Filtration durch Membranen zur Abwasserbehandlung

Vorteile und Nachteile

Zu den Prozessen, die sich in den letzten Jahrzehnten am meisten weiterentwickelt haben, gehört die Membranfiltration. Im Allgemeinen besteht diese darin, die zu filtrierende Flüssigkeit durch eine auf einem festen Träger angebrachte Membran zu drücken.

Sie funktionieren, weil bestimmte Membrantypen den Durchtritt von Partikeln mit spezifischen Eigenschaften erlauben, während sie den Durchtritt von Partikeln verhindern, die diese Eigenschaften nicht besitzen.

Der Bedarf an immer höheren Permeatströmen, die bei niedrigeren Betriebsdrücken erzeugt werden, hat zu ständigen Fortschritten im Design und der Herstellung von Membranen geführt.

Membrantrennverfahren werden weit verbreitet eingesetzt und übertreffen konventionelle Methoden aufgrund ihrer Fähigkeit, Trennungen sehr effizient bei Raumtemperatur durchzuführen, sowie ihres Kosten-/Effizienzverhältnisses. Nachfolgend sind die wichtigsten Vor- und Nachteile im Vergleich zu anderen Technologien aufgeführt:

Vorteile

• Sie bieten eine hohe Trennleistung, wobei der Schlüsselparameter der Cut-off der Membran ist.
• Es handelt sich um Prozesse, die bei Raumtemperatur und kontinuierlich durchgeführt werden können.
• Der Energieverbrauch ist nicht hoch, und der Einsatz chemischer Reagenzien ist nicht erforderlich (außer Antifouling-Mitteln zur Reinigung der Membranen).
• Die einfache Kombination dieser Technik mit anderen Prozessen.
• Sehr kompakte Anlagen, die wenig Platz benötigen.

Nachteile

• Es handelt sich nicht um eine Technik, die den Schadstoff eliminiert, sondern ihn konzentriert.
• Es entsteht ein Ableit-/Reststrom, der ordnungsgemäß behandelt werden muss.
• Die Kosten der Membranen und deren Haltbarkeit müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Es ist wichtig, das Abwasser vorzubehandeln, um die Lebensdauer der Membranen zu verlängern.
• Je nach spezifischer Anwendung können Probleme wie Degradation, Fouling oder Polarisierung der Membran auftreten. Diese Probleme sind zwar lösbar, erschweren jedoch den Betrieb und erhöhen die Betriebskosten.

Klassifikation der Membranen

Derzeit gibt es viele verschiedene Klassen und Typen von Membranen, die den Durchtritt bestimmter gelöster Stoffe je nach deren Natur, Ionenladung oder Größe erlauben.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die Klassifikation der Membranprozesse nach dem Trennfaktor.

Quelle: Strukturelle und Oberflächencharakterisierung von mikroporösen Membranen, Laura Palacio Martínez, 1999 – Universität Valladolid

Nach Partikelgröße

Je nach Größe der aus der Flüssigkeit zu trennenden Partikel variiert der zu verwendende Membrantyp, wobei Optionen wie Filtration, Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose zur Verfügung stehen.

Bei all diesen Prozessen ist die treibende Kraft der Druck. Nachfolgend die Unterschiede zwischen ihnen:

Filtration

Die konventionelle Filtration verwendet ein poröses Medium aus körnigem Material (Kies, Sand, Anthrazit usw.) als Filtermedium.

Die zu filtrierende Flüssigkeit fließt entweder durch Schwerkraft oder unter Druck durch das poröse Bett, wobei Feststoffe in den Zwischenräumen zwischen den Partikeln des Filterbetts zurückgehalten werden.

Die Alternative zur Filtration mit porösen Betten ist die Verwendung von Filtern aus Agglomeraten synthetischer Fasern wie Polycarbonat oder Zellulose. Je nach verwendetem Material und dessen Anordnung variiert der mittlere Porendurchmesser des Filters, der den Parameter darstellt, der die minimale Partikelgröße bestimmt, die zurückgehalten wird (Cut-off oder Filterabschnittswert).

Diese Filter sind in einem Gehäuse gefaltet und können Partikel größer als 10 mm (Sandpartikel, Feinstaub usw.) zurückhalten. Sie ermöglichen Flussdichten von 4 bis 8 m³/(m²·h), die zwar ähnlich wie bei körnigen Filtern sind, wobei letztere jedoch viel mehr Platz benötigen, um dieselbe Filterfläche bereitzustellen.

