Membranverfahren zur Abwasserbehandlung

Membranen werden zunehmend populär für die Herstellung von trinkbarem Wasser aus Grund-, Oberflächen- und Meerwasserquellen sowie für die fortgeschrittene Behandlung von Abwasser und Entsalzung. Diese Technologien gehören zu den am häufigsten eingesetzten Verfahren zur Wasserbehandlung in den letzten zwei Jahrzehnten. Es handelt sich um ein sehr leistungsfähiges System.

Vorteile und Nachteile

Vorteile:

• Hohe Leistung
• Kompakte Einheiten: weniger Platzbedarf als konventionelle Behandlungssysteme
• Einfache Bedienung
• Verfügbare Membranen können zur Trennung vieler Arten von Verunreinigungen verwendet werden
• Desinfektion kann ohne Chemikalien durchgeführt werden

Nachteile:

• Membranverschmutzung
• Produktion von belastetem Wasser (durch Rückspülung)
• Membranen müssen regelmäßig ausgetauscht werden

Membranklassifikation

Heutzutage gibt es viele verschiedene Membrantypen, die je nach ihrer Natur, Ionenladung oder Größe den Durchgang von gelösten Stoffen erlauben oder verhindern.

In diesem Fall basiert die Klassifikation auf dem Teilungsfaktor, danach folgen die wichtigsten Typen, um die Haupttypen nach diesem Kriterium zu beschreiben:

• GRÖSSE: Mikrofiltration / Ultrafiltration / Nanofiltration / Umkehrosmose
• ELEKTRISCHES FELD: Elektrodialyse / Umkehr-Elektrodialyse
• TEMPERATUR: Membrandestillation

MIKROFILTRATION / ULTRAFILTRATION / NANOFILTRATION

Mikrofiltrationsmembranen haben eine Porengröße von 0,1-10 µm, ausreichend, um alle Arten von Bakterien, Trübung, Makromolekülen, kolloidalen Stoffen usw. zurückzuhalten. Sie werden bei der Kaltsterilisation von flüssigen Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten, zur Reduktion von Mikroorganismen im Wasser, zur Vorbehandlung für Nanofiltration und Umkehrosmose usw. eingesetzt.

Durch Ultrafiltration werden Partikel mit einer Größe von 0,001-0,1 µm entfernt. Alle Viren, Makroproteine, Antibiotika usw. werden von diesen Membranen zurückgehalten. Sie finden Anwendung bei der Entfernung schädlicher organischer Substanzen aus der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, bei der Entfernung von Trihalomethanen aus Wasser, in der Abwasserbehandlung und in der Textilindustrie, unter anderem.

Durch Nanofiltration werden Partikel mit einer Größe von 0,1 nm-0,001 µm zurückgehalten, wodurch Wasser von den meisten Molekülen getrennt wird, obwohl Partikel mit niedrigem Molekulargewicht teilweise in der Membran zurückgehalten werden. Nanofiltration wird zur Wasserenthärtung, Entfernung von Schwermetallen aus Abwasser, Dekontamination von Abwasser, Vorbehandlung für Umkehrosmose, Nitratentfernung, Farbentfernung usw. verwendet.

UMKEHROSMOSE

Umkehrosmose nutzt ein Verfahren, bei dem durch eine semipermeable Membran die chemischen Potentiale zweier Lösungen, die sich jeweils auf einer Seite der Membran befinden, sich ausgleichen wollen, wodurch sie in umgekehrter Richtung arbeitet.

Umkehrosmose besteht darin, mit gelösten Ionen belastetes Wasser in einen Behälter zu pumpen, wo es unter Druck gegen eine Membran gedrückt wird. Während dieses Prozesses wird Wasser von einer Seite der Membran auf die andere übertragen. Ionen verbleiben im Zulaufwasser, wodurch ein Konzentrat im Wasser entsteht, das die Membran noch nicht passiert hat, und ein gereinigter Wasserstrom, wenn es die Membran passiert hat.

