Wasserchemie bei Umkehrosmose: Vermeidung von Ablagerungen und Fouling

Der Schutz von Umkehrosmosemembranen beginnt mit der Kenntnis des Speisewassers. Gelöste Salze, suspendierte Partikel, Mikroorganismen und organische Stoffe erfordern jeweils unterschiedliche Ansätze bei der Vorbehandlung.

Dieser Leitfaden erläutert, wie Wasserchemie und Betriebsbedingungen Ablagerungen und Fouling beeinflussen, und beschreibt die wichtigsten Verfahren zu deren Vermeidung in Umkehrosmoseanlagen für Brack- und Meerwasser.

Auf dieser Seite

• Speisewasser und Ausbeute beurteilen
• Mineralische Ablagerungen vermeiden
• Berechnungen zum Ablagerungsrisiko verstehen
• Kieselsäureablagerungen kontrollieren
• Partikel, Kolloide und Metalle entfernen
• Biologisches Fouling kontrollieren
• Organisches Fouling verringern
• Vorbehandlungsoptionen vergleichen

1. Speisewasser und Ausbeute beurteilen

Bei der Beurteilung der Vorbehandlung werden Wasserquelle, Temperatur, pH-Wert, Alkalinität, gelöste Salze, Kieselsäure, Eisen und Aluminium sowie suspendierte Feststoffe, organische Stoffe und mikrobielle Aktivität berücksichtigt. Die vorgesehene Ausbeute bestimmt, wie stark sich zurückgehaltene Bestandteile aufkonzentrieren.

Für eine erste Abschätzung unter der Annahme eines vernachlässigbaren Salzdurchgangs und ohne Ausfällung gilt:

Diese vereinfachte Abschätzung berücksichtigt keine Konzentrationspolarisation: An der Membranoberfläche können die Konzentrationen höher sein als im übrigen Wasser. Bei der detaillierten Auslegung müssen außerdem Wechselwirkungen zwischen Ionen, die Membranleistung und die Anordnung der Umkehrosmosestufen berücksichtigt werden.

2. Mineralische Ablagerungen vermeiden

Ablagerungen entstehen, wenn schwer lösliche Salze ausfallen und sich auf der Membran ablagern. Mögliche Ablagerungen sind Calciumcarbonat, Calciumsulfat, Bariumsulfat, Strontiumsulfat und Calciumfluorid. Die geeignete Methode zur Vermeidung hängt von den vorhandenen Salzen und ihren Konzentrationen unter Betriebsbedingungen ab.

Säuredosierung

Eine Senkung des pH-Werts kann das Risiko von Calciumcarbonatablagerungen verringern. Eine Säuredosierung bietet nicht denselben Schutz gegen Sulfatablagerungen. Schwefelsäure führt zudem Sulfat zu, was das Risiko einer Ausfällung von Calcium-, Barium- oder Strontiumsulfat erhöhen kann.

Antiscalant-Dosierung

Antiscalants verzögern die Bildung und das Wachstum von Kristallen; einige Formulierungen dispergieren auch Partikel. Produktauswahl und Dosierung hängen von der vollständigen Wasseranalyse, der Ausbeute, der Temperatur und der Verträglichkeit mit der Membran ab. Besonders wichtig ist die Verträglichkeit mit vorgelagert eingesetzten Koagulantien: Rückstände kationischer Polymere können mit anionischen Antiscalants reagieren und Ablagerungen bilden.

Enthärtung

Stark saure Kationenaustauscher können Härtebildner und andere ablagerungsbildende Kationen entfernen. Schwach saure Kationenaustauscher ermöglichen eine partielle Enthärtung im Zusammenhang mit der Hydrogencarbonat-Alkalinität. Kalk- und Kalk-Soda-Enthärtung sind Alternativen auf Basis der Fällung. Bei der Auswahl sollten Resthärte, pH-Wert, Regeneration beziehungsweise Schlammbehandlung sowie die nachgeschaltete Filtration berücksichtigt werden.

Anpassung der Ausbeute

Eine geringere Ausbeute senkt die Konzentration zurückgehaltener Salze im Konzentrat, erhöht aber die Menge des Verwerfwassers. Die Ausbeute sollte gemeinsam mit der Vorbehandlung festgelegt und nicht als unabhängiges Betriebsziel betrachtet werden.

3. Berechnungen zum Ablagerungsrisiko verstehen

Das Risiko von Carbonatablagerungen lässt sich mit dem Langelier-Sättigungsindex (LSI) oder bei Wässern mit höherem Salzgehalt mit dem Stiff-und-Davis-Sättigungsindex beurteilen. Ein positiver Index weist auf eine thermodynamische Neigung zur Ausfällung von Calciumcarbonat hin; er beschreibt nicht jede Art von Ablagerung.

