schwebstoffe, Bakterien und Viren entfernt (Bild 4). Im Gegensatz zu einer chemischen Partikelgrößen und Filtration Bild 5 wwt-online.de

3 Transmembrandruck und Viskosität als Funktion der Temperatur Bild 6 Permeabilität im Jahresverlauf Bild 7 Desinfektion mit Chlor oder einer physikalischen Desinfektion mit UV-Bestrahlung, werden die Mikroorganismen nicht nur deaktiviert oder abgetötet, sondern vollständig aus dem Wasser entfernt. Damit sinkt die Gefahr einer Rückverkeimung im Rohrnetz. Da Viren und die meisten Zysten und Sporen an Feststoffe gebunden sind, können auch diese weitgehend entfernt werden. In Bild 5 sind typische Größen verschiedener Inhaltsstoffe abgebildet /2, 3, 4/. Zusätzlich sind die nominellen Durchmesser der Ultrafiltration, der Vorfilter und der Be - reich der Mehrschichtfiltration eingetragen. Partikel unter einem Durchmesser von etwa 1 μm liegen kolloidal vor. Partikel mit Durchmessern größer als 1 μm sind suspendiert. Bakterien und pathogene Protozoen liegen im Durch messer zwischen 1-3 Zehnerpotenzen über den Porenweiten der Ultrafiltration. Natürliche organische Stoffe (NOM) und andere Makromoleküle haben einen Durchmesser im Bereich der Membranporen und werden somit teilweise zurück gehalten. Anorganische Partikel wie Sand, Schluff und Ton sowie Reste an Flocken aus der Koagulation werden praktisch vollständig zurückgehalten. Die Ultrafiltration ist mit druckbetriebenen Hohlfasermembranen ausgerüstet. Die Filtration erfolgt von innen nach außen. Die Ultrafiltration ist in vier parallele Straßen aufgeteilt. Jede Straße ist in vierzehn Racks unterteilt. Jedes Rack wird eigenständig gesteuert und verfügt zu diesem Zweck über entsprechende Armaturen, Mess-, Steuerund Regelungstechnik. Eine detaillierte Beschreibung der Ultrafiltration findet sich in /5/. Der Betrieb ist im Dead-End oder im Cross- Flow Modus möglich. Dazu ist jedes Rack mit zwei Umwälzpumpen ausgerüstet. Das vorbehandelte Wasser wird aus Vorlagebecken entnommen. Die Beschickung der Ultrafiltration erfolgt mit Kreiselpumpen, die auch das Niveau in den Vorlagebecken mittels Regelung konstant halten. Zum Schutz der Ultrafiltrationsmembranen ist der Ultrafiltrationsstufe ein Mikrosieb vorgeschaltet. In der Vorfiltration werden vereinzelte Feststoffpartikel, z. B. Abrieb vom Quarzsand und Hydroanthrazit der Mehrschichtfiltration, zurückgehalten. Das ist erforderlich um ein Verstopfen der Hohlfasern (Blocking) zu verhindern. Die Rückspülung der Membranen erfolgt alle 45 bis 60 Minuten. Dabei wird einem Teil des Spülwassers Natriumhypochlorit zugegeben. Dies verhindert das Entstehen eines Biofilms auf der Membran und damit einen biologischen Angriff der Ultrafiltration (Biofouling). Zusätzlich kann die Ablagerung von organischen Substanzen auf der Oberfläche der Membran (organisches Fouling) begrenzt werden. Die organische Verschmutzung der Membran und eventuelle anorganische Ablagerungen (Scaling) werden durch intensive chemische Reinigungen etwa dreimal pro Jahr entfernt. Dabei wird Natronlauge oder Hypochlorit verwendet. Zusätzlich kann Zitronensäure zur Entfernung von Kalk und anderen anorganischen Ausfällungen verwendet werden. Wasserqualität und Produktionsmenge Die wichtigsten Parameter für das Rohwasser mit dem Auslegungswert und den Messwerten enthält Tabelle 1, Seite 20. Bei den Messwerten für das Rohwasser sind die Mittelwerte sowie die minimalen und maximalen Werte aus den vergangenen vier Jahren vermerkt. Seit Inbetriebnahme hat das Wasserwerk Süd-West mittlerweile mehr als 500 Mio. Kubikmeter Trinkwasser produziert. Die durchschnittliche Auslastung entspricht 96 % der nominellen Anlagenkapazität. Das Wasserwerk wird abgesehen von geplanten Revisions fällen kontinuierlich mit einer Netto-Produktion von m3/d bzw m3/h betrieben. Damit dient es der Grundversorgung und folgt nicht den Tages-, Wochen- und Jahresschwankungen bei der Trinkwasserabnahme im Rohrnetz. Betriebsdaten Ultrafiltration Membranfiltrationen sind stark von der Wassertemperatur abhängig. Mit sinkender Temperatur nimmt die Viskosität des Wassers und damit der Druckverlust der Membranen zu. Die Temperatur liegt für drei Monate pro Jahr unter 0,5 C. Mindestens die Hälfte des Jahres liegt die Wassertemperatur unter 10 C. Im Sommer kann die maximale Temperatur dagegen 25 C erreichen. Der Jahresverlauf der Temperatur spiegelt sich im Druckverlust bei der Ultrafiltration wider. Der Druckverlust, auch Transmembrandruck (TMP) genannt, ist dabei umgekehrt proportional zur Wassertemperatur. 22 4/2013

