Untersuchungen zum Kolloideinfluß auf Feinfiltersysteme .1 Ausgangssituation und Aufgabenstellung

Kolloide lt. Definition

Abb. 7.17: Die Abbildung zeigt die Trenngrenzen verschiedener, in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzter Verfahren der Partikelabtrennung, gängige Nachweismethoden sowie ausgewählte Par-tikel (Abb. modifiziert nach B^ALDAUF et al. (2004)).

Im Jahre 2001 wurden mit der Novellierung der Trinkwasserverordnung (TrinkwV, 2001) auch die Anforderungen bei der Nutzung mikrobiell belasteter Rohwässer zur Trinkwasserversorgung neu definiert. Vor allem eine Reihe kleinerer Wasserversorgungsunternehmen, welche Quellwasservorkommen in Mittelgebirgs-regionen ohne ausreichende Überdeckung nutzen, sind von der neuen Gesetzeslage betroffen (Baldauf et. al., 2003). Um eine sichere Desinfektion zu gewährleisten, ist in solchen Fällen durchwegs eine Trübung ≤ 0,1 - 0,2 FNU¹ einzuhalten. Dies bedeutet, daß für etliche kleine Wasserversorger (Abgabemengen lediglich im Bereich von 10 m³/h) nun eine alleinige Desinfektion wie bisher nicht mehr ausreicht, sondern daß zusätzlich eine vorgeschaltete Partikelabtrennung erforderlich ist. In der Praxis werden dazu bislang vorwiegend Flockungs- bzw. Schnellfiltrationsanlagen und zunehmend auch Niederdruckmembranverfahren wie Mikro- und Ultrafiltration eingesetzt, die sich in großtechnischem Maßstab bewährt haben. Allerdings steigen mit abnehmender Anlagengröße die spezifischen Investitionskosten, so daß für

1 Eine Einheit der Trübungsmessung: formazine nephelometric unit

konventionelle Verfahren bzw. Membransysteme in Kleinanlagen relativ zu Großanlagen deutlich höhere Kosten anfallen. Dagegen weisen Feinfiltersysteme, wie sie aus anderen Einsatzbereichen wie beispielsweise der Getränke-, Pharma- oder Elektroindustrie bekannt sind, auch bei kleineren Anlagen relativ geringe spezifische Investitionskosten auf. Der Begriff Feinfiltersysteme steht im folgenden für nicht spülbare Druckfilter, die als Filtermedium Filterbeutel oder Filterkartuschen enthalten.

Die einzelnen Filtermedien unterscheiden sich hinsichtlich Trenngrenze, Filter-material sowie Bauform, entsprechende Kenndaten finden sich bei BALDAUF et al.

(2004). Abgesehen von den geringeren Investitionskosten ist ein weiterer Vorteil solcher Anlagen, daß kein Abwasser anfällt. Dies bedingt allerdings auch, daß das beladene Filtermaterial zu entsorgen ist.

MÜLLER et al. (2004) haben Versuche zur Einsetzbarkeit von Feinfiltersystemen für die Trinkwasseraufbereitung durchgeführt: Dabei wurden Feinfiltersysteme verschiedener Hersteller parallel mit Quellwasser beaufschlagt. Wie aus Abb. 7.18 hervorgeht, wurden die Anlagen prinzipiell zweistufig betrieben, d.h. bestehend aus einem Vor- und einem Hauptfilter. Abb. 7.19 zeigt beispielhaft ein solches Feinfiltersystem, wobei rechts das Filtergehäuse und links die Filterkartuschen zu sehen sind. Insgesamt zeigte sich eine ausreichend gute Verminderung der Trübung, wenn dem Rohwasser ein Modelltrübstoff (3 µm Quarzsand-Partikel) zugesetzt wurde. Natürliche Trübstoffe wurden hingegen in Abhängigkeit von deren Eigenschaften mit wesentlich geringeren Wirkungsgraden zurückgehalten.

Druckmesser Probenahmehahn Wasserzähler

Ventil

Pumpe

Vorfilter Hauptfilter

Abb. 7.18: Schema der Versuchsanlage zur simultanen Charakterisierung der Filtrationsleistung von Feinfiltersystemen.

