Trinkwasseraufbereitung in Wasserwerk D

Seit Herbst 2005 besteht in einer Gemeinde im Albtal des nördlichen Schwarzwald²⁴ eine kleintechnische UF-Anlage, mit der Quellwasser zu Trinkwasser aufbereitet werden kann, wobei die technische Betreuung und Beratung wiederum durch das TZW erfolgt. Die Anlage wird mit nur einem Membranmodul (Kapillarmembranen aus PVDF, 50 m² Gesamtmembranfläche) betrieben, wobei eine Gesamtkapazität von 4 - 5 m³/h erzeugt werden kann. Zur Desinfektion ist eine UV-Desinfektionseinheit nachgeschaltet, um die Keimfreiheit des Trinkwassers gemäß der Trinkwasser-verordnung jederzeit zu gewährleisten (siehe Abb. 7.22).

24 Seitens des TZW, in dessen Kooperation die Untersuchungen durchgeführt wurden, wurde gebeten,

Seit Bestehen der Anlage hat sich gezeigt, dass der Transmembrandruck der Anlage jeweils innerhalb weniger Wochen relativ schnell einen hohen Betriebsdruck von 2 bar erreicht hat, was auf ein sehr schnelles Verblocken der Membran hindeutet.

Stündliche Spülungen und eine chemische Reinigung konnten dabei nicht verhindern, dass schon nach etwa sechs Monaten ein Modulwechsel anstand, obwohl eine Membranstandzeit von mehreren Jahren für einen rentablen Betrieb erforderlich wäre. Um das Verblocken der Membran und den schnellen Druckanstieg zu minimieren, wurde inzwischen die Spülfrequenz verdoppelt, so dass das Membranmodul alle 30 Minuten mit einem Luft/Wasser-Gemisch rückgespült werden kann und der Anstieg des Transmembrandrucks insgesamt langsamer verläuft.

Abb. 7.22: Aufnahme der kleintechnischen UF-Membrananlage.

In dem hier untersuchten Zeitraum von Oktober 2005 bis März 2006 wurden offline ergänzende NPA/LIBD-Messungen des Zu- und Ablaufs der Membran durchgeführt, deren Ergebnisse in Abhängigkeit der Membranstandzeit in Abb. 7.23 dargestellt sind. Zusätzlich ist der vom TZW beobachtete TMP-Anstieg und die Zeitpunkte eingetragen, zu welchen der Modulwechsel bzw. eine chemische Reinigung des Moduls stattfand [MÜLLER et al. 2007].

Es ist erkennbar, das im Beobachtungszeitraum die NPV-Gehalte im Zulauf relativ

1 - 2 log-Stufen entspricht. Auffallend ist jedoch, dass beim Tauwetter-Ereignis auch im Membranablauf eine signifikante Erhöhung des NPV auf 9,4 nL/L auftrat.

Abb. 7.23: Entwicklung des Nanopartikelvolumens in Zu- und Ablauf der UF-Membran in Abhängigkeit von der Membranstandzeit [MÜLLER 2006, modifiziert].

Zum einen kann dieser Effekt damit erklärt werden, dass während des Tauwetter-Ereignisses die Zusammensetzung der Wasserinhaltsstoffe deutlich anders ist und vermehrt sehr kleine Kolloide enthalten sind, die kleiner als die Porengröße der Membran (ca. 10 nm) sind, so dass diese Kolloide gehäuft ins Filtrat eingetragen wurden. Zum anderen kann der Anstieg des TMP auf über 2 bar im selben Zeitraum möglicherweise dazu geführt haben, dass unter der stärkeren Druckeinwirkung zusätzlich verstärkt kolloidale Wasserinhaltsstoffe und winzige Bruchstücke aus der Membrandeckschicht die Membran durchdrungen haben bzw. eine Aufweitung der Poren in der trennaktiven Schicht möglicherweise einen vermehrten Durchtritt zuließ.

Im Rahmen dieser Untersuchungen konnte dieser Effekt bisher nicht vollständig aufgeklärt werden, da die Filtrationsbedingungen (v. a. TMP-Verlauf und Rohwasser-beschaffenheit) im Realfall sehr variieren und kaum reproduzierbar sind.