4 Während der Wintermonate liegt der Druckverlust etwa doppelt so hoch wie bei hohen Temperaturen im Sommer. Im Bild 6 wird der TMP in Abhängigkeit von der Wassertemperatur für den Zeitraum aufgezeigt. Zusätzlich ist der Verlauf der dynamischen Viskosität von Wasser über die Temperatur dargestellt. Man erkennt, dass der Verlauf des TMP grundsätzlich parallel zur dynamischen Viskosität verläuft. Der Jahresgang der Permeabilität normiert auf 20 C für den Zeitraum 2007 bis 2010 wird in Bild 7 aufgezeigt. Auch die Permeabilität zeigt einen ausgeprägten Jahresgang mit den höchsten Werten im Sommer. Aus dem Verlauf der Ganglinie im ersten Betriebsjahr 2007 zeigt sich der Anfangsverlust neuer Membranen. Zusätzlich war in den ersten drei Monaten die Produktionsmenge und damit der Flux noch geringer. Das Verhalten neuer Membranen Neue Ultrafiltrationsmembranen haben typischerweise nach Einbau eine wesentlich höhere Permeabilitä t wie Membranen, die schon längere Zeit in Betrieb sind. Zu Beginn des Betriebes fällt die Leistung relativ schnell ab und stabilisiert sich dann nach einiger Zeit. Dies kann auf Veränderungen an der Membranoberfläche aufgrund von permanenten Ablagerungen und Ladungsveränderungen zurückgeführt werden. In der Ultrafiltration des Wasserwerks Süd- West wurden aus unterschiedlichen Gründen im Laufe der vier Betriebsjahre an vier Racks die Membranen gegen neue Membranen ausgetauscht. wwt-online.de Desinfektions-Nebenprodukte Bei der Trinkwasseraufbereitung und Desinfektion können schädliche Nebenprodukte entstehen. Die wichtigste Gruppe an Stoffen sind die Tri-Halo-Methane (THM). Die Bildung von THM hängt von vielen unterschiedlichen Faktoren wie ph-wert, Temperatur oder der Art des eingesetzten Desinfektionsmittels ab. Den wichtigsten Einfluss haben die Konzentration an organischen Inhaltsstoffen im Wasser und die Dosierrate an Chlor. Die Chlor-Dosis beeinflusst dabei die Reaktionskinetik. Die Trinkwasseranlage Süd-West Moskau erreicht aufgrund der Verfahrenskombination mit Ozonung und Ultrafiltration deutlich geringere Konzentrationen an Desinfektions-Nebenprodukten. Der Einsatz von Ozon statt des in der Russischen Föderation sonst üblichen Chlors für die Oxidation des Rohwassers reduziert die chlor-organischen Substanzen deutlich. Durch die Ultrafiltration werden verstärkt kolloidale und gelöste langkettige organische Substanzen aus dem Wasser entfernt. Dies sind Vorprodukte für die Bildung von Desinfektionsnebenprodukten im Trinkwasser. Bei der abschließenden Desinfektion steht daher weniger organische Substanz zur Verfügung. Weiterhin kann die Dosierrate an Chlor nach einer Ultrafiltration reduziert werden. Der spezifische Chlorbedarf ist immer auch von der Konzentration partikulärer Stoffe abhängig. Sind Feststoffe im Wasser enthalten muss die Chlor-Dosierung erhöht werden, um die gleiche Desinfektionswirkung zu garantieren. Da das Wasser nach der Ultrafiltration praktisch frei von Feststoffen ist, kann die Chlordosierung reduziert werden. Die WHO empfiehlt daher als Strategie zur Minimierung von Desinfektions-Nebenprodukten die Reduzierung von natürlichen organischen Substanzen (NOM) unter Einbeziehung einer Membran-Filtration /6/. Organisation des Anlagenbetriebs Die WTE verfügt über langjährige Erfahrungen nicht nur in der Planung, im Bau und der Finanzierung von kommunalen Ver- und Entsorgungsanlagen, sondern auch in deren Betriebsführung in Form von Betreiber- und Kooperationsprojekten. Im Ausland werden derzeit mehr als 20 Anlagen der Wasserverund Abwasserentsorgung betrieben. Zur Erfüllung der Leistungen zur Betriebsführung hat die WTE eine russische Betreibergesellschaft gegründet. In dieser Gesellschaft werden alle erforderlichen Leistungen der technischen und kaufmännischen Betriebsführung erbracht. Die Geschäftsführung der Gesellschaft besteht hierzu aus einem Generaldirektor und einem