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DAS THEMA MEMBRANTECHNIK
Zusätzliche Rolle für Membrantechnik
Nutzung alternativer
Wasserressourcen
Christian KAZNER; Rita HOCHSTRAT; Thomas WINTGENS;
Süleyman YÜCE; Thomas MELIN
Eine Reihe wiederkehrender extremer
Trockenperioden in Südeuropa
haben seit den 90er Jahren
die begrenzte Verfügbarkeit von Was -
serressourcen aufgezeigt (EEA, 2007
/6/). Auch in gemäßigten Klimaten führte
der Rekordsommer 2003 durch Einbußen
in der Landwirtschaft und Einschränkungen
in der Kühlwasserentnahme
zu geschätzten wirtschaftlichen
Gesamtverlusten von 8,7 Mrd. Euro (EK,
2007, /5/).
Wasserversorgung vor
neuen Aufgaben
Eine Übersichtsstudie der Europäischen
Kommission aus dem Jahr 2007 stellt
fest, dass 33 Flusseinzugsgebiete in Eu -
ropa von Wasserknappheit betroffen sind,
was 11 % des EU-Gebiets und 17 % der
EU-Bevölkerung entspricht (EK, 2007,
/5/).
Die akuten Auswirkungen von Wasserknappheit
zeigten sich neuerlich im
Sommer 2008, als Barcelona über mehrere
Wochen per Tankschiff mit Trinkwasser
aus Frankreich und aus Meerwasserentsalzungsanlagen
im Süden des
Landes versorgt wurde. Noch dramatischer
stellte sich im gleichen Jahr die Situation
auf Zypern dar, wo nach Jahren
mit ungenügendem Niederschlag sämtliche
Trinkwassertalsperren trocken gefallen
waren und die Insel über Monate
Trinkwasser aus Griechenland importierte
– ebenfalls per Tankschiff.
In Küstenregionen wird die Situation
häufig dadurch erschwert, dass durch
übermäßige Entnahme von Grundwasser,
Salzwasser in die küstennahen Grundwasserleiter
eindringt und diese für viele
Nutzungen unbrauchbar macht oder zumindest
eine aufwändigere Wasseraufbereitung
erforderlich wird.
Belastete Ressource: Die Membrantechnik wird
weltweit zunehmend fester Bestandteil von
Projekten der Wasserwiedergewinnung.
Selbst dort, wo genügend Wasser verfügbar
ist, enthält es oftmals pathogene Keime,
die das Hauptrisiko für die direkte
oder indirekte Verwendung in fast allen
Wassernutzungen darstellen, weiterhin
durch landwirtschaftliche Aktivität in
den Wasserkreislauf eingetragene Substanzen
mit konkretem Gefährdungspotenzial
(Nitrat, Pflanzenschutzmittel),
Salze, die in ariden Regionen zur Bodenaufsalzung
beitragen, Stoffe aus
Bergbau und Industrie (Schwermetalle,
Industriechemikalien) und eine Reihe
von weiteren Substanzen anthropogenen
Ursprungs wie Desinfektionsnebenprodukte,
Arzneimittel, Hormone, Körperpflegeprodukte
und Stoffe aus dem
Gebrauch anderer Produkte wie Weichmacher
oder Textilhilfsmittel. Viele
dieser Stoffe treten im Wasser in sehr
niedrigen Konzentrationen auf (Spurenstoffe),
Arzneimittel z. B. in Konzentrationen,
die meist weit unter den Grenzen
Priorität
Art der
Maßnahme
Anzuwendende
Instrumente
zu berücksichtigende
Aspekte
liegen, für die sich aus den umfangreichen
Erfahrungen mit der Verwendung
dieser Stoffe noch ein Gefährdungspotenzial
für menschliche Wassernutzung
ableiten lässt. Spurenstoffe unterscheiden
sich sehr stark in ihrer Konzentration,
ihrem Verhalten in der Umwelt, vor
allem der Persistenz und der Beweglichkeit
in aquatischen Systemen und letztendlich
in ihrem Risikopotenzial. So
kann bei Hormonen und anderen endokrin
wirksamen Stoffen zwar kein konkretes
Risiko für humane Wassernutzung,
wohl aber ein deutliches ökotoxikologisches
Risiko für aquatische
Organismen festgestellt werden (s. u. a.
Arbeiten und Workshops des Aachener
DFG-Graduiertenkollegs AGEESA).
Vor allem bei Stoffen mit hoher Persistenz,
d. h. auch Anreicherungsfähigkeit
in Wasserwiederverwendungs-Kreisläufen
wird auch ohne das Vorliegen eines
konkreten Gefährdungsverdachts emp-
MASSNAHMEHIERARCHIE: zur Verminderung von Wasserknappheit Bild 1
8 SPECIAL MEMBRANTECHNIK 7-8/2009
1
Nachfragemanagement,
Wassereinsparung
Ökonomische Instrumente / (finanzielle)
Anreizsysteme für wassereffiziente Technologie
und Praktiken
2
Wasserwiederverwendung
Umweltauswirkung
und Schutz der
öffentlichen Gesundheit
3
Wassererzeugung,
Meerwasserentsalzung
Infrastrukturmaßnahmen
Konzentratbehandlung
Energieverbrauch
4
Wassertransfer
Umweltauswirkungen
und -kosten

-SPECIAL 7-8/2009
WINDHOEK/NAMIBIA: Ultrafiltrations-Membranracks Foto: City of Windhoek Bild 5
fohlen, dem Vorsorgeprinzip folgend
den Eintrag dieser Stoffe in mehr oder
weniger geschlossene Wasserkreisläufe
zu verringern.
