Die zunehmende Wasserknappheit infolge von Klimawandel, Bevölkerungswachstum und steigenden urbanen Wasserbedarfen hat viele Regionen an die Grenzen ihrer konventionellen Süßwasserressourcen gebracht. Vor diesem Hintergrund wird kommunales Abwasser zunehmend als eine verlässliche und lokal verfügbare Ressource für die nicht-trinkwasserbezogene oder indirekte Trinkwasserwiederverwendung anerkannt. Großtechnische Anlagen, beispielsweise in Singapur, Kalifornien und Australien, haben gezeigt, dass fortgeschrittene Aufbereitungsanlagen dauerhaft Wasser von hoher Qualität erzeugen können, das strengen Trinkwasserrichtlinien entspricht. Das NEWater-Programm in Singapur stellt ein prominentes Beispiel dar, bei dem biologisch behandeltes kommunales Abwasser durch weitergehende Aufbereitung, einschließlich Membranfiltration und Desinfektion, gereinigt wird und anschließend vorwiegend industriell genutzt sowie als indirekte Trinkwasserressource durch die Einspeisung in Oberflächenwasserspeicher eingesetzt wird, bevor eine konventionelle Trinkwasseraufbereitung erfolgt. Diese Umsetzungen verdeutlichen, dass die Trinkwasserwiederverwendung keine theoretische Option mehr darstellt, sondern eine praktikable und skalierbare Strategie zur Schließung des urbanen Wasserkreislaufs ist.
Im Zentrum solcher fortgeschrittenen Aufbereitungsanlagen stehen membranbasierte Trennverfahren. Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) werden typischerweise als Vorbehandlungsstufen eingesetzt, um Partikel, Kolloide und Biomasse zu entfernen und dadurch den nachgeschalteten Betrieb zu stabilisieren. Energieeffizientere Konfigurationen integrieren biologische Behandlung und Membrantrennung in Membranbioreaktoren (MBR), bei denen MF oder UF konventionelle Nachklärbecken ersetzen und ein Effluent mit geringer Trübung sowie deutlich reduzierten Gehalten an suspendierten Feststoffen und organischen Verunreinigungen erzeugen. Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) fungieren anschließend als dichte Membranbarrieren und ermöglichen eine hohe Rückhaltung gelöster Salze, eines großen Anteils gelöster organischer Stoffe sowie einer Vielzahl organischer Spurenstoffe wie Pharmazeutika und Industriechemikalien. Wenn diese Prozesse auf physikalischer Trennung und nicht auf chemischer Umwandlung beruhen, können sie prinzipiell eine robuste und potenziell gut vorhersagbare Leistung über lange Zeiträume bieten, was für die regulatorische Zulassung und die gesellschaftliche Akzeptanz von Trinkwasserwiederverwendungskonzepten von zentraler Bedeutung ist.
Während Niederdruckmembranen wie MF und UF mittlerweile weit verbreitet in Systemen zur Abwasserwiederverwendung eingesetzt werden, finden sie überwiegend Anwendung für nicht-trinkwasserbezogene Zwecke, beispielsweise in der landwirtschaftlichen Bewässerung, bei denen die Entfernung von suspendierten Feststoffen, organischen Verunreinigungen und Pathogenen ausreichend ist. Im Gegensatz dazu nutzt oder untersucht bislang nur ein vergleichsweise kleiner Anteil der weltweiten Wiederverwendungssysteme dichte Membranen wie NF oder RO als abschließende Polierstufe zur Herstellung von Wasser für die indirekte oder direkte Trinkwasserwiederverwendung oder für andere Anwendungen mit sehr hohen Qualitätsanforderungen. Trotz ihrer Fähigkeit, in vielen Systemen mehr als 90 % des gelösten organischen Kohlenstoffs zurückzuhalten, wurde wiederholt gezeigt, dass RO- und NF-Membranen assimilierbaren organischen Kohlenstoff sowie niedermolekulare organische Verbindungen nicht vollständig entfernen. Der verbleibende Durchtritt dieser niedermolekularen, biologisch abbaubaren Fraktionen beeinträchtigt nachweislich die biologische Stabilität in nachgeschalteter Speicherung und Verteilung und reduziert damit die Sicherheitsreserve von Wiederverwendungssystemen. Ein vertieftes Verständnis des Transmissionsverhaltens niedermolekularer organischer Substanzen durch dichte Membranen sowie der Faktoren, die deren partielle Rückhaltung bestimmen, ist daher von hoher Relevanz für die Verbesserung von Auslegung und Betrieb hochwertiger Abwasserwiederverwendungssysteme auf Basis von NF und RO.