technischen Direktor. Dieses Modell wird bereits in den WTE-Projekten Süd-Butowo und Zelenograd erfolgreich praktiziert. Die Leitung der Gesamtanlage und alle Tätigkeiten liegen im direkten Verantwortungsbereich des Generaldirektors. Über einen Service- und Managementvertrag zwischen der Betreibergesellschaft und der ZAO WTE Süd-West wird der Generaldirektor umfassend mit Informationen, Know-how, Soll-Ist-Abweichungen, Prognosen zum Betrieb und vor allem mit den zugehörigen Lösungsvorschlägen versorgt. Die Servicequalität wird dadurch auf höchstem Niveau gehalten, die Reaktionszeit bei unvorhersehbaren Ereignissen minimiert. Der Vertrag sichert auch eine lückenlose Versorgung mit Ersatzteilen sowie Dienstleistungen im Rahmen der Reparatur und Generalreparatur ab. Kaufmännische Betriebsführung Der kaufmännische Bereich ist dem Generaldirektor direkt unterstellt. Zu den typischen Aufgaben zählen u. a.: Rechnungserstellung gemäß vertraglicher Vorgaben SPECIAL WASSER BERLIN INTERNATIONAL 23

5 Bild 8 Die Projektstruktur zur Realisierung des Wasserwerks Moskau Süd-West Erstellen der Jahresabschlüsse Erstellung von Bilanzen und Gewinn- und Verlustrechnungen gemäß der russischen Buchhaltungsvorschriften permanenter Abstimmungsprozess mit den russischen Finanz- und Steuerbehörden rechtliche Prüfung bestehender Verträge, ggf. Anpassung bei Gesetzesänderungen Aufstellen der jährlichen Plankalkulationen für Betrieb, Wartung, Instandhaltung, Reparatur und Investition Materialbewirtschaftung, d. h. rechtzeitiger Einkauf von Hilfs- und Betriebsstoffen und Ersatzteilen zur Sicherstellung eines reibungslosen Anlagenbetriebs Personal- und Lohnbuchhaltung. Technische Betriebsführung Der gesamte Bereich der technischen Betriebsführung untersteht sowohl dem Generaldirektor als auch dem Technischen Direktor. Der Aufgabenbereich der techni schen Betriebsführung liegt im Wesentlichen darin, jederzeit Trinkwasser in einer entsprechend den Anforderungen festgelegten Menge und Qualität bereitzustellen; und zwar durch Überwachung und Kontrolle des Betriebes und Wartung, Instandhaltung oder Austausch von Anlagenteilen. Anlagenbetrieb Die Betreibergesellschaft hält die Trinkwasseranlage stets in einem voll funktionsfähigen Zustand, um jederzeit die Betriebsfähigkeit zu gewährleisten. Hierzu werden die notwendigen Instandhaltungsmaßnahmen und Wartungs- und Reparaturarbeiten durchgeführt. Die Gesamtleitung der Trinkwasseranlage obliegt dem Generaldirektor. Für die Ausführung der technischen und kaufmännischen Arbeiten in der Trinkwasseranlage ist einerseits gewerbliches Personal in der Betreibergesellschaft und andererseits hochqualifiziertes Fachpersonal (Betriebsführungsmanagement) in der WTE Süd-West vorgesehen. Projektfinanzierung Das gesamte Projekt wurde von der WTE Wassertechnik komplett finanziert. Hierzu wurde eine russische Aktiengesellschaft gegründet. Die Finanzierung selbst wurde zu 25 % aus Eigenmitteln der WTE und zu 75 % über das Bankenkonsortium Industriekreditbank (IKB) und der KfW aus Frankfurt/Main finanziert. Die Projektabsicherung erfolgte über eine Bundesanlagengarantie sowie für das wirtschaftliche Ri siko über ein Nordrhein-Westfälisches Pur-Cover-Programm (Bild 8). LITERATUR /1/ Khramenkov, S. V.; Schröder, R. (2007) Verbesserung der Trinkwasserqualität der Stadt Moskau durch Integration moderner Technologien im Wasserwerk Süd-West. GWF Wasser Abwasser 148(2007) Nr.11, /2/ Gregory, J.: Particles in Water Properties and Processes; IWA Publishing / CRC Press 2006 /3/ Binnie, C.; Kimber, M.; Smethurst, G.: Basic Water Treatment; Third Edition 2002; IWA Publishing/ Thomas Telford Publishing /4/ Nikoladze, G.; Mints, D.; Kastalsky, A.: Water Treatment for Public and Industrial Supply; Revised Second Edition; MIR Publishing 1989 /5/ Daou, R.; Durand-Bourlier, L.; Guerassimov, G.; Chepurnov, A.: The largest European Ultrafiltration plant in Moscow One year of operation; IWA Congress Moscow (ECWATECH) 06/2008 /6/ World Health Organization WHO: Environmental Health Criteria 216 Disinfectants and Disinfectant By-Products; WHO Geneva 2000 KONTAKT WTE Wassertechnik GmbH Dipl.-Ing. Gerrit Förster Ruhrallee Essen Tel.: 0201/ gerrit.foerster@wte.de /2013