Angesichts von zunehmender Wasserknappheit
und der Vielzahl an Problemstoffen
im Wasser wird es für die Wasserbewirtschaftung
weltweit eine zunehmend
schwierige und anspruchsvolle
Aufgabe, ausreichend Wasser in benötigter
Qualität zur Verfügung zu stellen.
Die Ergänzung der Wasserversorgung
durch Erschließung alternativer Wasserressourcen,
stellt daher eine wichtige Anpassung
an diese Herausforderungen dar.
Alternativen zu Grund- und
Oberflächenwasser
Die Nutzung von aufbereitetem Abwasser
kann in diesem Zusammenhang zur
Minderung des Frischwasserbedarfs und
zur Erweiterung der Ressourcenverfügbarkeit
beitragen. Im Mittelpunkt stehen
dabei zumeist Nutzungen für Nicht-
Trinkwasserzwecke in Industrie und
Haushalten oder in der Bewässerung.
Aber auch die direkte oder indirekte
Nutzung zur Trinkwasserversorgung ist
möglich, wenn entsprechend strenge
Qualitätsanforderungen, vor allem bei
hygienischen Parametern eingehalten
werden. Die ungeplante indirekte Wiederverwendung
findet ohnehin bereits
heute in vielen großen Flusseinzugsgebieten
dieser Welt statt: durch die Einleitung
von Abwässern in Oberflächengewässer,
aus denen wiederum durch
Uferfiltration Trinkwasser gewonnen
wird.
Die gezielte Grundwasseranreicherung
mit aufbereitetem kommunalem Abwasser
stellt eine besonders viel versprechende
Möglichkeit dar, bei der jedoch
eine angemessene Grundwasserqualität
sichergestellt werden muss. Gleichzeitig
bietet sie besondere Vorzüge, da die Bodenpassage
einen weiteren bedeutsamen
Reinigungsschritt darstellt, der Grundwasserkörper
überschüssiges Wasser in
Zeiten geringer Nachfrage speichert und
die Speicherung im Boden Verluste durch
Verdunstung vermeidet.
In Regionen mit struktureller Wasserknappheit
bildet die Meerwasserentsalzung
schon heute einen unverzichtbaren
Bestandteil des Wasserressourcenmanagements
und deckt große Teile des
Trinkwasser- und Bewässerungsbedarfs.
Weltweit produzieren mehr als 12.000
Entsalzungsanlagen Süßwasser entwe-
der destillativ mit energieintensiven thermischen
Prozessen oder Ressourcen
schonender durch Membrantechnologie
in Form von Umkehrosmose (GWI,
2009, /7/).
Derartige Konzepte zur integrierten
Wasserbewirtschaftung lassen sich nur
mit technischen Innovationen und neuartigen
Managementansätzen unter förderlichen
rechtlichen und politischen
Rahmenbedingungen verwirklichen.
Der rechtliche Rahmen
Mit der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL)
hat die Europäische Kommission im Jahr
2000 die Grundlagen und Prinzipien
einer nachhaltigen Wasserwirtschaft neu
geordnet.
Bis zum Jahr 2015 sollen alle Gewässer
einen „guten Zustand“ aufweisen, der
sich sowohl auf Wasserqualität als auch
auf Wassermenge bezieht. Die Umsetzung
der WRRL und der darin vorgeschlagenen
konsequenten Anwendung
ökonomischer Instrumente soll die Entwicklung
hin zu einer wassereffizienten
und Wasser sparenden Wirtschaft, als
notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche
Anpassung an Wasserknappheit
und Dürre, vorantreiben.
www.wwt-online.de MEMBRANTECHNIK SPECIAL
9

DAS THEMA MEMBRANTECHNIK
Möglichkeiten zur Wasserwiedernutzung, nach /3/ Tab. 1
Landwirtschaftliche Bewässerung
Bewässerung von Getreide-,
Obst- und Gemüsefeldern
Gärtnereien
Industriepflanzen (nachwachsende Rohstoffe)
Landschaftsbewässerung
Parks, Grünanlagen,
Golfplätze,
private Gärten
Industrielle Anwendungen
Kühlwasser,
Kesselspeisewasser,
Prozesswasser
Die Europäische Kommission vertritt eine
klare Priorisierung und Hierarchie
der möglichen Maßnahmen, wobei Wassereinsparungen
– also Verbrauchsreduktionen
– an erster Stelle der nötigen
Maßnahmen gesehen werden. Obgleich
die Errichtung zusätzlicher Wasserversorgungsinfrastruktur
einschließlich
Meerwasserentsalzungs- und Abwasserwiederverwendungs-Anlagen
kritisch beurteilt
wird, sollten diese Optionen auch
immer im Zusammenhang mit den besonderen
physio-geographischen und
klimatischen Bedingungen der Mitgliedstaaten
und Regionen gesehen werden.