Durch die Partikelmessung auf Basis der Laserlicht-Abschattung (Abakus mobil fluid, Markus Klotz GmbH) werden abhängig vom gewählten Größenbereich Partikel zwischen 1 - 20 µm bzw. 2 - 20 µm erfaßt. Die Trübungsmessung (Ultraturb, Dr.

Bruno Lange GmbH & Co. KG) weist die aufgrund der Definition der Meßbedingungen gemäß DIN EN 27027 höchste Sensitivität für Partikel im Bereich zwischen 0,1 und 1 µm auf. Allerdings hängt die Intensität des gestreuten Lichtes

nicht nur ab von der Anzahl der Partikel, sondern auch von deren lichtoptischen Eigenschaften sowie gerätetechnischen Parametern. Daher kann aus den Trübungswerten nur bedingt auf die Teilchengröße und -konzentration geschlossen werden. (DVGW-Arbeitsblatt W 206, 2001). NPA/LIBD-Messungen hingegen führen zu weitergehenden Aussagen zum Rückhalt von Kolloiden.

Abb. 7.19: Beispiel für längs gefaltete Feinfilter-Kartuschen (Vor- und Hauptfilter, links), sowie ein Bild der zweistufigen Versuchsanlage (rechts).

7.3.2 Ergebnisse

In den beiden Abb. 7.20 und 7.21 sind jeweils die mittleren Kolloid-Durchmesser (blau) sowie die zugehörigen Konzentrationen (dunkelgelb) dargestellt; ein Wertepaar gehört jeweils zu einer Wasserprobe. Aus den Probenbezeichnungen wird deutlich, ob bzw. welche Filter in Kombination als Vor- und Hauptfilter eingesetzt wurden. Bei den orangen Punkten handelt es sich um den Eliminierungsgrad in log-Stufen; er stellt ein Maß für die Abscheideleistung eines Filters dar und errechnet sich in diesem Falle wie folgt¹:













=

uf Filterabla

uf Filterzula

c log c ngsgrad

Eliminieru (7-2)

1 Streng genommen ist er definiert über die Partikelanzahl in Filterab- und zulauf.

Aus den Abbildungen wird deutlich, daß unter sonst gleichen Bedingungen durchaus Unterschiede zwischen den Filtern bzw. Filterkombinationen bestehen. Entsprechend ihren Trenngraden sind Hauptfilter in aller Regel effektiver als Vorfilter – besonders gut ist dies anhand der Abnahme der Partikelmassenkonzentrationen zu sehen.

Vergleicht man die Produkte verschiedener Hersteller¹, so fällt im kolloidalen Bereich ein besserer Partikelrückhalt der als Vor- und Hauptfilter-Kombination eingesetzten Produkte M und U1 auf. Es handelt sich demnach um schärfer trennende Systeme, entsprechend liegen sie auch preislich höher.

Verschiedene Baugrößen der einzelnen Filter haben erwartungsgemäß keinen Einfluß auf die Filtrationsleistung. Abb. 7.21 zeigt dies anhand der Filterkombi-nation N und U1. Weiterhin sieht man anhand der Werte für das Filterprodukt der Herstellerfirma 4, daß zum Erreichen einer bestimmten Filtrationsleistung für Kolloide keine Kombination aus Vor- und Hauptfilter erforderlich ist. In der Praxis zahlt sich diese jedoch aus, da Vorfilter vergleichsweise günstiger sind und sich durch ihren Einsatz die Standzeit des merklich teureren Hauptfilters signifikant erhöht; die Gesamtkosten liegen dadurch niedriger.

Sowohl in Abb. 7.20 wie auch 7.21 sind Fälle zu erkennen, in denen die Durch-messer und/oder Konzentrationen im Filterablauf geringfügig höher waren, als im Rohwasser². Ein Anstieg der mittleren Durchmesser kann durch eine vorzugsweise Abscheidung vor allem kleinerer Partikel hervorgerufen werden – entsprechend steigen dann auch die errechneten Konzentrationen. Möglich sind neben Meßfehlern jedoch auch Artefakte, welche durch die Filter selbst oder Probenahme bzw.

