Partikel, Scaling und Biofouling
Membrantechnologie
Partikel
Eine Partikelverschmutzung der Membran entsteht durch suspendierte und kolloidale Substanzen im Speisewasser, die von der Membran absorbiert werden. Feststoffe verstopfen die Membran, so dass das zu behandelnde Wasser nicht mehr passieren kann. Wenn die Membran verstopft, ist mehr Druck erforderlich, um die übliche Wasseraufbereitung durchführen zu können. Dadurch steigen die Energiekosten.
Scaling
Nanofiltration und Umkehrosmose sind Verfahren, die häufig zur Trinkwasseraufbereitung aus Grundwasser oder Oberflächenwasser eingesetzt werden. Abhängig von der Anwendung können Ausbeuten von ca. 70 bis 90 Prozent des Speisewassers erreicht werden.
Während des Prozesses wird das Zulaufwasser aufkonzentriert. Umso höher die Ausbeute des Systems, umso mehr steigt die Konzentration der Salze im Konzentrat an. Anorganische Salze wie Calciumcarbonat und Bariumsulfat, können hierbei den Sättigungsgrad übersteigen und als Feststoffe auskristallisieren.
Scaling führt zu einem Verstopfen der Membran durch die ausgefallenen Salzkristalle, die sich auf der Membranoberfläche ablagern. Dies ist ein unerwünschter Effekt, der das System erheblich schädigen kann und zum Abfall des nominalen Flux führt. Ebenso steigt der Energieverbrauch mit dem Druckverlust über der Membran. Es werden häufige und langwierige Reinigungen benötigt und die Lebensdauer der Membranen wird verkürzt. Es gibt hartnäckige Scalings, die sehr schwer oder gar nicht wieder von der Membran zu lösen sind. Eine Wasseraufbereitung mit einem RO system kann dadurch erheblich kostenintensiver und aufwendiger werden.
Die Zugabe von Säuren oder Antiscalings (Kesselsteinhemmern) zum Zulaufstrom kann die Ausfällung von Salzen verhindern, bzw. verzögern. Säuren verringern die Übersättigung von Calciumcarbonat, während Antiscalings allgemein die Ausfällung zeitlich verhindern, indem der Sättigungspunkt künstlich verschoben wird.Biofouling
Biologische Verschmutzung oder auch Biofouling oder biologisches Fouling tritt ebenfalls häufig in Nanofiltrations- und Umkehrosmoseverfahren auf. Unter anderem kann eine Membran nicht mit Chlor desinfiziert werden, um Bakterien abzutöten. Auch andere Oxidanten sind nicht möglich, da die Membran dadurch angegriffen wird.
Biofouling ist die wahrscheinlich am wenigsten verstandene Form der Membrankontanination, da mikrobiologisches Wachstum sehr komplex ist.
Die Arten von Mikroorganismen, ihre Wachstumsfaktoren und die Konzentration in einem Membransystem hängen von vielen kritischen Faktoren ab, wie der Temperatur, der Anwesenheit von Sonnenlicht, dem pH-Wert, der Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff und der Anwesenheit von organischen und anorganischen Nährstoffen.
Mikroorganismen können über Wasser oder über Luft in das System gelangen.
Aerobe Bakterien kommen aus einer Umgebung mit warmem, flachem und sonnendurchflutetem Wasser, einem hohen Gehalt an gelöstem Sauerstoff und einem neutralen pH-Wert von 6,5 bis 8,5. Anaerobe Bakterien kommen dagegen meist aus geschlossenen Systemen mit wenig oder keinem gelösten Sauerstoff und werden aktiv, wenn eine ausreichende Menge an Nährstoffen vorhanden ist. Dies können organische Stoffe oder die Überreste toter Algen sein. Grundwasser enthält eher anaerobe Bakterien, wohingegen Oberflächenwasser mehr aerobe Bakterien mit sich bringt. Beide Arten von Bakterien können jedoch im selben System vorhanden sein. Es gibt selbst Bakterien, die zwischen aeroben und aeroben Bedingungen wechseln können. Ihre Beschaffenheit hängt vom Zustand des Wassers ab.
Eins der grössten Herausforderungen in Umkehrosmosesystemen ist das Algenwachstum in den Vorbehandlungsstufen, in den Leitungen und im RO system selbst.
Teile der Aufbereitungsanlage, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind oder stehendes Wasser enthalten, können dazu führen, dass sich das Algenwachstum ausdehnt.
Sonnenlicht spielt hierbei eine zentrale Rolle für den Photosyntheseprozess der Algen. Die Menge an Sonnenlicht bestimmt die Menge an produziertem Sauerstoff, der erzeugt wird. Aerobe Bakterien wiederum, die sauerstoffabhängig sind, verwenden diesen von Algen zusätzlich produzierten Sauerstoff für Ihre Vermehrung.
Es ist oft bereits gelöster Sauerstoff im Zulaufstrom vorhanden. Dieser kann jedoch gemessen und kontrolliert werden oder reicht evtl nicht aus, um den Stoffwechsel durchzuführen. Ein Kontakt mit Sonnenlicht und Sauerstoff verstärkt dieses Problem drastisch. Wenn die sich vermehrten Algen schließlich absterben, werden sie zur Nahrungsquelle für Bakterien, da sie organische Nährstoffe freisetzen.
Ein weiteres Hindernis in der Bekämpfung des Biofoulings sind Totzonen im Leitungssystem. Die Bakterien haften an den Innenwänden von Rohrleitungen. Vor allem in Ecken und Sackgassen in denen nicht regelmäßig Wasser fließt, können sich Bakterien an den Rohrwänden festsetzen.
Nachdem die Bakterien an der Wand absorbiert sind, werden die ersten Bauelemente eines Biofilms gebildet. Der Biofilm wächst durch die weitere Vermehrung von Bakterien und durch tote organische Stoffe, die von den Biofilmstrukturen ebenfalls absorbiert werden. Trotz der Tatsache, dass Biofilme den Wasserfluss beeinflussen, werden immer mehr kleine suspendierte Feststoffe und Mikroorganismen angezogen. Die Biofilmablagerungen werden zu einem starken, zusammenhängenden Ganzen, das sehr schwer zu entfernen ist.
Wenn der Biofilm groß genug ist, werden schließlich Teile abgespült und verteilen sich in der Anlage bis hin zu den Membranen. Auch hier an der Membranoberfläche vermehren sich die Mikroorganismen weiter und ernähren sich von den im Speisewasser vorhandenen Nährstoffen.
Infolgedessen entwickelt sich auch auf den Membranen ein Biofilm, der den Fluss durch die Membran verblockt. Der Druck, um Wasser durch die Membran zu drücken steigt so langsam an und führt zu höheren Betriebskosten. Weiterhin kann der Druck so hoch ansteigen, dass irreparable Schäden an dem System verursacht werden. Die Membranen selbst werden oft in kurzer Zeit unbrauchbar, zum einen durch den mechanischen Druck oder durch eine zu hohe, nicht mehr zu reinigende Verblockung oder nicht mehr zu gewährleistende Permeatqualität.
