Projekt 37166/01

Optimierung und Erprobung einer ressourcenschonenden und energieeffizienten Verfahrenskombination für dezentrale autonome Wasseraufbereitungsanlagen

Projektdurchführung

Inflotec GmbH
Ölweide 20
39114 Magdeburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung und dem exzessiven Verbrauch von Süßwasser zu industriellen und landwirtschaftlichen Zwecken, ist zunehmend Wasserknappheit zu verzeichnen. Aktuell sind 10 % der globalen Bevölkerung der Zugang zu Trinkwasser verwehrt. Ungleich höher, mit 28 % fällt die Versorgung mit Zugang zu sauberem Wasser für die tägliche Hygiene aus. Ziel ist es, das bisher ungenutzte Oberflächenwasser nutzbar zu machen.

In Kooperation mit der Hochschule Magdeburg-Stendal sollte eine autarke Wasseraufbereitungsanlage konstruiert und gebaut werden, anschließend sollten neue Einzelkomponenten – Filter und Katalysator – hinzugefügt werden, welche in Kombination mit einem Rückspül- und Rückführungssystem die Wasserqualität weiter erhöhen und die Wasseraufbereitungsanlage vor längeren Stillstandzeiten schützen. Die bisher verwendete Keramikmembran sollte durch einen Prototyp einer beschichteten Keramikmembran ersetzt werden. Diese Membran ist besonders resistent gegen Fouling und ist im Gegensatz zu gewickelten Membranen bzw. Umkehrosmosefiltern besonders langlebig. Eine Verlängerung der Lebensdauer sollte auch der Einsatz des Katalysators herbeiführen. Hierbei sollte das sogenannte MOL®LIK-Verfahren angewendet werden. Damit die Wasseraufbereitungsanlage besonders nachhaltig und umweltschonend ist, sollte bei dem geplanten Rückspül- und Rückführungssystem darauf geachtet werden, dass diese ohne den Einsatz von Chemikalien erfolgen. Es wurde bereits während des Entwicklungsprozesses auf eine Materialwahl mit hoher Recyclingfähigkeit geachtet.

Die nachgewiesene Funktionalität ermöglicht, dass die Wasseraufbereitungsanlage an alle Bedingungen und ökologischen Herausforderungen angepasst werden kann. Durch eine Kooperation mit der Tilia GmbH sollte die Grundlage für die spätere technologische Verwertung der Projektergebnisse erarbeitet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes steht der Fokus auf der Entwicklung und der Erprobung innovativer Technologien zur Steigerung des ökologischen und ökonomischen Nutzens einer autonomen Wasseraufbereitungsanlage.
Im Rahmen der Projektlaufzeit sind nachfolgend die Aktivitäten durchgeführt wurden.

Im ersten Schritt erfolgte die Konstruktion und Bau der autarken Wasseraufbereitungsanlage und die Vermessung der Anlage hinsichtlich der Druckverhältnisse und Wasserqualität. Anschließend erfolgte ein Dauertest mit geimpftem Wasser, um ausreichend Daten und Informationen über den Istzustand zu erhalten.

Im nächsten Schritt wurden die Einzelkomponenten, wie beschichtete Membran und Katalysator aber auch das Rückspül- und Rückführungssystems integriert und anschließend ausreichend getestet.

Hierbei wurden insgesamt 6 Testfälle untersucht und in entsprechenden Modifikationsschritten dokumentiert und festgehalten. Folgende Modifikationen wurden getestet:

- Ergänzung „Purification-Anlage“ mit einem NF-Membranmodul
- Herausnahme UF Membranmodul und Parallel Test nur NF-Membranmodul mit UV-Desinfektion und MOL®LIK mit NF - Membranmodul mit UV- Membranmodul
- UF Membranmodul -+ Aktivkohle + UV-Desinfektion
- NF Membranmodul von inopor
- zwei NF Membranmodule parallel mit UV-Desinfektion ohne UF- Membranmodul
- UF-Membranmodul, Aktivkohle und UV-Desinfektion

In der Modifikation (UF-Membranmodul, Aktivkohle und UV-Desinfektion) wurde die Reihenfolge der Desinfektion und des Aktivkohlefilters verändert. Bei Einsätzen der mobilen Purification-Anlage in entlegenen Gebieten der Welt kann es unter Umständen zu Fehlern in der Anordnung der beiden Schritte durch Unwissenheit der Anwender*innen kommen, sollte geprüft werden, ob dennoch die Anforderungen an die Wasserqualität gemäß Trinkwasserverordnung sichergestellt ist. Diese Versuche wurden kurz nach Beginn wieder außer Betrieb gesetzt, da sich zeigte, dass der Aktivkohlefilter zu einer Wiederverkeimung und Verschlechterung der Aufbereitungsqualität führte.