-transport verursacht wurden. Die Ergebnisse zwischen den Paaren aus Vor- und Hauptfilter sind jedoch in sich schlüssig.

1 Es wurde seitens des DVGW Technologiezentrums Wasser (mit dem zusammen die Untersuchun-gen durchgeführt wurden) gebeten, die vorlieUntersuchun-genden Ergebnisse zum geUntersuchun-genwärtiUntersuchun-gen Zeitpunkt nur anonym zu veröffentlichen.

2 Wie bereits in Abschnitt 7.2.4.2 ausführlich erläutert, ist die Auftragung der Partikelzahlen in Zu- und Ablauf unter Umständen weniger aussagekräftig, weshalb an dieser Stelle darauf verzichtet wurde.

0

Kolloid-Durchmesser /nm Kolloid-Konzentration /(µg/L) Entfernung in log-Stufen

Abb. 7.20: Die Abbildung zeigt Kolloid-Konzentration und Durchmesser im Rohwasser sowie den entsprechenden Filterabläufen im Mai 2004. Es wurden jeweils Kombinationen aus Vor- und Haupt-filter verwendet. Beim Eliminierungsgrad in log-Stufen handelt es sich um ein Maß für die Filtrations-leistung.

Kolloid-Durchmesser /nm Kolloid-Konzentration /(µg/L) Entfernung in log-Stufen

Abb. 7.21: Einfluß verschiedener Filterbauformen auf die Filtrationsleistung bzw. Test zusätzlicher Filtertypen. Analog zu den Versuchen in Abb. 7.20 wurden im Oktober 2004 entsprechende weitere Versuche durchgeführt (VF = Vorfilter, HF = Hauptfilter).

Parallel durchgeführte Untersuchungen mittels Trübungsmessung und Laserlicht-Abschattung haben gezeigt, daß die Abscheideleistung von Feinfiltersystemen mit dem Partikeldurchmesser abnimmt. Dies steht in Einklang mit den nominalen Trenn-grenzen, die bei den untersuchten Produkten bei 1 - 5 µm liegen¹. Abb. 7.22 zeigt den geschilderten Sachverhalt anhand dreier ausgewählter Filtersysteme.

0.1 1 10

Entfernung in log-Stufen

Kolloide NPA/LIBD Trübung Partikel 1-20µm Partikel 2-20µm

Filterbeutel VF: 2.6 µm

HF: 1 µm

Kartusche VF: Vlies 1 µm HF: Faltenfilter 2 µm

Kartusche VF: Faltentiefenf. 5 µm HF: Faltentiefenf. 2 µm

Abb. 7.22: Vergleich dreier ausgewählter Feinfiltersysteme hinsichtlich ihrer Abscheideleistung. Je kleiner die betrachteten Partikel, desto schlechter erfolgt der Rückhalt.

Insgesamt belegen die durchgeführten Untersuchungen, daß der NPA/LIBD ein geeignetes Analyseninstrument ist, um die Filtrationsleistung verschiedener Fein-filtersysteme im Hinblick auf Kolloide zu beurteilen. Dies schließt Teilchen im unteren Nanometer-Bereich ein, die durch Trübungsmessungen nicht erfaßt werden. Die bisherigen Messungen legen nahe, daß der Rückhalt von Kolloiden durch Feinfilter bestenfalls unvollständig gelingt. Weitere NPA/LIBD-Messungen zur Beurteilung von Filtersystemen sind wünschenswert.

1 Je nach Hersteller bezieht sich die Angabe der Trenngrenze allerdings auf verschiedene Abscheide-grade, also beispielsweise 99%igen oder auch 99,9%igen Partikelrückhalt für den jeweils angege-benen Durchmesser. Eine direkte Vergleichbarkeit ist demnach nur eingeschränkt möglich. In jedem Falle werden auch kleinere Partikel unterhalb der Trenngrenze zurückgehalten, allerdings eben mit geringerer Effizienz.

7.4 Exemplarische Untersuchungen zum kolloidalen