Bild 1 illustriert die Hierarchie der Anpassungs-
und Handlungsoptionen sowie
einige der zu berücksichtigenden Aspekte
bei deren Implementierung.
Obwohl Wasserrecycling sowie Meerwasser-
und Brackwasserentsalzung eher
als letztes Mittel betrachtet werden, haben
sich diese Prozesse zu rasch wachsenden
Versorgungsalternativen entwickelt,
die zuverlässig Wasser liefern – im
Gegensatz zu den Talsperren, die auf
ausreichende Niederschläge angewiesen
und daher besonders gefährdet sind
durch die Auswirkungen des Klimawandels.
So nimmt die Meerwasserentsalzung
inzwischen eine wichtige Position
bei der Wasserversorgung ein, vorwiegend
im Mittleren Osten, Nordafrika,
Nord- und Mittelamerika, Südostasien
und Australien (GWI, 2009, /7/), aber
auch auf vielen Mittelmeerinseln, den
Kanaren und in zunehmendem Maße
auch in Südeuropa. Bei diesen Anwendungen
kommt Membranprozessen eine
zentrale Rolle zu, indem sie Ressourcen
nutzbar machen, die aufgrund ihrer
Qualität mit herkömmlichen Technologien
nicht erschließbar sind, sei es auf-
grund ihres Salzgehalts oder unerwünschter
Inhaltstoffe wie pathogene
Keime und gelöster Verunreinigungen.
Herausforderung
Die Ergänzung der Wasserversorgung
durch Erschließung alternativer Wasserressourcen
stellt eine wichtige Anpassungs
leistung dar.
Wasserrecycling –
Nutzung von aufbereitetem
kommunalem Abwasser
Die Nutzung von aufbereitetem Abwasser
stellt eine Möglichkeit zur Minderung
des Frischwasserbedarfs und Erweiterung
der Ressourcenverfügbarkeit
dar. Im Mittelpunkt der Betrachtungen
soll hier die Behandlung und Wiederverwendung
von kommunalem Abwasser
stehen. Im industriellen Bereich ergeben
sich ebenfalls zahlreiche Möglichkeiten
des Wasserrecyclings. Die möglichen
Nutzungen von aufbereitetem Abwasser
sind in der Tabelle aufgeführt.
Zum Stand der Abwasserwiederverwendung
in Europa und weltweit wurde im
Rahmen des EU Forschungsprojekts
AQUAREC (www.aquarec.org) ein
Über blick erarbeitet (Bild 3).
Die meisten Behandlungsprozesse für
die Aufbereitung von kommunalem Abwasser
und für die Wiederverwendung
greifen auf konventionelle Abwasserbehandlungstechniken
zurück. Während
etwa 25 % der Projekte nur eine mechanisch-biologische
Kläranlage umfassen,
sind etwa 50 % der Projekte mit einer
dritten Behandlungsstufe ausgestattet –
meist Filtration und Desinfektion. Nur
etwa 10 % der Projekte enthalten noch
weitergehende Behandlungsverfahren
Umwelt-Anwendungen
Seen und Teiche,
Aufstockung der natürlichen Wasserführung
von Fließgewässern,
Fischzucht
Urbane Nutzung (nicht Trinkwasser)
Löschwasser,
Reinigungszwecke (z. B. Autowäsche),
Toilettenspülung
Grundwasseranreicherung
Aufstockung der Grundwasserleiter,
Zurückdrängen von Salzwasserintrusion
Trinkwassernutzung
Indirekte Nutzung (durch Einleitung in Talsperre,
Fluss oder Grundwasser),
direkte Nutzung
wie Aktivkohleadsorption, Oxidation
oder Membranfiltration.
Qualitätsanforderungen
für Wasserrecycling
Obwohl meist die Nutzungen für Nicht-
Trinkwasserzwecke – auch aus Kostengründen
– im Mittelpunkt stehen, ist
auch die direkte oder indirekte Nutzung
zur Trinkwasserversorgung möglich,
wenn entsprechend strenge Qualitätsanforderungen
eingehalten werden. Dabei
folgt die Auswahl der Verfahrenstechnik
für die weitergehende Wasseraufbereitung
dem Gedanken des Multi-Barrieren-Prinzips,
um einen zuverlässigen und
sicheren Betrieb der Anlage unter allen
Bedingungen zu gewährleisten.
Laut Untersuchungen von Higgins et al.
/8/ haben die Nutzer von wiedergewonnenem
Wasser die stärksten Bedenken
aufgrund von möglichen Verunreinigungen
mit pathogenen Mikroorganismen
wie Bakterien, Viren, Erreger von Wur m -
erkrankungen und Protozoen. Es ist bekannt,
dass klassische Desinfektionsverfahren
nur eine begrenzte Wirkung gegenüber
einigen Mikroorganismen wie
beispielsweise Cryptosporidium haben
(Gennacaro et al. 2003). Ebenso ist die
Empfindlichkeit von Viren gegenüber
Desinfektionsmitteln nicht vollständig
erforscht. Daher ist die Risikobewertung
gewissen Beschränkungen unterworfen.
Aus Sicht des Arbeitsschutzes und der
öffentlichen Gesundheit ist für alle Wasserwiedernutzungen
eine weitgehende
oder vollständige Entkeimung zu fordern.