Bei anderen schwer löslichen Salzen wird zur Beurteilung des Ablagerungsrisikos das Ionenaktivitätsprodukt mit dem jeweiligen Löslichkeitsprodukt verglichen. Temperatur, Ionenstärke und chemische Speziation beeinflussen das Ergebnis. Konzentrationen allein ersetzen eine aktivitätsbasierte Beurteilung nicht vollständig.

Beurteilen Sie das Risiko anhand der Bedingungen im Konzentrat. Die Betriebsgrenzen für Antiscalants sollten auf der Berechnung des ausgewählten Lieferanten und den Vorgaben des Membranherstellers beruhen, nicht auf einem einzigen allgemeingültigen Sättigungsgrenzwert.

4. Kieselsäureablagerungen kontrollieren

Mit steigender Ausbeute konzentriert sich Kieselsäure auf. Ihre Löslichkeit hängt von Temperatur und pH-Wert ab; Eisen und Aluminium können zur Bildung schwer zu entfernender Silikatablagerungen beitragen.

Zu den Kontrollmöglichkeiten gehören eine geringere Ausbeute, die Entfernung von Kieselsäure durch eine geeignete Vorbehandlung und, sofern anwendbar, der Einsatz einer verträglichen Formulierung zur Kontrolle von Kieselsäure. Jede Anpassung von pH-Wert oder Temperatur sollte auch im Hinblick auf andere Ablagerungsrisiken und die Betriebsgrenzen der Membran geprüft werden.

Beurteilen Sie gelöste und kolloidale Formen getrennt. Eine Partikelfiltration entfernt weder gelöste Kieselsäure noch gelöste Metalle.

5. Partikel, Kolloide und Metalle entfernen

Suspendierte Feststoffe und Kolloide können sich auf Membranen ablagern und den Durchfluss einschränken. Je nach Qualität des Speisewassers kann die Vorbehandlung Koagulation und Flockung, Klärung, Medienfiltration, Mikrofiltration oder Ultrafiltration umfassen.

Eisen und Mangan erfordern besondere Aufmerksamkeit, da gelöste Formen durch Oxidation in unlösliche Partikel umgewandelt werden können. Ist die Oxidation Teil der Vorbehandlung, müssen die entstehenden Feststoffe vor den Umkehrosmosemembranen entfernt werden.

Die Patronenfiltration bildet eine letzte Barriere gegen Partikel, sollte aber eine unzureichende vorgelagerte Behandlung nicht ausgleichen müssen. Prüfen Sie neben Partikeln aus dem Rohwasser auch, ob Koagulantien, Flockungsmittel und Metallhydroxide verschleppt werden.

6. Biologisches Fouling kontrollieren

Mikroorganismen, die in eine Umkehrosmoseanlage gelangen, können sich an Oberflächen anheften und Biofilme bilden. Ein steigender Differenzdruck und ein sinkender normierter Permeatfluss können auf Fouling hinweisen; diese Symptome allein lassen jedoch keine Aussage über dessen Ursache zu.

Eine Strategie zur biologischen Kontrolle verbindet geeignete Vorbehandlung, mikrobiologische Überwachung und die Kontrolle des Wachstums in Tanks, Rohrleitungen und Filtern. Je nach Wasserqualität und Prozesskonfiguration können eine vorgeschaltete Chlorung oder UV-Behandlung geeignet sein.

Wenn vor chlorempfindlichen Polyamidmembranen Chlor eingesetzt wird, muss das verbleibende Oxidationsmittel vor der Umkehrosmosestufe kontrolliert werden. Aktivkohle sowie Natriumbisulfit oder Natriummetabisulfit sind Möglichkeiten zur Entchlorung. Chemikaliendosierung, Durchmischung und Überwachung sollten den Anforderungen der ausgewählten Membran entsprechen.

7. Organisches Fouling verringern

Natürliche organische Stoffe, Öle, Fette und einige Polymere können an Membranen adsorbieren und den Permeatfluss verringern. Ihre Entfernung hängt von ihrer Form und Zusammensetzung ab: Koagulation, Aktivkohle und Ultrafiltration können unterschiedliche organische Fraktionen erfassen.

Beurteilen Sie die organische Belastung zusammen mit den vorgesehenen Behandlungschemikalien. Ein Verfahren, das Partikel wirksam entfernt, kann dennoch gelöste organische Stoffe bis zu den Umkehrosmosemembranen gelangen lassen.

8. Vorbehandlungsoptionen vergleichen

Besprechen Sie Ihre Anforderungen an die RO-Vorbehandlung

Planen Sie eine neue Anlage oder überprüfen Sie ein bestehendes System? Kontaktieren Sie Lenntech, um die Qualität des Zulaufwassers, die Betriebsausbeute und geeignete Vorbehandlungsoptionen zu besprechen. Eine Wasseranalyse und Betriebsdaten können als Grundlage für das Gespräch dienen.