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Vorbehandlung bei der Entsalzung

Weshalb Vorbehandlungsmaßnahmen?

Für die Gewährleistung einer einwandfreien Funktion und einer langen Lebensdauer der Umkehrosmose-Anlage bedarf es einer ausreichenden Vorbehandlung des Eingangswassers. Die Auswahl der geeigneten Vorbehandlungsmethode verbessert die Effektivität und verlängert die Lebenszeit der Anlage, da Prozesse wie Biofouling, Scaling und das Verstopfen der Membran verhindert werden.

Verschmutzung / Bewuchs Grund Geeignete Vorbehandlung
Biologischer Bewuchs Bakterien, Mikroorganismen, Viren, Pilze Chlorierung
Ablagerung von Partikeln Sand, Ton (Trübheit, Schwebstoffe) Filtration
Kolloide Organische und anorganische Komplexe, Kolloidpartikel, Mikroalgen Koagulation + Filtration
Optional: Flokkulation / Sedimentation
Organische Verschmutzung Natürliche organische Substanz (NOM) : Humin- und Fulvinsäure, Biopolymere Koagulation + Filtration + Aktivkohleadsorption
Koagulation+ Ultrafiltration
Mineralien Calcium-, Magnesium-, Barium- oder Strontiumsulfate und -carbonate Antiscalant Dosierung
Ansäuerung
Oxidans Chlor, Ozon, KMnO4 Dosierung von Oxidansfängern:
Natrium(meta)bilsulfit
Granulierte Aktivkohle


Um eine ununterbrochene und verlässliche Vorbehandlung zu gewährleisten, bedarf es einer speziellen Vorgehensweise. Eine Vorbehandlung, die nicht auf die Umkehrosmose-Anlage abgestimmt ist, kann eine Überlastung des Systems zur Folge haben. Wenn dies der Fall ist, müssen die Anlagenteile viel häufiger gereinigt werden, um die Produktivität und das Salzrückhaltevermögen aufrecht zu erhalten. Die Reinigungskosten, die Leistung des Systems und die Stillstandzeiten sind in diesem Zusammenhang von großer Bedeutung.
Die Methode der Vorbehandlung hängt sehr stark vom Eingangswasser ab, im Konkreten von:

- Der Quelle des Eingangswassers
- Der Zusammensetzung des Eingangswassers
- Der Funktion des Eingangswassers

Wenn die Quelle des Eingangswassers spezifiziert wurde, wird meist eine genaue Wasseranalyse durchgeführt. Das ist ein wichtiger Schritt für den Entwurf des Vorbehandlungssystems und der gesamten Umkehrosmose-Anlage.

Analyse des Eingangswassers

Beim Wasser, das in Umkehrosmose-Anlagen behandelt wird, handelt es sich meist um:

- Brackwasser mit einer geringen Salzkonzentration und einer TDS-Konzentration, die geringer als 5.000 ppm ist. (TDS = total dissolved solids)
- Brackwasser mit einer hohen Salzkonzentration und einem TDS-Gehalt zwischen 5.000 und 15.000 ppm
- Meerwasser mit einer TDS-Konzentration von etwa 35.000 ppm

Eine TDS-Konzentration von 35.000 ppm gilt als Norm für Meerwasser, da dieser Gehalt in den meisten Meeren auftritt. Lokal zeigen sich aber sehr große Unterschiede im Salzgehalt: In der Ostsee liegt die TDS-Konzentration beispielsweise bei 7.000 mg/l, wohingegen sie im Roten Meer 45.000 mg/l beträgt.
Es wurden Normwerte für die TDS-Konzentrationen in den Meeren ermittelt. Bei der Wasseranalyse muss man jedoch immer berücksichtigen, dass Einflüsse vom Festland erheblich sein können: Eine Wasserprobe, die im offenen Meer gezogen wurde kann daher einen ganz anderen Gehalt aufweisen als eine, die in der Nähe der Küste genommen wurde.
Der limitierende Faktor für die Meerwasserbehandlung mit einer Umkehrosmose-Anlage ist der osmotische Druck, der umso höher ist, je höher die TDS-Konzentration ist. Bei der Behandlung von Brackwasser ist der limitierende Faktor hauptsächlich die chemische Zusammensetzung, welche sich auf Ablagerungen und Scaling auswirkt, was durch Kalziumkarbonat und Sulfate verursacht wird. Die chemische Zusammensetzung von Brackwasser variiert stark und ist vom jeweiligen Ort abhängig.
Um zu einem möglichst zufriedenstellenden Entwurf zu kommen ist es notwendig, eine genaue Wasseranalyse durchzuführen. Dabei ist es u.a. wichtig Daten über die anorganischen Salze zu gewinnen. Die Wasseranalyse sollte vollkommen ausgeglichen sein. Wenn das nicht der Fall ist, sollten Natrium- oder Chlor-Ionen zugefügt werden, um ein Gleichgewicht herzustellen.