In jedem Modifikationsschritt wurden Proben mit vordefinierten Parametern (nach Trinkwasserverordnung) analysiert.

Im weiteren Schritt wurden die Ergebnisse nach jeder Modifikation zusammengefasst und Schlussfolgerungen gezogen.

In den mehrmonatigen Testbetrieben erfolgte eine ausreichende Testung der Wasseraufbereitungsanlage.

Auf Grundlage der Projektergebnisse wurde seitens der Tilia GmbH eine Grundlage für die spätere technologische Verwertung der Projektergebnisse erarbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projekt konnte nachgewiesen werden, dass die Modifikationen der bestehenden Wasseraufbereitungsanlage eine sichere Trinkwasseraufbereitung zulassen. Eine Desinfektionsstufe am Ende der Aufbereitung ist stets vorzusehen.

Insgesamt existiert nun ein mobiles „Purification-System“, welches modular aufgebaut ist und an die jeweiligen Rohwässer angepasst zusammengestellt werden kann. Insgesamt sind alle Anlagenteile so aufgebaut, dass sie leicht zu bedienen sind und wenig Wartungsaufwand benötigt wird. Außerdem muss der/die Anlagenbetreiber*in keine gesonderte Ausbildung besitzen, sondern es reichen anwenderspezifische Einweisungen.

In den mehrmonatigen Testbetrieben wurde eine stabile Reinigungsleistung erzielt, wobei diese unter den in Deutschland üblichen klimatischen Randbedingungen erfolgte. Für den Einsatz in Klimazonen mit sehr hohen Temperaturen müssen noch weitere Vororttests durchgeführt werden, bevor eine sichere Trinkwasseraufbereitung nach Trinkwasserverordnung garantiert werden kann. Mikrobiologische Prozesse, die beim Fouling eine wesentliche Rolle auf Membranen spielen und bei der Lagerung von aufbereitetem Wasser bis zur Verwendung eine wesentliche Rolle spielen, sind stark temperaturabhängig.

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 1 – Ergänzung „Purification-Anlage“ mit einem NF-Membranmodul
Die Integration einer NF-Stufe hat gezeigt, dass diese zu einer deutlichen Verbesserung der erreichten Wasserqualität führt als die Ausgangsanlage ohne NF-Modul. Die Abstimmung des UF-Moduls mit dem NF-Modul ist allerdings sehr schwierig und führt damit zu einer schlechteren Handhabbarkeit. Außerdem kann es zu Betriebsstörungen führen, welche insbesondere im autarken Betrieb vermieden werden sollten, um eine verlässliche Trinkwasserherstellung sicherstellen zu können. Die mikrobiologischen Parameter nach Trinkwasserverordnung werden in dieser Konfiguration nicht dauerhaft eingehalten. Erst durch die nachgeschaltete UV-Behandlung ist die Einhaltung aller mikrobiologischen Parameter möglich.

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 2 – Herausnahme UF-Membranmodul und Parallel Test nur NF-Membranmodul mit UV-Desinfektion und MOL®LIK mit NF-Membranmodul mit UV-Membranmodul
Durch den MOL®LIK konnte der Durchfluss der NF-Stufe um durchschnittlich 25 % erhöht werden. D. h. es können größere Feedvolumenströme behandelt werden. Bei trübstoffhaltigem Wasser wird jedoch die Oberfläche des Katalysators bedeckt, wodurch die Wirkung eingeschränkt wird. D. h., der Katalysator sollte nur bei Wässern mit geringem Trübstoffgehalt eingesetzt werden bzw. die Trübstoffe müssen vor Kontakt mit dem Katalysator entfernt worden sein. Die erreichten Aufbereitungsergebnisse veränderten sich durch den Katalysator nicht. Es wurden die gleichen Rückhalte erzielt. Damit macht der Katalysatoreinsatz nur Sinn, wenn ein größerer Feedvolumenstrom bei gleichbleibender Filterfläche behandelt werden soll. In beiden Konfigurationen zeigte sich, dass eine nachgeschaltete UV-Behandlung notwendig ist, um sicher Trinkwasserqualität produzieren zu können, obwohl die NF-Stufe bereits über 90 % auch bei der mikrobiologischen Belastung reduziert.