Körnige Filter können jedoch rückgespült werden, was sehr effektiv ist. Daher sind körnige Filter die beste Wahl zur Filtration von Abwässern mit hohem Feststoffgehalt. Bei niedrigem oder mittlerem Feststoffgehalt sind Filterpatronen wettbewerbsfähiger und benötigen weniger Platz.

Mikrofiltration

Mikrofiltrationsmembranen trennen Partikel im Bereich von 0,1 µm bis 10 µm (Bakterien, sehr feiner Kohlenstaub, Asbest usw.). Diese Membranen können aus Nylon, Polyethylen, Polypropylen usw. bestehen.

Ultrafiltration

Ultrafiltrationsmembranen halten Partikel im Bereich von 1 nm bis 100 nm (0,1 µm) zurück, was der Größe von Viren, Kolloiden, Makromolekülen, Endotoxinen usw. entspricht.

Der Betriebsmodus entspricht dem der Mikrofiltration; das Membranset wird auf einem Träger angebracht, und eine Pumpe erhöht den Druck der Flüssigkeit, um sie durch die Membran zu drücken.

Nanofiltration

Während Mikrofiltration und Ultrafiltration suspendierte Partikel von der Flüssigkeit trennen, kann die Nanofiltration gelöste Moleküle in der Flüssigkeit trennen (Zucker, Proteine, Farbstoffmoleküle usw.).

Nanofiltrationsmembranen haben einen Cut-off-Wert zwischen 0,1 nm und 1 nm, was der typischen Größe der meisten Moleküle entspricht, die kein hohes Molekulargewicht besitzen.

Sogar Ionen wie Ca²⁺ und Mg²⁺ werden zurückgehalten, wodurch diese Membranen zur Entfernung von Wasserhärte ohne Zugabe chemischer Reagenzien verwendet werden können.

Umkehrosmose

Umkehrosmose ist ein Phänomen, das auf dem Gleichgewicht beruht, das sich auf beiden Seiten einer semipermeablen Membran einstellt, die zwei Flüssigkeitsvolumina mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen trennt. Das Lösungsmittel diffundiert durch die Membran, während gelöste Ionen dies nicht können.

Natürlich würde das Lösungsmittel von der verdünnteren Salzlösung zur konzentrierteren wandern, um den osmotischen Druck auszugleichen (Osmose). Wird jedoch auf der Seite der konzentrierteren Lösung Druck ausgeübt, kehrt sich der Fluss durch die Membran um, was zu einem Nettofluss des Lösungsmittels von der konzentrierteren zur weniger konzentrierten Lösung führt. Der anzulegende Druck hängt von der Salzkonzentration in der konzentrierten Lösung ab.

Bei Mikrofiltration, Ultrafiltration und Nanofiltration passiert die gesamte Flüssigkeit die Membran, während Feststoffe auf der Membranoberfläche zurückgehalten werden.

Im Fall der Umkehrosmose muss mit zunehmender Salzkonzentration der Lösung der angelegte Druck ebenfalls höher sein, und der Fluss verläuft tangential zur Membran. So passiert ein Teil des Lösungsmittels die Membran, während der andere Teil alle gelösten Salze, Moleküle und Partikel im Zulauf mitreißt.

Es gibt also einen Zulauffluss und zwei Abflüsse, das Permeat und den Ableitstrom, in denen alle gelösten Salze, Moleküle und Partikel des Zulaufs konzentriert sind.

Je nach verwendetem Membrantyp, Betriebsdruck und Eigenschaften des zu behandelnden Abwassers variiert das Verhältnis zwischen Permeatfluss und Zulauffluss zwischen 50 % und 75 %.

Um die Lebensdauer von Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembranen zu verlängern, empfiehlt sich eine Vorbehandlung des Abwassers, üblicherweise durch Ultrafiltration.

Zahlreiche Industriezweige verwenden Umkehrosmose zur Herstellung von hochreinem Wasser, wie die pharmazeutische Industrie, die Lebensmittelindustrie, Kernkraftwerke, die Elektronikindustrie, die Biotechnologiebranche usw.