Dies bedeutet, dass ausgehend von
den Konzentrationen im Kläranlagenablauf
eine Entfernung in der Größenordnung
von 5 bis 7 Log-Stufen zu fordern
ist. Da auch die Wiederverkeimung im
10 SPECIAL MEMBRANTECHNIK 7-8/2009

Reinwasserbereich nicht unproblematisch
zu sehen ist, müssen auf der Seite
des aufbereiteten Produktwassers entsprechende
Vorsorgemaßnahmen getroffen
werden.
Die gelösten Verunreinigungen stellen
eine extrem heterogene Gruppe dar. Für
Salze und metallische Ionen wie Schwermetalle
sind die Grenzwerte stark von
der jeweiligen Nutzung abhängig. Während
für die landwirtschaftliche Nutzung
die Langzeitakkumulation von Salzen
und Schwermetallen verhindert werden
muss, sind für die Grundwasseranreicherung
Anforderungen entsprechend der
Trinkwasserrichtlinien zu stellen. Nährstoffe
und organische Inhaltstoffe können
bei der Grundwasseranreicherung
zu einem Rückgang der Bodenpermeabilität
und zur Mobilisierung färbender
Komponenten (Mangan, Eisen) führen.
Bei hochwertigen Anwendungen ist eine
sehr weitgehende Entfernung erforderlich,
wohingegen bei der landwirtschaftlichen
Wasserwiederverwendung Nährstoffe
und Organik toleriert werden können.
In den vergangenen Jahren haben organische
Spurenstoffe, die im Kläranlagen -
ablauf in Konzentrationen bis zu einigen
μg/L auftreten und in geringerer Konzentration
im Oberflächenwasser und
teils auch im Trinkwasser nachgewiesen
wurden, besondere Aufmerksamkeit erfahren.
Für die meisten dieser Stoffe steht eine
abschließende human- und ökotoxikologische
Bewertung jedoch aus. Konven-
BITTE NOTIEREN:
TERMINE 2009
10. Kölner Kanal- und
Kläranlagen-Kolloquium
23. – 24. September, Köln
E-Mail: et@isa-rwth-aachen.de
www.kanalkolloquium.de
7. Münchner Runde
Experten-Forum Kanalsanierung
8. Oktober
www.baybauakad.de
84. Siedlungswasserwirtschaftliches
Kolloquium
Abwasserwirtschaft im Spannungsfeld
politischer, klimatischer und technischer
Entwicklungen
8. Oktober, Universität Stuttgart
Auskunft: Gabriele Glassmann
E-Mail:glassmann@iswa.uni-stuttgart.de
Aachener Tagung
Wasser und Membranen
27. – 28. Oktober, Aachen
www.isa.rwth-aachen.de
www.wwt-online.de
tionelle Aufbereitungssysteme entfernen
viele dieser Substanzen nur unvollständig.
Toleranz bei
Restverunreinigung
Bei der Wasserwiedernutzung hängt der
Grad der tolerierbaren Restverunreinigung
von einer Reihe spezifischer Faktoren
ab: den Eigenschaften der Substanzen
bezüglich Human- und Ökotoxizität,
Persistenz, Mobilität und physiko-chemischen
Eigenschaften; der Art der beabsichtigten
oder auch unbeabsichtigt
stattfindenden Wiedernutzung sowie der
Intensität des Kontakts; der gewählten
Technologie und Prozesskette sowie deren
Überwachung und dem akzeptierten
Risiko. Letzteres basiert häufig auf dem
ALARP-Prinzip. ALARP bedeutet „As
low as reasonably practicable“, d. h. so
niedrig wie vernünftigerweise praktikabel.
Öffentliche Wahrnehmung und Akzeptanz
und das zugrundeliegende Wertesystem
(Humanrisiko gegenüber Umweltrisiko)
spielen ebenfalls eine Rolle.
Die bisherige Gesetzgebung spiegelt die
Komplexität dieser Fragestellungen wider.
Während seitens einiger Mitgliedstaaten
schon Richtlinien erlassen wurden,
liegt eine einheitliche europäische
Richtlinie noch nicht vor. In den bisherigen
Ansätzen dominiert die hygienische
Qualität unter Berücksichtigung der beabsichtigten
Nutzung. Es muss aber damit
gerechnet werden, dass mittelfristig
auch der Ressourcenverbrauch (Kapital,
Energie), die Entwicklung der lokalen
Wasserverfügbarkeit und die umweltverträgliche
Verbringung von Behandlungskonzentraten
berücksichtigt werden
müssen. Zwar kann z. B. mit Membranverfahren
beinahe jede gewünschte
Qualität hergestellt werden, die zu fordernden
bzw. tolerierbaren Restkonzentrationen
und die daraus folgenden technischen
Lösungen beeinflussen aber auch
entscheidend die Machbarkeit, Wirtschaft
lichkeit und Nachhaltigkeit geplanter
Maßnahmen.