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 3 – UF-Membranmodul -+ Aktivkohle + UV-Desinfektion
Diese Konfiguration erbringt gegenüber der Ausgangsanlage eine Verbesserung der produzierten Wasserqualität und kann in entsprechenden Anwendungsfällen die NF-Stufe ersetzen. Eine nachgeschaltete Desinfektion ist weiterhin notwendig, insbesondere bezüglich der mikrobiologischen Parameter.

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 4 – NF Membranmodul von inopor
Hinsichtlich der Handhabbarkeit hat sich das NF-Membranmodul als nachteilig erwiesen, da die Keramikmembran nicht fest mit dem Gehäuse verbunden ist und beim Einsetzen in das Gehäuse Dichtungen eingesetzt werden müssen. Diese müssen als Ersatzteile vorgehalten werden und die Nutzer*innen müssen den Einbau der Dichtungen zuverlässig garantieren. D. h., wenn die Dichtungen vergessen werden, ist die Wirkung des Moduls nicht mehr gegeben und es kann zu Undichtigkeiten kommen. Außerdem können die Dichtungen verschleißen, was zu Undichtigkeiten und Wirksamkeitseinschränkungen der Aufbereitung führt.
Das Edelstahlgehäuse ist sehr schwer und muss mit vielen Schrauben montiert werden, was durch die unhandliche Länge nicht trivial ist und von Unerfahrenen durchgeführt werden kann. Beim Einbau der Membran in das Gehäuse wird zwangsläufig die Permeatfläche berührt, wodurch es zu Verunreinigungen durch Keime kommen kann.

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 5 – Zwei NF-Membranmodule parallel mit UV-Desinfektion ohne UF-Membranmodul
Durch diese Konfiguration konnte ein höherer Feeddurchfluss erreicht werden. Das Aufbereitungsergebnis war sehr stabil. Die Laborergebnisse konnten bei beiden Feldversuchen bestätigt werden.
Im Projekt wurde bei der Modulform und Größe festgehalten, weil auf diese alle Anschlüsse und anderen Anlagenaggregate abgestimmt sind. Außerdem kann so auch im Fall der von notwendigen Wartungen und Membranreinigungszyklen an einer der NF-Module die Wasseraufbereitung dennoch aufrechterhalten werden (Redundanz).

Durch Post-Modifikation der UF-Membran (Nanostone) mit Polyelektrolyten entsteht eine keramische Nanofiltrationsmembran (NF) mit einzigartigen Trenn- und Materialeigenschaften. Das System ermöglicht die sichere Aufbereitung selbst von schwer behandelbaren Wasserressourcen (z. B. Flusswasser, Abwasser, Regenwasser) in einem Aufbereitungsschritt. Sowohl Partikeln (z. B. Mikroplastik), Bakterien und Viren, als auch gelöste Wasserinhaltsstoffe (Organik, Salze) werden zurückgehalten. Herkömmliche NF-Membransysteme unterliegen grundsätzlich dem Problem des Foulings (Partikeln, Organik, Ausfällungen, Biofilm), d. h. dass die Membranen mit zunehmender Betriebsdauer durch Deckschichtbildung organischer sowie anorganischer Partikeln verblocken. Durch die Integration des MOL®LIK-Katalysator zeigte sich im Praxistests eine Verbesserung der Filtrationsleistung der Membranen durch konstante Filtrationsrate. Es wurden weniger Reinigungsintervalle und eine Verlängerung der Lebensdauer beobachtet.
Durch den MOL®LIK konnte außerdem der Durchfluss der NF-Stufe um durchschnittlich 25 % erhöht werden. D. h. es können größere Feedvolumenströme behandelt werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Umkehrosmosemembranen wird für den Betrieb weniger Energie benötigt. Es zeigt sich durch den Einsatz einer modifizierten Keramikmembran eine Vereinfachung der Wasseraufbereitung durch Umsetzung der Rückspülbarkeit und Regenerierbarkeit der NF-Trennschicht (einstufiger Prozess wegen Fouling-Resistenz). Somit entfällt bzw. reduziert sich die Vorbehandlung des Wassers durch Mikrofiltration im Vergleich mit derzeitigen NF-Systemen (Ressourcen- & Energieeffizienz).