In Umweltanwendungen wird Umkehrosmose auch verwendet, um die Konzentration von Restabwässern zu reduzieren und/oder zu maximieren, ein Prozess, der in der Regel von einer Vakuumverdampfungs-Konzentrationsstufe zur vollständigen Rückstandsverdichtung gefolgt wird. Umkehrosmose wird auch zur Aufbereitung von Kondensatwasser in Verdampfungsprozessen verwendet, bei denen Rückstände konzentriert werden.

Als Standardergebnis liefert die Umkehrosmose 80 % gereinigtes Wasser und 20 % Ableitstrom.

Nach Partikelladung

Elektrodialyse

Sie besteht in der Entfernung elektrisch geladener Ionen, die im Wasser gelöst sind. Zur Durchführung dieser Entfernung werden ein Paar Elektroden mit unterschiedlichen elektrischen Ladungen in das Zulaufwasser eingeführt, sodass die gelösten Ionen von den Elektroden mit entgegengesetztem Vorzeichen angezogen werden.

Dieses Verfahren ermöglicht die Verschiebung von Ionen von einem Ort zum anderen in der Lösung.

Der Einsatz selektiver anionischer und kationischer Membranen im Wechsel ist unerlässlich, damit das Zulaufwasser nach dem Durchgang durch die Trennzone negative und positive Ionen verliert.

Es ist interessant, die Membranen abwechselnd anzuordnen, sodass sich die gelösten Stoffe in einigen Kanälen, dem sogenannten Konzentratwasser, anreichern, während in anderen Kanälen das Zulaufwasser zirkuliert und nach und nach seine Verunreinigungen verliert, bis es mit sehr niedriger Salzkonzentration den Prozess verlässt.

Reversible Elektrodialyse

In diesem Fall werden die Polaritäten der Elektroden periodisch geändert, sodass sich die Flussrichtung des Wassers vorübergehend ändert, wodurch die zuvor konzentrierten Kanäle gereinigtes Wasser erhalten und umgekehrt.

Diese Methode eliminiert das Risiko der Bildung von Niederschlägen, Fouling und Membranverstopfung, da die periodische Änderung der Flussrichtung zur Reinigung der Leitungen und Membranen beiträgt und zudem die Bildung von Schleimen und anderen Ablagerungen in der Anlage verhindert.

Membrankonfiguration

Es gibt kommerzielle Anlagen mit unterschiedlichen Membranarrangements, um sich an verschiedene Bedingungen anzupassen.

So finden sich folgende Konfigurationen:

Membrankartusche

Die Membranen sind um den Permeatsammler gefaltet. Es sind kompakte Systeme, ideal zur Behandlung von Lösungen mit niedriger Konzentration an suspendierten Feststoffen und werden üblicherweise mit Filtrations- und Mikrofiltrationsmembranen eingesetzt.

Spiralmembranen

Ein Satz Membranblätter, getrennt durch eine poröse Trägerschicht, wird um ein Rohr gewickelt, das als Permeatsammler dient. Es handelt sich um ein sehr kompaktes Design, das ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis bietet und für Anwendungen mit großem Volumen geeignet ist.

Es wird allgemein mit Nanofiltrations- und Umkehrosmosemembranen verwendet.

Rohrmembran

Rohrmembranen werden in einem starren Gehäuse platziert. Der Zulauf erfolgt durch das Innere der Membranen, und der Fluss wird nach außen geleitet. Aufgrund des Membranrohrdurchmessers von 5 bis 10 mm ist eine Verstopfung unwahrscheinlich. Sie eignen sich für Abwässer mit hoher Konzentration an suspendierten Feststoffen und werden üblicherweise für Ultrafiltrationsanwendungen verwendet.

Platten- und Rahmenfilter

Er ähnelt physikalisch einer Filterpresse. Die Membranen werden auf Rahmen gelegt, die durch Platten getrennt sind, und das Zulaufwasser fließt durch den Raum zwischen den Platten und den Membranen. Feststoffe konzentrieren sich auf einer Seite der Membran, und das Permeat wird auf der anderen Seite abgeführt.

Diese Anordnung wird nur verwendet, wenn der Zulauf eine hohe Viskosität aufweist, typischerweise in Anwendungen der pharmazeutischen und Lebensmittelindustrie.

Hohlfaser

Sie besteht aus einer großen Anzahl von Membranen mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm, die ein Bündel innerhalb eines Gehäuses bilden.

Sie wird praktisch nur für Nanofiltrations- und Umkehrosmoseanwendungen zur Behandlung von Abwässern mit niedriger Feststoffkonzentration verwendet.