Die direkte Nutzung von gereinigtem
Abwasser zu Trinkwasserzwecken wird
großtechnisch derzeit nur in Windhoek,
Namibia praktiziert. Die indirekte Nutzung
als Trinkwasser, z.B. nach einer Bodenpassage
und Mischung mit dem natürlichen
Grundwasser, gewinnt zunehmend
an Bedeutung und bildet eine viel
versprechende Methode zur Ergänzung
der natürlichen Wasserressourcen. Die
Möglichkeiten zur Aufbereitung von
kommunalem Abwasser für die Grundwasseranreicherung
wurden in dem von
der Europäischen Union geförderten
Projekt RECLAIM WATER (www.
reclaim-water.org) eingehend untersucht.

DAS THEMA MEMBRANTECHNIK
Aufbereitung von kommu -
nalem Abwasser für die
Wasserwiederverwendung
Membranen spielen eine Schlüsselrolle
in Wasserrecycling-Projekten, die hohe
Wasserqualitäten z. B. für die Grundwasseranreicherung,
industrielles Prozesswasser
oder den urbanen Sektor bereitstellen.
Optionen zum Einsatz von
Membranverfahren sind Mikro- und
Ultrafiltration (MF/UF) sowohl in der
Ablaufbehandlung als auch in Membranbelebungsanlagen
und gegebenenfalls
zusätzlich Nanofiltration oder Umkehrosmose
zur Produktion von Wasser
höherer Qualität. Bild 4 zeigt eine nicht
vollständige Zusammenstellung (Stand
2004) realisierter Abwasserbehandlungs -
anlagen mit Membrantechnik und Recyclinganwendungen
weltweit und umfasst
sowohl die Anlagen mit einer Kombination
von MF/UF-Vorbehandlung
und nachfolgender Umkehrosmose als
auch Membranbelebungsanlagen. Ins-
12 SPECIAL MEMBRANTECHNIK
besondere bei Anwendungen mit sehr
hohen Qualitätsanforderungen, wie bei
der indirekten Trinkwassergewinnung
oder der Bereitstellung von Kesselspeisewasser,
wird auf einen zweistufigen Membranprozess
mit vorgeschalteter Ultrabzw.
Mikrofiltration und nachgeschalteter
Umkehrosmose zurückgegriffen.
Membranverfahren weisen eine Reihe
von Charakteristika auf, die ihren Einsatz
für die Wasserwiederverwendung
unterstützen und zum Teil erschweren.
Membranen sind je nach ihrer jeweiligen
Trenngrenze wirksam für große Substanzklassen.
Durch modulare Konstruktion
sind sie leicht skalierbar und
können problemlos erweitert werden.
Mit ihrer kompakten Bauweise weisen
sie einen geringen Platzbedarf auf und
können so auch bei begrenzter Flächenverfügbarkeit
gut in bestehende Anlagen
integriert werden. Membranen sind
jedoch reine Trennverfahren. Eine Elimination
der Kontaminanten findet je-
GRÖSSE
(Millionen m3/a)
��
�
�
�
?
5
k.A.
Wasserwiedernutzungsprojekte
VERWENDUNG
Landwirtschaft
Industrie
städtisch
mehrere Nutzungen
keine Angaben (k.A.)
arktisch
atlantisch
alpin
boreale Zone
kontinental
pannonisch
mediterran
Schwarzmeer
anatolisch
makaronisch
WASSERRECYCLING-PROJEKTE: in Europa /4/ Bild 3
Steppe
doch nicht statt und die zurückgehaltenen
Stoffe werden im Konzentrat angereichert.
Eine der Schlüsselfragen
betrifft daher die Behandlung und Entsorgung
des Konzentrats. Der Energiebedarf
ist aufgrund von verbesserten Membranmaterialien
und optimierter Verfahrenstechnik
relativ moderat, jedoch meist
höher als bei konventionellen Verfahren,
was ihren Einsatz für die Erzeugung eines
sehr günstigen Produktwassers z. B. für
die Bewässerung in Frage stellt.
Der Betrieb von Membrananlagen wurde
in den vergangenen Jahren durch verschiedene
Maßnahmen wie weitgehende
Automatisierung und Reinigung im eingebauten
Zustand (CIP = cleaning in
place) deutlich verbessert. Weitere Verbesserungen
sind zu fordern, vor allem
eine bessere Stabilität der Membranen
gegenüber Fouling verursachenden Substanzen
und Reinigungschemikalien sowie
eine höhere Langlebigkeit der Membranen.
7-8/2009

Größe
(Mm 3 /a)
< 0,1
0,1-0,5
0,5-5
> 5
NV
Anwendung
Landwirtschaft
Industrie
Kommunal/Haushalt
gemischt
nicht verfügbar
MEMBRANANLAGEN: für die Wasserwiedergewinnung /2/ Bild 4
Poröse Membranen, zu denen die Ultraund
Mikrofiltration zählen, werden für
die Elimination von partikulären Substanzen
und Keimen eingesetzt, wobei
Ultrafiltration Viren weitgehend zurückhält.