Das erzeugte Konzentrat sollte vom direkten Kontakt mit der Membran ferngehalten werden, um eine Erhöhung der Ionenkonzentration zu verhindern, die zur Ausfällung von Salzen auf der Membranoberfläche führen kann. Dies verursacht einen Wirkungsverlust des Prozesses sowie erhöhte Wartungskosten. Es ist auch wichtig, eine Vorbehandlung durchzuführen, um Verstopfungen zu vermeiden.

ELEKTRODIALYSE

Elektrodialyse besteht in der Entfernung elektrisch geladener Ionen, die im Wasser gelöst sind. Um diese Eliminationsphase durchzuführen, werden ein Paar unterschiedlich geladener Elektroden in das Zulaufwasser eingeführt, sodass die gelösten Ionen zu den Elektroden mit entgegengesetztem Vorzeichen angezogen werden. Dadurch werden die Ionen von einem Ort zum anderen in der Lösung bewegt.

Der abwechselnde Einsatz von anionen- und kationenselektiven Membranen ist wesentlich, damit das Zulaufwasser nach dem Passieren der Trennzone weiterhin negative und positive Ionen verliert.

Besonders interessant ist die abwechselnde Anordnung der Membranen, sodass in einigen Kanälen gelöste Stoffe in Wasser, genannt Konzentrat, konzentriert werden. In anderen Kanälen zirkuliert das Zulaufwasser und verliert nach und nach seine Verunreinigungen, bis der Prozess mit einer sehr niedrigen Salzkonzentration endet.

UMKEHR-ELEKTRODIALYSE

In diesem Fall werden die Polaritäten der Elektroden periodisch geändert, sodass die Wasserflüsse vorübergehend die Richtung wechseln und gereinigtes Wasser aus den Kanälen mit Konzentrat und umgekehrt empfangen.

Diese Methode eliminiert das Risiko der Bildung von Ausfällungen, Verschmutzungen und Verstopfungen der Membranen dank der periodischen Änderung der Flussrichtung, was die Reinigung von Rohren und Membranen erleichtert und die Entstehung von Schleim und anderen Ablagerungen in der Anlage verhindert.

MEMBRANDESTILLATION

Die Behandlung von salzhaltigen und salzigen Abwässern ist mit konventionellen Verfahren nicht möglich. Die einzige Technologie, die eine vollständige Lösung bietet, ist die Vakuumverdampfung, da Umkehrosmose oder Elektrodialyse einen Abwasserstrom erzeugen, der entsorgt werden muss. Und konventionelle Destillation verursacht Kosten, die sie finanziell unrentabel machen.

Es gibt jedoch eine Technologie, deren erstes Patent aus dem Jahr 1963 stammt, deren Nutzung aber derzeit erst beginnt, alle Entwicklungen im Membrantechnikbereich zu nutzen. Es handelt sich um die Membrandestillation.

Membrandestillation ist ein thermischer Prozess, bei dem nur Dampfmoleküle durch die Membran gelangen können, die hydrophob ist. Das zu behandelnde Zulaufmedium steht in direktem Kontakt mit einer der Membranoberflächen, dringt jedoch nicht durch die Poren der Membran, da diese hydrophob ist. Die treibende Kraft für die Trennung ist der Dampfdruck durch die Membran, nicht der Gesamtdruck wie bei der Umkehrosmose. Mit steigender Temperatur des Zulaufs erhöht sich der Dampfdruck und somit auch der Dampfdruckgradient, der die treibende Kraft darstellt.

Aus kommerzieller Sicht ist es eine Technologie, die aus folgenden Gründen weit verbreitet implementiert wurde:

• Die thermische Effizienz des Prozesses ist aufgrund des Wärmeverlusts durch die Wärmeleitfähigkeit der Membranen gering.
• Es treten Konzentrations- und Temperaturpolarisationseffekte auf, die den Permeatfluss durch die Membran verringern.
• Der Benetzungseffekt tritt auf, bei dem Verunreinigungen im Zulauf in die Poren der Membran eindringen und so den Permeatfluss reduzieren.