Am Beispiel der vorliegenden Membrananlage wurden begleitend zur Quantifizierung des Kolloidgehalts auch eine Histogramm-Analyse der Wasserproben durchgeführt, welche einen Aufschluss über Größenverteilung im Rohwasser bzw. Filtrat geben soll. Je breiter nämlich die Verteilung des jeweiligen Histogramms ist, desto größer sind die größten in der Probe vorhandenen Kolloide. Ähneln sich die Histogramme

100 200 300 400 500 0

20 40 60 80 100

Probenahme im Dezember 2005

Breakdown-Ereignisse pro Kanal (normiert)

Kamera-Pixel entlang Laserstrahl-Achse Rohwasser UF-Filtrat

100 200 300 400 500

0 20 40 60 80 100

Probenahme im Februar 2006

Breakdown-Ereignisse pro Kanal (normiert)

Kamera-Pixel entlang Laserstrahl-Achse Rohwasser UF-Filtrat

Abb. 7.24: Histogramm-Analyse von Rohwasser und UF-Filtrat in Abhängigkeit der Rohwasserbeschaffenheit bei normalen Witterungsverhältnissen (oben) und bei Tauwetter (unten).

Wie in Abb. 7.24 dargestellt, unterscheiden sich die Histogramme der Membran-zuläufe in Abhängigkeit der Rohwasserbeschaffenheit deutlich voneinander. Das vermehrte Kolloidaufkommen zur Zeit der Schneeschmelze macht sich hierbei durch eine signifikante Verbreiterung der Histogramm-Basis bemerkbar. Bei den

Die Histogramme der UF-Filtrate beider Messtage sind fast identisch, was zeigt, dass sich die Effektivität des Membranrückhalts bezogen auf die Kolloid-Größe auch bei einem größeren Kolloidaufkommen im Membranzulauf kaum ändert, so dass die deutliche Erhöhung des NPV im Filtrat der Schneeschmelze-Probe vom Februar eher auf eine Erhöhung der Kolloidkonzentration zurückgeführt werden kann.

Folglich stellt die Histogramm-Analyse eine gute Ergänzung zu den Standard-Messparametern wie mittlerer Kolloid-Durchmesser und Nanopartikelvolumen dar, wobei es möglich ist, ohne eine genaue Größen-Information der Kolloide rein graphisch eine Abschätzung der Größenverteilung der Wasserinhaltsstoffe einer Probe machen zu können [H^ETZER et al. 2007 und 2008].

Zusammenfassende Schlussfolgerungen

Insgesamt hat sich bei der Untersuchung des Rückhaltevermögens unterschiedlicher UF-Membrananlagen an verschiedenen Standorten die Eignung der LIBD-Technik zur Kolloidquantifizierung gezeigt. Die Analytik mittels NPA/LIBD ist im Gegensatz zu anderen Standard-Methoden²⁵ sensitiv genug, um kleinste Änderungen in der Filtratqualität zu detektieren. Dabei ist es egal, ob diese durch Änderungen der Rohwasserqualität (z. B. durch wechselnde Witterung) oder verfahrenstechnische Bedingungen (z. B. Erhöhung des Transmembrandrucks während der Ultrafiltration) hervorgerufen wurden. Daraus ergibt sich ein sehr großes Potential der LIBD-Technik beim Einsatz in der Membrantechnik zur Überwachung der laufenden Membranprozesse. In den vorliegenden Anwendungsbeispielen wurden die Unter-suchungen noch offline durchgeführt, da der NPA/LIBD bisher nicht mobil ist und nicht zu den Wasserwerken mit den klein- und großtechnischen Membrananlagen transportiert werden konnte. Um zeitliche Fluktuationen der Filtrat-Qualität besser untersuchen zu können, ist eine Online-Überwachung des Membranablaufs unumgänglich. Wie in Kapitel 7.5 gezeigt, wurde dieser Ansatz durch die Kopplung des NPA/LIBD mit einer Laborfiltrationsanlage im Labor realisiert, wobei die Einsetzbarkeit der LIBD-Technik im Bereich der Membrantechnik durch erste vielver-sprechende Ergebnisse bestätigt werden konnte.

25 Parallel zu den LIBD-Untersuchungen wurde in vielen Fällen ein Partikeldetektor auf Basis der Laserlichtstreuung eingesetzt, welcher aufgrund seines stark eingeschränkten Detektionslimits für

7.4 Untersuchungen zum Kolloideinfluss auf das Membranfouling