Sie können als Vorbehandlung
vor der Grundwasseranreicherung eingesetzt
werden, um die Infiltrationsraten
zu steigern, und dienen auch als Behandlungsstufe
vor dichten Membranprozessen,
um Fouling und Biofouling in der
zweiten Stufe zu minimieren. Poröse
Membranen haben nur eine sehr geringe
oder keine Wirkung in Bezug auf gelöste
Substanzen (z. B. Spurenstoffe). Für
deren Rückhaltung werden dichte Membranen,
insbesondere Umkehrosmose
(UO) eingesetzt, die in Verbindung mit
einer UF-Vorbehandlung das Qualitätsniveau
von Trinkwasser erreicht oder sogar
übertrifft. Die Kombination poröser
und dichter Membranen erreicht eine
Entkeimung in Höhe von 7 Log-Stufen
(Toze, 2006, /15/). Einige Substanzen mit
sehr geringem Molekülgewicht, beispielsweise
das Nitrosamin NDMA, werden
von UO-Membranen nicht vollständig
zurückgehalten und werden, falls sie
in relevanten Konzentrationen auftreten,
in großtechnischen Behandlungsanlagen
durch nachgeschaltete Oxidationsverfahren
(z. B. UV-Bestrahlung in Verbindung
mit Wasserstoffperoxid) eliminiert.
Nachfolgend werden einige Beispiele für
realisierte Wasserrecycling-Projekte mit
Membrantechnik beschrieben.
Landwirtschaftliche
Bewässerung
Europaweit ist die Landwirtschaft der
größte Wasserverbraucher. Besonders in
den südlichen Ländern erreicht ihr Anteil
am Gesamtwasserverbrauch häufig
70 bis 80 %. Um eine nachhaltige Bewässerung
mit recyceltem Wasser zu ermöglichen
und der Versalzung der Böden
vorzubeugen, ist die Wasserqualität
zu kontrollieren.
Diese Erwägung führte in Alicante (Spanien)
zur Ausrüstung der Kläranlage
Rincón de Léon mit einer weitergehenden
Behandlungsstufe bestehend aus
Ultrafiltration und Umkehrosmose, um
die hohen Salzgehalte des Abwassers zu
reduzieren. Von den 50.000 m³/d wird
knapp die Hälfte entsalzt, zu gleichen
Teilen mit dem UF-Filtrat gemischt und
dann der Landwirtschaft zur Verfügung
gestellt.
Indirekte Wieder ver wen dung
für Trinkwasser-Zwecke
Um eine Übernutzung des natürlichen
Grundwassers für die Trinkwassergewinnung
und die damit verbundene Versalzung
von küstennahem Grundwasser
durch Eindringen von Meerwasser zu
verhindern, wurde im westbelgischen
Ort Wulpen ein Projekt zur weitergehenden
Aufbereitung und Infiltration
von Abwasser implementiert. Es werden
pro Jahr 2,5 Mio. m³ behandeltes Abwasser
aus einer kommunalen Kläranlage
mit Mikrofiltration und Umkehrosmose
sowie UV-Desinfektion aufbereitet
und in den Sanddünen infiltriert (van
Houtte und Verbauwhede, 2004, /16/).
Das UO-Permeat wurde in einer ersten
Betriebsphase mit 10 % MF-Permeat
vermischt, um das UO-Permeat zu remineralisieren.
Da jedoch gelegentlich Pestizide
im Permeat der Mikrofiltration
-SPECIAL 7-8/2009
nachgewiesen wurden, wurde diese Praxis
eingestellt und seitdem das gesamte
MF-Filtrat der Umkehrosmose zugeführt,
um dann reines UO-Permeat zu
infiltrieren.
Das infiltrierte Wasser wird nach einer
Mindestverweilzeit von 40 Ta gen im
Untergrund der Dünen als Rohwasser
gepumpt und nach einer einfachen Aufbereitung
mit Belüftung und Filtration
dem Trinkwassernetz zugeführt. Die
Trink wasserrichtlinien werden dabei eingehalten
und das System bringt die angeforderte
Leistung. Das gegenüber
dem natürlichen Grundwasser weichere
Wasser führt bei den Nutzern bereits zu
positiver Resonanz. Die Konstruktionskosten
betrugen 2,5 Mio. € für die Bautechnik
und 3,5 Mio. € für die elektromechanische
Ausrüstung. Bild 5 zeigt
das Konzept der Wasserrecycling-Anlage.
Direkte Wiederverwendung
für Trinkwasser-Zwecke
Das einzige Wasserrecycling-Projekt mit
direkter Nutzung des aufbereiteten Abwassers
als Trinkwasser existiert derzeit
in Windhoek/Namibia, einer der tro-
www.wwt-online.de MEMBRANTECHNIK SPECIAL
13

DAS THEMA MEMBRANTECHNIK
Versickerungsgebiet
Grundwasserspiegel
UV Desinfektion
Infiltrationswasser
Brunnen
Aufbereitung zu Infiltrationswasser
MF + RO
FLIESSSCHEMA: Wasserrecycling-Anlage in Wulpen/Belgien Bild 5
ckensten Regionen im südlichen Afrika.
Nach mehreren Jahrzehnten Erfahrung
im Bereich des Wasserrecyclings für direkte
Trinkwassergewinnung wurde die
Aufbereitungsanlage Goreangab erweitert
und mit einem Multi-Barrieren-
Behandlungssystem ausgerüstet, das seit
2002 in Betrieb ist (Menge et al., 2009,
/13/).
In dem Projekt werden ca. 21.000 m³/d
des Kläranlagenablaufs wieder gewonnen
und auf Trinkwasserqualität gebracht.
