Einfluss der Flockung auf den Betrieb von UF-Anlagen

Bei der alleinigen UF der Grundwässer zeigte sich, dass die NOM aufgrund der kleinen Mole-külgröße und des damit verbundenen geringen Rückhalts, einen vergleichsweise geringen Permea-bilitätsverlust hervorrufen. Dieser ist aufgrund der Porengängigkeit und durch die Adsorptionsnei-gung hydrophober NOM-Bestandteile an das Membranmaterial jedoch zu großen Teilen hydraulisch

irreversibel. Die Reversibilität des auftretenden Foulings sinkt mit der Größe und der Aromatizi-tät/Hydrophobizität der NOM, da damit sowohl der Rückhalt als auch die Affinität zur Anlagerung auf und in der Membranmatrix zunimmt. Da Stoffe mit diesen Eigenschaften bevorzugt durch die Flockung entfernt werden, wird das hydraulisch irreversible Fouling durch die inline-Flockung deut-lich verringert. Mit zunehmender FM-Konzentration nimmt der irreversible Permeabilitätsverlust sukzessive ab. Dabei konnte gezeigt werden, dass das verbleibende hydraulisch irreversible Fouling bei der UF geflockter Wässer direkt vom Restgehalt der makromolekularen NOM abhängt.

Die vorgeschaltete inline-Flockung führt im Vergleich zur UF ungeflockter Grundwässer jedoch zu einer deutlichen Steigerung des Gesamtfiltrationswiderstandes, da das zugegebene FM den Feststoff-gehalt und die Deckschicht auf der Membran dominiert. So konnte gezeigt werden, dass das Ausmaß des Filtrationswiderstandes linear von der sich aus FM-Konzentration, Flux und Filtrationszeit zu-züglich der geflockten Wasserinhaltsstoffe ergebenden Feststoffmasse auf der Membranoberfläche abhängt. Für die verwendeten FM wurde ein massenbezogener Deckschichtwiderstand ermittelt (FeCl3: 0,89 bis 0,93·10¹⁴ m·kg^-1; AlCl3: 0,49 bis 0,71·10¹⁴ m·kg^-1) mit dem sich, bei Kenntnis der o. g. Parameter, das Druckniveau bei der Filtration und somit auch die daraus resultierenden Ener-giekosten des Hybridverfahrens abschätzen lassen. Der spezifische Widerstand der Deckschicht wird im untersuchten Bereich nur unwesentlich von den Flockungsbedingungen, den nach der Flockung noch vorhandenen organischen Wasserinhaltsstoffen sowie den Betriebsbedingungen der Membran-anlage beeinflusst. Die Deckschicht ist jedoch kompressibel und verliert mit zunehmenden TMP ihre Durchlässigkeit, wodurch ihr spezifischer Widerstand ansteigt. In Realanwendungen könnte diesem Effekt, durch eine Filtration auf möglichst geringem Druckniveau begegnet werden. In konkreten Anwendungsfällen ist zu prüfen, ab wann sich diese Eigenschaft auf die Reversibilität der Deck-schicht auswirkt. Darauf könnte mit einem Grenzwiderstand bis zur Rückspülung reagiert werden.

Weiterführende Untersuchungen könnten zudem prüfen, ob sich durch Optimierung der Flockungs- und Einmischbedingungen oder des pH-Wertes bei der Flockung der spezifische Widerstand der Deckschicht minimieren lässt. Dies würde sich positiv auf die Stabilität der Filtration, das Druckni-veau und somit auch die Betriebskosten auswirken.

Beim Einsatz von den in der Trinkwasseraufbereitung überwiegend verwendeten in-out Kapillar-membranen, insbesondere bei Verwendung einer vorgeschaltete inline-Flockung, kann es neben die-sen klassischen Foulingmechanismen poröser Membranen, also der Verringerung der hydraulischen Durchlässigkeit durch Porenverengung und -verblockung durch im Wasser enthaltene organische Stoffe sowie der Deckschichtbildung aus zugegebenem FM, zu zusätzlichen Beeinflussungen der Filtrationseigenschaften durch inhomogenen verteilte Deckschichten und Ablagerungen im Kapil-larraum kommen. Grund dafür ist, dass bei der Filtration über die gesamte Kapillarlänge eine Über-strömung vorliegt, welche erst am Kapillarende eine Geschwindigkeit von null annimmt. Bereits in unbeladenen Kapillarmembranen treten daher bei der Durchströmung Reibungsverluste auf, so dass der Druck entlang der Kapillare sinkt und sich sowohl bei Filtration als auch Rückspülung eine in-homogene Fluxverteilung über die Kapillarlänge einstellt. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte filtratseitig segmentierte Membranmodul, welches in eine voll-automatische UF-Pilotanlage inte-griert wurde, ermöglichte reproduzierbar die Detektion der Fluxverteilung über die Kapillarlänge bei Filtration und Rückspülung. Mithilfe eines Modells konnten die gemessenen Fluxverläufe bei der Filtration interpretiert und hypothetischen Foulingmechanismen zugeordnet werden.

Zusammenfassende Diskussion und Ausblick Das Fouling ohne Flockung konnte erwartungsgemäß auf die Anlagerung organischer Stoffe auf be-ziehungsweise in der Membranmatrix zurückgeführt werden. Durch eine Erhöhung des radialen Wi-derstandes zieht dies eine Fluxabnahme in Bereichen hohen Filtratflusses (Kapillareintritt) nach sich.