Verhinderung von und Abhilfe bei Scaling

Mit Scaling wird die Anlagerung von (teilweise) unlöslichen Salzen an der Membran bezeichnet. Wenn die Umkehrosmose-Anlage mit einer Ausbeute von 50% arbeitet, dann ist die Salzkonzentration im Konzentrat doppelt so hoch wie die Konzentration im Eingangswasser. Wenn die Ausbeute steigt, steigt auch das Risiko für Scaling. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, dass das Sättigungsniveau der (teilweise) unlöslichen Salze nicht überschritten wird.
Zu den teilweise unlöslichen Salzen, die Probleme in der Unkehrosmose-Anlage verursachen, zählen hauptsächlich: Kalziumkarbonat (CaC03), Kalziumsulfat (CaSO4) und Silizium, aber auch Kalziumfluorid (CaF2), Bariumsulfat (BaSO4) und Strontiumsulfat (SrSO4).
Scaling aufgrund von Kaliumkarbonat kann durch das Zugeben von Säure verhindert werden. Das Hinzufügen von Antiscalants kann die Anlagerung von Barium- und Strontiumsalzen, Silikaten und Eisen verhindern. Man muss immer bedenken, dass der Einsatz von Antiscalants das Biofouling (Anwuchs von Mikroorganismen) begünstigt. Dem kann vorgebeugt werden, in dem der Einsatz von Chemikalien auf ein geringes Maß reduziert wird und indem Chemikalien mit einer besonderen Zusammensetzung zum Einsatz kommen.
Der Einsatz von Antiscalants kann jedoch nicht immer ganz vermieden werden. Eine Verminderung der Ausbeute um 25% reduziert das Risiko von Scaling, indem eine Übersättigung von sich anlagernden Salzen vermieden wird.
Die Membranelemente müssen innerhalb von ein oder zwei Jahren ausgetauscht werden, wodurch auch der Einsatz von Antiscalants verringert wird. Diese Methode wird häufig bei relativ kleinen Anlagen angewandt, wie etwa bei Meerwasserentsalzungsanlagen für den häuslichen Bedarf an Trinkwasser.
Eine andere Reinigungsmethode stellt der so genannte "forward flush" Spülvorgang dar, bei dem Eingangswasser oder Permeat mit hoher Geschwindigkeit durch die Membran fließt und durch die enstehende Turbulenz die angelagerten Partikel herausgelöst werden.

Verhinderung einer Anlagerung von Kolloiden

Die Verschmutzung durch Kolloide kann bei einer Umkehrosmose-Anlage die Leistung und damit die Produktivität stark vermindern. Ein erstes Anzeichen für eine Verschmutzung dieser Art ist ein steigender Druckgradient. Die Quellen für eine derartige Verschmutzung im Eingangswasser variieren stark, doch meist handelt es sich um Bakterien, Ton und Produkte aus der Eisenkorrosion.
Auch chemische Produkte, die während der Vorbehandlung eingesetzt werden, können eine Anlagerung an den Membranen bewirken. Die beste verfügbare Methode zur Ermittlung des Potentials des Eingangswassers, Kolloidanlagerungen zu bilden, stellt der MFI (Modified Fouling Index) dar. Die Messung dieses Wertes ist sehr wichtig und wird vor dem Entwurf des Vorbehandlungssystems durchgeführt. Auch muss diese Messung regelmäßig durchgeführt werden, wenn die Umkehrosmose-Anlage in Betrieb genommen wurde.

Um einen MFI von (weniger als) fünf sicherzustellen, müssen zahlreiche Schritte in der Vorbehandlung getroffen werden:

- Einsatz von Sand- und Kerzenfiltern
- Ultra- und Mikrofiltration
- Koagulation und Flockung
- Verhinderung von Biofouling

Die Zahl der Mikroorganismen im Oberflächenwasser, im Eingangswasser und im Konzentrat geben uns einen Überblick über den Grad der Wasserverschmutzung. Die Art und Menge der Nährstoffe, die im Eingangswasser enthalten sind, bestimmt das Wachstum des Biofilms. Trotz vieler Forschungen über das Wachstum des Biofilms wurden noch nicht alle Fragen zu diesem Thema gelöst.
Die beste Möglichkeit, Biofouling in seiner Entwicklungsphase zu erforschen, ist es, eine Testoberfläche im Strom des Eingangswassers anzubringen. Der "Robin-Sampler" ist ein einfaches Gerät, bei dem kleine Testoberflächen in Kontakt mit dem Wasser kommen. Die Überprüfung der Oberfläche kann regelmäßig durchgeführt werden und ermöglichen es, Aussagen über das Wachstum und die Anhaftungseigenschaften des Biofilms treffen zu können.
Auch eine sorgfältige, regelmäßige Inspektion der Kerzenfilter und Leitungen kann hilfreich sein. Die Anwesenheit von Schleim oder merkwürdige Gerüche können Anzeichen für die Bildung von Biofilm sein.

Zulauf des Meerwassers

Vorbehandlung zur Entsalzung

Nachbereitungsmaßnahmen

Polierschritte

Entsalzung durch Umkehrosmose

Energie- und Kostenaufwand

Entsorgung der Salzlake

Reinigung der Membranen (CIP)

Speicherung und Verteilung

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