Dazu wird ein komplexer Behandlungsprozess
mit Vor-Ozonierung, Flockung,
Mehrschichtfiltration, Haupt-Ozonierung,
biologisch aktivierte Aktivkohleadsorption
und Aktivkohlefiltration sowie Ultrafiltration
vor einer Chlordesinfektion
eingesetzt. Das Behandlungssystem ist
nicht nur darauf ausgerichtet, Trinkwasserqualität
mit großer Zuverlässigkeit zu
produzieren, sondern stellt für wesentliche
chemische und mikrobiologische
Schadstoffe eine mehrfache Barriere
dar und vermeidet weitgehend die Bildung
von Desinfektionsnebenprodukten.
Die Gesamtbehandlungskosten betragen
0,76 US $/m³ (Lahnsteiner et al.,
2004, /9/).
Die Hauptbarriere gegenüber pathogenen
Keimen bildet die Ultrafiltration,
die mit kapillaren Ultrafiltrationsmembranen
der Firma NORIT (Bild 2) ausgerüstet
ist und im Dead-End-Modus
(inside-out) mit einem durchschnittlichen
Permeatfluss von 107 l/(m²·h) bei
einem Transmembrandruck im Bereich
Trinkwasseraufbereitung
KA Ablauf
Trinkwasser Abwasser
Kläranlage
von 0,4-0,7 bar betrieben wird (Norit,
2003, /14/).
Meerwasserentsalzung
und Wasserrecycling
Der katalanische Flussgebietsmanagement-Plan
stellt auf europäischer Ebene
eines der umfassendsten und aufwändigsten
Konzepte für eine nachhaltige
Wasserwirtschaft mit Berücksichtigung
der fortschreitenden Wasserknappheit
dar. Mit einem Gesamtinvestitionsvolumen
von 6,39 Mrd. € erfolgt im Zeitraum
von 2007 bis 2015 die Anpassung der
Wasserinfrastruktur an die geänderten
Rahmenbedingungen (ACA, 2008). Davon
entfallen 319 Mio. € auf Wasserwiederverwendungs-Systeme
und 607 Mio.
€ auf Entsalzungsanlagen. Für die Metropolenregion
Barcelona findet insbesondere
im Einzugsgebiet des Llobregat,
der durch Abwässer von Salzbergwerken
und eindringendes Meerwasser sehr
hohe Salzgehalte aufweist, eine Reihe von
Maßnahmen statt. Neben einer neuen
UF-UO-Meerwasserentsalzungsanlage
mit einer Kapazität von 200.000 m³/d (60
Mm³/a) wird der Bau einer Wasserwiedergewinnungsanlage
mit einer Kapazität
von 50 Mm³/a zur Behandlung eines
Teils des Ablaufs der Kläranlage L’Hospitalet
de Llobregat vorangetrieben, die
eine Gesamtkapazität von 630.000 m³/d
aufweist. Der wiedergewonnene Kläranlagenablauf
soll die Wasserführung des
Llobregat, der zur Trinkwassergewinnung
genutzt wird, vergleichmäßigen, für Be-
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14 SPECIAL MEMBRANTECHNIK 7-8/2009

wässerungszwecke verwendet werden,
Feuchtgebiete entlang des Flusses mit
Wasser versorgen und zudem durch
Grundwasseranreicherung eine Barriere
gegenüber Salzwasserintrusion aufbauen.
Der für die Grundwasseranreicherung
vorgesehene Teil wird ebenfalls
mit Umkehrosmose entsalzt. Diese Maßnahmen
sind eingebettet in den Ausbau
der Trinkwasseraufbereitung und des
Trinkwasser- und Kanalnetzes (ACA,
2008, /1/).
Zusammenfassung
und Ausblick
Die Belastung der Wasserressourcen in
vielen Regionen Europas macht schon
jetzt die Wiederverwendung von gereinigtem
Abwasser zu einer sinnvollen
Wassermanagementoption. Die prognos -
tizierten Auswirkungen des Klimawandels
werden den Druck auf die Wasserressourcen
noch weiter verstärken und
die Nutzung von alternativen Wasserressourcen
wird voraussichtlich an Bedeutung
gewinnen. Obwohl derzeit die
Membrantechnik nur in einer kleinen
Anzahl von Wasserrecycling-Projekten
zum Einsatz kommt, wird die Anwendung
zunehmend wichtiger. Man kann
erwarten, dass Membrantechnik bei
neuen Projekten einen festen Bestandteil
einer hochwertigen Wasserwiedergewinnung
bildet. Poröse Membranen dienen
dabei der Partikelabtrennung und
Entkeimung sowie der Vorbehandlung
für Entsalzungsstufen, die im Wesentlichen
auf Nanofiltrations- und Umkehrosmosemembranen
basieren. Bei Wieder -
gewinnungsanlagen hinter bestehenden
Kläranlagen werden die Membrananlagen
mit UF/UO nachgeschaltet. Kostengründe
begünstigen bei kompletten
Neubauten die Kombination von Membranbelebungsanlagen
mit nachgeschalteter
Umkehrosmose zur Gewinnung
von Wasser mit hohen Qualitätsanforderungen.