Trotz dieser Nachteile, die mit fortschreitender Forschung überwunden werden, hat die Technologie eine Reihe von Vorteilen, die sie in immer mehr Anwendungen wettbewerbsfähig machen. Die wichtigsten Vorteile der Membrandestillation sind:

• Wie bei der Verdampfung ist der Prozess nicht durch das Gleichgewicht begrenzt, sodass die notwendigen Wasser- und Konzentrationsfaktoren erreicht werden können. Im Gegensatz zur Umkehrosmose gibt es kein Gleichgewicht, das eine Trennungsgrenze festlegt.
• Die Technologie benötigt im Allgemeinen keine Vorbehandlung des Zulaufs, um die Lebensdauer der Membran zu verlängern.
• Die Effizienz des Systems und die gute Qualität des erzeugten Wassers sind praktisch unabhängig vom Salzgehalt des Zulaufs.
• 100 % Abscheidung nichtflüchtiger gelöster Stoffe.
• Möglichkeit der Behandlung von korrosiven und sauren Abwässern, was bei konventioneller Destillation aufgrund der erforderlichen Materialien schwierig ist.
• Betriebliche Flexibilität, da es sich um unabhängige Module handelt.

Die Auswahl der Membran ist entscheidend für das gute Funktionieren des Prozesses. Die Eigenschaften der Membran beeinflussen den Prozess direkt; die wichtigsten sind: Porosität, Porengröße, Membrandicke, Wärmeleitfähigkeit und Zusammensetzung, die mit der Beständigkeit gegen chemische Angriffe zusammenhängt.

Die Eigenschaften der Membrandestillation machen sie zu einer Technologie, die erfolgreich in so unterschiedlichen Bereichen angewendet werden kann wie:

• Herstellung von reinem Wasser.
• Behandlung von Sole.
• Entfernung von Farbstoffen und Behandlung von Abwasser aus der Textilindustrie.
• Konzentration von Säuren und korrosiven Substanzen sowie Trennung azeotroper Gemische in der chemischen Industrie.
• Konzentration von Säften und Milchverarbeitung in der Lebensmittelindustrie.

Membrandestillation ist eine wettbewerbsfähige Technologie in einer Vielzahl von Industriezweigen, da sie die Behandlung komplexer Abwässer ermöglicht. Es ist eine Technik, die zusammen mit der Vakuumverdampfung zu den wenigen Technologien gehört, die die Behandlung von salzhaltigen und salzigen Abwässern ermöglichen, ohne falls erforderlich einen Abwasserstrom zu erzeugen, da die Trennung nicht durch das Gleichgewicht begrenzt ist.

Allerdings ist die Membrandestillation aufgrund des Wärmeverlusts durch die Wärmeleitfähigkeit der Membran noch keine energieeffiziente Technologie. Daher ist ihre Anwendung auf solche Fälle beschränkt, in denen konventionelle Destillation oder Vakuumverdampfung keine praktikablen Alternativen sind, wie beispielsweise bei der Konzentration von Säuren oder korrosiven Substanzen.

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

Membrankonfiguration

Es gibt vier Haupttypen traditioneller Module (1-4). Um das häufigste Problem der Membranen zu lösen, nämlich die Versiegelung durch Rückstände, die sich während des Filtrationsprozesses auf der Membranoberfläche ansammeln, wurden vor einiger Zeit Vibrationsmembranen VR entwickelt (5):

1. PLATTEN- UND RAHMENMODUL:

Dies ist die einfachste Konfiguration, bestehend aus zwei Endplatten, der Flachmembran und Abstandshaltern. In Rohrmodulen befindet sich die Membran oft auf der Innenseite eines Rohrs, und die Zulaufösung wird durch das Rohr gepumpt.

2. SPIRALGEWICKELT

Das beliebteste Modul in der Industrie für Nanofiltrations- oder Umkehrosmosemembranen ist das spiralgewickelte Modul. Dieses Modul hat eine Flachmembran, die um ein perforiertes Permeatsammelrohr gewickelt ist. Der Zulauf strömt auf einer Seite der Membran. Das Permeat wird auf der anderen Seite der Membran gesammelt und spiralförmig zum zentralen Sammelrohr geleitet.