Mit Flockung bildet sich eine kompressible Deckschicht entlang der Kapillare und, ab einem be-stimmten Flockendurchmesser, eine vermehrte Ablagerung von Flocken am toten Kapillarende. Bei-des führt, durch Erhöhung Bei-des axialen Druckverlustes oder eine Verkürzung der effektiven Kapillar-länge, zur Verstärkung der inhomogenen Fluxverteilung und einer Fluxzunahme am Kapillareintritt.

Eine höhere Flockungsmitteldosierung, ein höherer Flux und die Filtration von oben nach unten füh-ren zu einer ungleichmäßigefüh-ren Verteilung der Flocken. Eine genaue Kenntnis der, in Abhängigkeit zu Flockungs- und Betriebsbedingungen, erzeugten Flockendurchmesser und -dichte sowie deren Entwicklung bei der Durchströmung der Kapillare wäre hilfreich, um den Ablagerungsort zu vali-dieren oder sogar gezielt zu kontrollieren und könnte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Eine effiziente Rückspülung der gesamten Membranfläche ist unabdingbar für den nachhaltigen Be-trieb von UF-Anlagen. Die im Rahmen dieser Arbeit erlangten Ergebnisse zeigen jedoch, dass die gebildeten Deckschichten und Ablagerungen im Kapillarraum bei Filtration geflockter Wässer einer gleichmäßigen Rückspülung der gesamten Membranfläche entgegenstehen. So kann es vorkommen, dass insbesondere Kapillarsegmente, in denen eine komprimierte Deckschicht hohen hydraulischen Widerstandes vorliegt, nur unzureichend für die Rückspülung zugänglich sind und die mittlere Per-meabilität des Gesamtmoduls drastisch abnimmt. Die hydraulische Reversibilität des Foulings bei Einsatz von innen nach außen betriebener dead-end Kapillarmembranen wird daher neben der Spül-geschwindigkeit und der Spüldauer entscheidend von Rückspülstrategie, insbesondere der Ausspül-richtung, beeinflusst. Denn diese hat einen direkten Einfluss auf die Spülgeschwindigkeit und somit die Wirksamkeit der Spülung in verschiedenen Kapillarbereichen. Im Gegensatz zu der in der Praxis weit verbreiteten Annahme, dass vor allem die Ablagerungen am Kapillarende („Pfropfenbildung“) zu Einschränkungen im Betrieb führen, zeigen die vorliegenden Ergebnisse, dass genau diese Abla-gerungen, vermutlich aufgrund der weniger starken Kompaktierung durch das geringere Druckni-veau am Kapillarauslass bei der Filtration, sehr gut reversibel sind. Ziel einer effektiven Rückspülung sollte es jedoch sein, alle Membranbereiche bei ausreichend hohem Flux zu spülen. Auf Grundlage der vorliegenden Untersuchungen erscheint eine Kombination beider Ausspülrichtungen empfeh-lenswert, da nur so auch die durch ihre relative Lage zum Kapillarauslass oder durch auftretendes Fouling, hydraulisch benachteiligte Membranbereiche ausreichend hohe Spülgeschwindigkeiten er-fahren.

Zu beachten ist jedoch, dass sich die nötige Spülstrategie, der Spülflux und die Spüldauer abhängig von Feedwasserzusammensetzung, dem eingesetzten Flockungsmittel, der Flockungsmittelkonzent-ration und den FiltFlockungsmittelkonzent-rationsbedingungen erheblich unterscheiden können und individuell auf die Rah-menbedingungen angepasst werden müssen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse liefern dabei dennoch wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der ablaufenden Prozesse und der hydrody-namischen Bedingungen bei Einsatz solcher Kapillarmembranen. Eine Pilotierung des Verfahrens und eine Optimierung der Betriebs- und Rückspülbedingungen sind im Einzelfall jedoch unumgäng-lich.

Weitergehende Untersuchungen könnten insbesondere bei hoher FM-Dosierung prüfen, inwieweit sich die Ablagerungen durch eine kurze feedseitige Spülung der Kapillare mit Feedwasser (Forward-Flush) während der Filtration oder vor der eigentlichen Rückspülung, bereits aus dem Kapillarraum austragen lassen. Somit ließe sich die Verwendung vorher generierten Filtrats für die eigentliche

Rückspülung minimieren. Auch die Anpassung der zeitlichen Verteilung der Spülzeiten (top vs. bot-tom) in Abhängigkeit zum vorliegenden Foulingmechanismus bietet Potential, den Spülwasserbedarf zu minimieren. Bezüglich der Filtration bietet eine alternierende Beschickung des Moduls die Chance, die Verteilung der Deckschicht innerhalb der Kapillare zu vergleichmäßigen.

Hinsichtlich des Designs zukünftiger Kapillarmembranmodule, könnte, sofern dies herstellungstech-nisch zu realisieren ist, eine filtratseitige Segmentierung enorme Vorteile bieten und eine deutliche Verringerung des Spülwasserbedarfes bewirken. So könnten einzelne Kapillarsegmente gezielt, ab-hängig vom vorliegenden Fouling, gespült werden. Dabei muss jedoch geprüft werden, ob diese Vor-teile den damit verbundene Mehraufwand während des Herstellungsprozesses und die Erhöhung der Komplexität des Anlagenbetriebs rechtfertigen können. Alternativ könnten auch mehrere in Reihe geschaltete kürzere Module eingesetzt werden, welche sich einzeln zurückspülen lassen. Vorausset-zung dafür ist, dass die Deckschichtausbildung sich in axiale Richtung entlang mehrerer Module analog zu der eines einzigen langen Moduls verhält. Des Weiteren könnte die Einflussnahme auf die Deckschichtverteilung durch Anpassung des Kapillardurchmessers geprüft werden.