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Es sind folgende Maßnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse geplant:

• Veröffentlichung der Ergebnisse in (inter)nationalen Fachzeitschriften und auf Konferenzen
• Wissenschaftliche Diskussion der Forschungsergebnisse und Know How-Transfer durch Vernetzung
• Beratungsfähigkeit durch Fortentwicklung/Übertragung der Projektergebnisse auf andere technische Lösungen der mobilen Wasseraufbereitung z. B. in Kooperation mit dem Technischen Hilfswerk und dem Wasser- und Schifffahrtsamt
• Veröffentlichungen und Präsentation auf Messen (wie IFAT – Weltleitmesse für Umwelttechnologien, Hannover Messe)
• Veröffentlichungen und Präsentation in bestehenden Netzwerken, wie Netzwerk Technologiekompetenz Fluss-Strom, Clean River Solutions
• Presse und Öffentlichkeitsarbeit
• Transfer der Untersuchungsergebnisse in bestehenden Plattformen aus dem Bereich der Wasserwirtschaft, wie beispielsweise Maritimes Cluster Norddeutschland e. V.


Fazit

Es konnte nachgewiesen werden, dass die Modifikationen eine sichere Trinkwasseraufbereitung zulassen. Insgesamt existiert nun ein mobiles „Purification-System“, welches modular aufgebaut ist und an die jeweiligen Rohwässer angepasst zusammengestellt werden kann. Insgesamt sind alle Anlagenteile so aufgebaut, dass sie leicht zu bedienen sind und wenig Wartungsaufwand benötigt wird. Außerdem muss der/die Anlagenbetreiber*in keine gesonderte Ausbildung besitzen, sondern es reichen anwenderspezifische Einweisungen. In den mehrmonatigen Testbetrieben wurde eine stabile Reinigungsleistung erzielt, wobei diese unter den in Deutschland üblichen klimatischen Randbedingungen erfolgte. Für den Einsatz in Klimazonen mit sehr hohen Temperaturen müssen noch weitere Vororttests durchgeführt werden, bevor eine sichere Trinkwasseraufbereitung nach Trinkwasserverordnung garantiert werden kann. Mikrobiologische Prozesse, die beim Fouling eine wesentliche Rolle auf Membranen spielen und bei der Lagerung von aufbereitetem Abwasser bis zur Verwendung eine wesentliche Rolle spielen, sind stark temperaturabhängig.

Das Zusatzmodul MOL®LIK-Katalysator hat aufgrund seines Wirkprinzips weniger Effekte auf die Reinigungsleistung als auf die mögliche zu behandelnde Feedmenge und damit auf die notwendige Membranfläche. Signifikant längere Standzeiten konnten nicht nachgewiesen werden.

Die Anlage wurde so konfiguriert, dass ein autarker Betrieb prinzipiell möglich ist, wenn regenerative Energien an der Anlage direkt erzeugt und verbraucht werden kann. Die modulare Gestaltung und der Einsatz unkomplizierter Anlagenaggregate und die auf ein Minimum reduzierte Steuerung und Regelung und Integration von sicherheitstechnischen Einrichtungen (z. B. eigenständige Notabschaltung bei zu hohem Anlagendruck) führen zu einer wartungsarmen Anlage, die nur wenige Eingriffe von außen benötigt. Diese sind derart, dass es nur geschultes aber kein besonders ausgebildetes Personal benötigt. Insgesamt handelt es sich um eine Low-Cost-Anlage, die durch ihre Modularität und den möglichen Adaptionen für weitere Anwendungsmöglichkeiten in Frage kommen und somit ein breites Anwendungsspektrum abdecken kann.

Das modifizierte Wasseraufbereitungssystem kann nahezu alle Oberflächenwässer aufbereiten, die chemisch unbedenklich sind. Ihre Stärken liegen hierbei in den Bereichen der flexiblen Anwendung, da es ihre modulare Bauweise ermöglicht, sich an die verschiedenen Anforderungen der Wasseraufbereitung anzupassen