3. HOHLFASERN

Hohlfasermodule, die für die Meerwasserentsalzung verwendet werden, bestehen aus Bündeln von Hohlfasern in einem Druckbehälter. Sie können eine Schalen-Seiten-Zulaufkonfiguration haben, bei der der Zulauf außen an den Fasern entlangströmt und an den Faserenden austritt. Hohlfasermodule können auch in einer Bohrseiten-Zulaufkonfiguration verwendet werden, bei der der Zulauf durch die Fasern zirkuliert. Hohlfasern, die für die Abwasserbehandlung und in Membranbioreaktoren eingesetzt werden, werden nicht immer in Druckbehältern verwendet. Fasernbündel können in der Zulauflösung suspendiert sein, und das Permeat wird von einem Ende der Fasern gesammelt.

4. ROHRMEMBRANEN

Poröse Rohre mit Innendurchmessern von 5 mm bis 15 mm sind mit mikroporösen Schichten aus PVDF oder PES entweder an der Innen- oder Außenseite beschichtet. Je nach Ausrichtung der mikroporösen Schicht werden Rohrmodule – bestehend aus einzelnen Rohrmembranen, die in ein zylindrisches Gehäuse eingesetzt sind – entweder in Außen-nach-Innen- (Abwasserstrom fließt außen an den einzelnen Rohren) oder Innen-nach-Außen-Konfigurationen (Abwasserstrom fließt innen in den einzelnen Rohren) betrieben.

5. VIBRATIONS-MEMBRANEN

Der große Unterschied zu herkömmlichen Membranen besteht darin, dass das Grunddesign vertikal statt horizontal ist, was bedeutet, dass der Platzbedarf pro Einheit geringer ist als bei anderen Trennsystemen.

Diese vibrierenden Membranen sind in der Lage, jede Art von Abwasser zu filtern und können Abwässer mit hoher Feststoffbeladung behandeln. Darüber hinaus handelt es sich um eine Technologie, die für den Betrieb keine Chemikalien benötigt, abgesehen von denen, die für die periodische Reinigung der Membran erforderlich sind.

In einem VR-Membransystem ist die zu behandelnde Flüssigkeit nahezu unbeweglich und zirkuliert langsam zwischen den Elementen der parallelen Membranen. Die Reinigung durch Scherkräfte wird erzeugt, indem die Membranelemente kräftig in tangentialer Richtung zur Membranoberfläche vibrieren. Die durch die Vibration der Membran erzeugten Scherwellen bewirken, dass die Feststoffe an die Oberfläche der Membran aufsteigen und erneut mit dem Material oder Abwasser, das sich innerhalb der Membran bewegt, vermischt werden. Diese intensive Scherwirkung hält die Poren der Membran sauberer und erzielt eine höhere Leistung als herkömmliche Membranen.

Vibrationsmembranen ermöglichen es, etwa 90 % des behandelten Wassers als sauberes Wasser zurückzugewinnen, das abgeleitet oder wiederverwendet werden kann.

Der Membrantyp, der in VR-Systemen verwendet wird, variiert je nach zu behandelndem Abwasser. Eine sehr allgemeine Klassifikation wäre wie folgt:

1. Umkehrosmosemembranen zur Trennung von Stoffen.
2. Nanofiltrationsmembranen zur Abwasserbehandlung und Konzentration.
3. Ultrafiltrationsmembranen zur Öltrennung und Konzentration.
4. Mikrofiltrationsmembranen zur Abtrennung der größten Partikel aus einer flüssigen Phase.

Weitere wichtige Parameter sind Druck, Temperatur, Vibrationsamplitude und Verweilzeit des Materials innerhalb der Membran.

Alle diese Parameter werden während der Anfangstests optimiert und anschließend in einer SPS aufgezeichnet, die das System automatisch steuert.

Zusätzlich ist zu erwähnen, dass es sich um ein modulares System handelt, das nach der Installation bei Bedarf modifiziert werden kann:

1. Es kann leicht in ein bestehendes System integriert werden, um die Leistung zu verbessern.
2. Es kann in Bereichen mit begrenztem Platz installiert werden.
3. Es ist einfach zu transportieren und kann von einer Anlage zur anderen bewegt werden.
4. Es kann in mehreren Systemen oder Phasen als einziger Schritt installiert werden.
5. Weitere Einheiten können entsprechend der Produktionssteigerung hinzugefügt werden.