Funktionsweise von Membranverfahren
Grundlage aller Membranverfahren ist eine selektiv durchlässige Membran. Das zu behandelnde Wasser, auch Feed genannt, wird unter Druck an der Membran vorbeigeführt oder durch sie hindurchgeleitet. Ein Teil des Wassers passiert die Membran als Permeat. Die zurückgehaltenen Stoffe verbleiben im Konzentrat- oder Retentatstrom.
Im Gegensatz zu biologischen oder chemischen Verfahren werden die Stoffe dabei nicht umgewandelt oder zerstört. Sie werden lediglich von der Wasserphase getrennt und im Konzentrat angereichert. Deshalb gehört die Behandlung, Verwertung oder Entsorgung des Konzentrats stets zum Gesamtkonzept einer Membrananlage.
Die Trennwirkung hängt unter anderem von der Porengröße, der Oberflächenbeschaffenheit, der Membranladung sowie von Größe und Eigenschaften der gelösten oder suspendierten Stoffe ab.
Wichtige Membranverfahren
Je nach Trenngrenze werden verschiedene Membranverfahren eingesetzt:
Mikrofiltration (MF)
Die Mikrofiltration dient vor allem zur Abtrennung von suspendierten Feststoffen, Trübungen und größeren Mikroorganismen. Sie wird häufig als Vorbehandlung für nachfolgende Membranverfahren eingesetzt.
Ultrafiltration (UF)
Die Ultrafiltration entfernt zusätzlich Kolloide, Makromoleküle, Bakterien und einen Großteil der Viren. Sie wird unter anderem in der Wasseraufbereitung, im Wasserrecycling sowie in Membranbioreaktoren eingesetzt.
Nanofiltration (NF)
Die Nanofiltration trennt größere gelöste organische Verbindungen und einen Teil der gelösten Salze ab. Sie wird beispielsweise zur Enthärtung oder zur Reduzierung spezifischer Inhaltsstoffe genutzt.
Umkehrosmose (RO)
Die Umkehrosmose besitzt die feinste Trenngrenze der Druckmembranverfahren. Sie wird eingesetzt, um gelöste Salze, Spurenstoffe und viele organische Verbindungen zu entfernen. Typische Anwendungen sind die Erzeugung von Reinwasser, Prozesswasser sowie die Aufbereitung von Recyclingwasser.
Aufbau einer Membrananlage
Eine industrielle Membrananlage besteht üblicherweise aus mehreren Verfahrensstufen. Neben der eigentlichen Membran gehören dazu Vorbehandlung, Pumpentechnik, Mess- und Regeltechnik sowie Systeme zur Reinigung und Spülung.
Die Membranen werden in Modulen angeordnet. Zu den wichtigsten Bauformen gehören:
- Plattenmodule
- Hohlfasermodule
- Rohrmodule
- Spiralwickelmodule
Spiralwickelmodule werden besonders häufig für Nanofiltration und Umkehrosmose eingesetzt. Hohlfaser- und Plattenmodule finden sich häufig in Ultrafiltrationsanlagen und Membranbioreaktoren.
Als Werkstoffe kommen überwiegend Polymermembranen und keramische Membranen zum Einsatz. Keramische Membranen zeichnen sich durch eine hohe thermische und chemische Beständigkeit aus, während Polymermembranen für viele Standardanwendungen verwendet werden.
Vorbehandlung als Schlüsselfaktor
Die Vorbehandlung hat wesentlichen Einfluss auf die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit einer Membrananlage. Ziel ist es, Stoffe zu entfernen, die Ablagerungen verursachen oder Membranen beschädigen können.
Je nach Wasserqualität kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz:
Eine unzureichende Vorbehandlung kann die Standzeit der Membranen verkürzen und den Reinigungsaufwand deutlich erhöhen.
Industrielle Herausforderungen
Fouling
Fouling beschreibt die Ablagerung organischer, biologischer oder kolloidaler Stoffe auf der Membranoberfläche oder innerhalb der Membranstruktur. Die Folgen sind sinkende Permeatleistungen, steigende Druckverluste und häufigere Reinigungen.
Problem: Leistungsabfall der Membran.
Ursache: Organische Stoffe, Biofilme oder Kolloide lagern sich an.
Auswirkung: Höherer Energiebedarf und geringere Wirtschaftlichkeit.
Technische Konsequenz: Regelmäßige Reinigung und angepasste Betriebsführung.
Lösungsansatz: Optimierte Vorbehandlung, ausreichende Überströmung und geeignete Reinigungsstrategien.
Scaling
Scaling bezeichnet die Ausfällung schwerlöslicher Salze auf der Membranoberfläche.
Problem: Salzablagerungen reduzieren die Leistungsfähigkeit.
Ursache: Aufkonzentration schwerlöslicher Salze im Konzentratstrom.
Auswirkung: Sinkender Permeatfluss und steigender Betriebsdruck.
Technische Konsequenz: Höherer Chemikalien- und Energieverbrauch.
Lösungsansatz: Enthärtung, pH-Wert-Anpassung, Antiscalants oder reduzierte Wasserausbeute.
Konzentratmanagement
Da Membranverfahren Stoffe lediglich abtrennen, entsteht ein konzentrierter Reststrom. Bei Wasserrecyclingprojekten stellt dessen Behandlung häufig eine zentrale technische und wirtschaftliche Herausforderung dar.
Je nach Anwendung kommen Rückführung, Wertstoffrückgewinnung, weitere Aufkonzentrierung oder Entsorgung in Betracht.
Membranverfahren und Wasserrecycling
Membranverfahren sind ein wichtiger Baustein moderner Wasserrecyclingkonzepte. Durch die Kombination mehrerer Aufbereitungsstufen können industrielle Abwasserströme so behandelt werden, dass sie erneut als Kühlwasser, Reinigungswasser oder Prozesswasser genutzt werden können.
Häufig werden biologische Verfahren, Ultrafiltration und Umkehrosmose miteinander kombiniert. Die konkrete Verfahrenskombination hängt von den Anforderungen an Wasserqualität, Wassermenge und Betriebssicherheit ab.
Vor allem in Regionen mit Wasserknappheit oder bei steigenden Anforderungen an Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz gewinnt die Kreislaufführung von Wasser zunehmend an Bedeutung.
Fazit
Membranverfahren gehören zu den wichtigsten Technologien der industriellen Wasser- und Abwassertechnik. Sie ermöglichen Trennaufgaben von der Partikelentfernung bis zur weitgehenden Entsalzung und bilden häufig die Grundlage für Wasserrecycling und Kreislaufführung. Die Leistungsfähigkeit einer Anlage hängt jedoch nicht allein von der Membran ab. Vorbehandlung, Betriebsführung, Reinigung und Konzentratmanagement bestimmen wesentlich die technische und wirtschaftliche Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.