KONTAKT
Christian KAZNER, Rita HOCHSTRAT,
Süleyman YÜCE, Thomas MELIN
RWTH Aachen
Chemische Verfahrenstechnik
Turmstraße 461 · 52056 Aachen
E-Mail: christian.kazner@avt.rwth-aachen.de
rita.hochstrat@fhnw.ch
sueleyman.yuece@avt.rwth-aachen.de
thomas.melin@avt.rwth-aachen.de
Thomas WINTGENS
Fachhochschule Nordwestschweiz
Institut für Ecopreneurship
Gründenstraße 401 · CH-4132 Muttenz
thomas.wintgens@fhnw.ch
-SPECIAL 7-8/2009
Toray Membrane Europe AG:
Nanofiltration enthärtet Brunnenwasser
ANLAGE ZUR NANOFILTRATION:
Enthärtung des Brunnenwassers
in Karlstein/Main Foto: BHU
Die Gemeinde Karlstein im Landkreis
Aschaffenburg versorgt ihre
Einwohner über ein eigenes Wasserwerk
(WW) mit Trinkwasser, das aus
dem oberen Grundwasserleiter aus
einer Tiefe von 3 bis 5 m kommt. Die
maximale Fördermenge liegt witterungsabhängig
bei 80 bis 85 m³/h und
die Brunnenwässer weisen neben geringen
Sauerstoff-, Eisen- und Mangangehalten
eine hohe Gesamthärte
im Bereich von 20 bis 22 °dH auf.
Im Sommer 2008 beschloss die Gemeinde
daher, in das bestehende WW
Karlstein eine Nanofiltrationsanlage
zur Enthärtung des Brunnenwassers
zu integrieren, um der Bevölkerung
ein deutlich weicheres Trinkwasser mit
einer Gesamthärte von unter 10 °dH
liefern zu können.
Die BHU Umwelttechnik GmbH,
Bietigheim-Bissingen (BHU) ist eine
Fachfirma für die Lieferung von wasser-
und abwassertechnischen Anlagen
für Kommunen und Industrie, die
über alle Technologien für Trinkwasser,
Abwasser, Prozesswasser, Prozessabwasser
inklusive Abwasserrecycling
verfügt und entsprechende
Problemlösungen anbietet. Tätigkeitsschwerpunkte
der BHU sind
komplexe Gesamtlösungen mit hohem
ingenieur- und prozesstechnischem
Aufwand für die Behandlung
von Trink- und Prozesswasser. Hierzu
stehen auch eigene, patentierte Verfahren
zur Verfügung.
Für die Brunnenwasseraufbereitung
im WW Karlstein lieferte, montierte
und realisierte die BHU ein neues
Rohwasserpumpwerk, eine Kerzenfilteranlage,
die Nanofiltrationsanlage
samt Anti-Scalant-Dosierung und
Membranspülanlage sowie eine Ent-
säuerungsanlage und ein neues Reinwasserpumpwerk.
Dabei wurde das
bestehende Wasserwerk (Rohwasserkammer
und -pumpen, Mehrschichtfilter
mit Spülanlage und Hochbehälter)
komplett saniert, z. T. verfahrenstechnisch
optimiert und mit einer
neuen Leittechnik/Mess- und Regeltechnik
ausgestattet.
Bei den NF-Membranen entschied
sich BHU für Membranen der Firma
TORAY (TMH20A-430, mit KTW-
Zulassung) und eine Ausführung der
Anlage in 3 Bänken mit einer Gesamtausbeute
von über 80 % bei
einem Betriebsdruck von 9 bar. Als
Anti-Scalant kommt RPI4000A von
TORAY zum Einsatz, welches die
deutsche Trinkwasser Zulassung hat.
Die Anlage wurde nach einer Planungs-
und Bauzeit von nur 8 Monaten
im Juni 2009 übergeben und erfüllt
die in sie gesetzten Erwartungen
in prozesstechnischer, technischer
und wirtschaftlicher Hinsicht.
Für die Behandlung von schwierigeren
Wässern, z. B. Oberflächenwäs -
sern, die mittels Membrantechnik
aufbereitet werden sollen, verfügt die
BHU über ein eigenes patentiertes
Verfahren für das Biofouling-Mana -
gement. Den Bakterien werden im
Mehrschichtfilter optimale Lebensbedingungen
geschaffen und durch
geeignete Prozesstechnik wird dafür
gesorgt, dass diese die Nährstoffe
durch Assimilation entfernen. Da somit
im Ablauf des Filters kein Nahrungsangebot
für die Bakterien mehr
verfügbar ist, können diese sich nicht
vermehren und siedeln sich nicht auf
den Membranen an. Neben deutlich
verlängerten Membranstandzeiten –
in einer Referenzanlage bis zu 11 Jahren
– und einer geringeren Anzahl
von Spülungen ist auch der geringere
Chemikalienverbrauch (Entfall von
Chlorung und Entchlorung) Ursache
für deutlich optimierte Betriebskosten.
KONTAKT
BHU Umwelttechnik GmbH
Hans THALER
E-Mail: h.thaler@bhu-tech.de
Tel.: 0711/70709080
Toray Membrane Europe AG
Peter LIEBETANZ
E-Mail: peter.liebetanz@
toray-membrane.com
Tel.: +41 61 4158710
www.wwt-online.de MEMBRANTECHNIK SPECIAL
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