Demgegenüber unterscheiden sich abwasserbasierte Zulaufwässer grundlegend von Meerwasser – nicht nur hinsichtlich der Salinität, sondern auch in der Art und Weise, wie organische Stoffe verarbeitet werden, bevor sie die membranbasierte Polierstufe erreichen. Natürliche organische Substanz (NOM), die in eine Abwasserbehandlungsanlage gelangt, wird biologischen Umwandlungsprozessen in aeroben und/oder anaeroben Verfahren unterzogen, wie sie in den meisten Ländern angewendet werden. Während dieser Prozesse wird die influente organische Substanz transformiert, abgebaut und teilweise zu löslichen mikrobiellen Produkten (SMP) resynthetisiert, sodass die organische Matrix des Effluents eine komplexe Mischung aus verbleibender natürlicher organischer Substanz und biomasseabgeleiteten Fraktionen darstellt. Unterschiedliche biologische Behandlungskonfigurationen – wie konventioneller Belebtschlamm (AS), aerober Granulatschlamm (AGS), MBR oder andere fortgeschrittene Verfahren – können daher selbst bei der Behandlung ähnlicher influenter Abwässer deutlich unterschiedliche Zusammensetzungen der organischen gelösten Stoffe im Effluent erzeugen, bedingt durch Unterschiede in biologischen Abbaupfaden und Biomasseumsatz. Da die Salinität dieser Effluente typischerweise um ein bis zwei Größenordnungen niedriger ist als die von Meerwasser, wird das Verhalten niedermolekularer organischer Stoffe und biologisch abbaubarer Fraktionen zu einem maßgeblichen Treiber sowohl der Permeatqualität als auch der Fouling-Entwicklung. Ein Verständnis dafür, wie die vorgeschaltete biologische Behandlung Menge, Qualität und Biodegradierbarkeit der organischen Stoffe im Effluent bestimmt und wie diese wiederum das Fouling- und Reinigungsverhalten nachgeschalteter dichter Membranen beeinflussen, ist daher entscheidend, um die Robustheit und Vorhersagbarkeit membranbasierter Abwasserwiederverwendungssysteme zu verbessern.
Biologisch abbaubare organische Stoffe und niedermolekulare Verbindungen, die während der biologischen Behandlung gebildet oder transformiert werden, stellen zugleich Substrate dar, die die Biofilmbildung in den Zulaufkanälen von Membranen fördern. Biofouling gilt weithin als eine der wesentlichen Limitierungen beim Betrieb dichter Membranen, wobei ein Großteil des konzeptionellen Verständnisses aus der Meerwasser- oder Brackwasserentsalzung stammt. In der Meerwasser-RO wurde die biofilmverstärkte Konzentrationspolarisation (BECP) als dominanter Mechanismus identifiziert: Biofilme erhöhen lokal die Salzkonzentration an der Membranoberfläche, wodurch der osmotische Druck steigt, ein höherer Betriebsdruck erforderlich wird und letztlich der Durchtritt anorganischer Salze zunimmt. Zusätzlich werden routinemäßig Antiscalants dosiert, um anorganische Ausfällungen zu verhindern; viele dieser Formulierungen sind zumindest teilweise biologisch abbaubar und können somit eine zusätzliche Kohlenstoffquelle darstellen, die die Biofilmentwicklung weiter. In der Abwasserwiederverwendung führt der deutlich geringere Gehalt an anorganischen Salzen dazu, dass BECP im Vergleich zu Meerwassersystemen als weniger ausgeprägt anzunehmen ist. Darüber hinaus zeigten Modellierungsstudien von Radu et al. (2012), dass die metabolische Aktivität innerhalb des Biofilms und der damit verbundene Substratverbrauch die Konzentrationspolarisation biologisch abbaubarer organischer Substrate dominieren können. Während solche Prozesse in der Meerwasser-RO vor dem Hintergrund hoher Ionenstärken und eines überwiegend anorganischen Stofftransports ablaufen, interagieren sie in der Abwasserwiederverwendung mit einer grundlegend anderen organischen Effluentmatrix. Entsalzungsbasierte Interpretationen des Biofoulings – unabhängig davon, ob sie sich auf BECP oder auf metabolische Prozesse fokussieren – erfassen daher möglicherweise nur teilweise die Mechanismen, die die hydraulische Leistung und die Wasserqualität bei der dichten Membranfiltration für die Abwasserwiederverwendung bestimmen. Der Einfluss von Membranbiofouling unter realistischen Abwassermatrizen und Betriebsbedingungen ist folglich bislang unzureichend verstanden und bedarf weiterer Untersuchungen.
Die Membranreinigung stellt den zentralen betrieblichen Hebel zur Kontrolle von Biofouling und zur Wiederherstellung der Leistungsfähigkeit dichter Membranprozesse dar. In der Praxis werden Clean-in-Place (CIP) Protokolle routinemäßig eingesetzt, die alkalische, saure und häufig oxidative Reinigungschemikalien kombinieren, um organische Ablagerungen zu solubilisieren, Mikroorganismen zu inaktivieren und Biofilme zumindest teilweise zu lösen. Der Zusammenhang zwischen der eingesetzten Reinigungschemie, den lokalen hydrodynamischen Bedingungen und der daraus resultierenden Entfernung von Biofilm und extrazellulären polymeren Substanzen ist jedoch in spacergefüllten NF- und RO-Kanälen bislang nur unzureichend verstanden. Ein erheblicher Teil der vorhandenen Literatur basiert auf synthetischen oder stark vereinfachten Foulingmatrizen, die zwar kontrollierte Untersuchungen des Fluxrückgangs und einer partiellen Leistungswiederherstellung ermöglichen, jedoch die strukturelle Komplexität und die langfristige Resilienz von Biofilmen aus realen Abwassereffluenten nicht adäquat abbilden. Infolgedessen bleibt häufig unklar, in welchem Umfang beobachtete Leistungsverbesserungen auf eine tatsächliche Entfernung von Biomasse gegenüber einer lediglich temporären Modifikation oder Inaktivierung des Biofilms zurückzuführen sind und wie verbleibende Ablagerungen nachfolgende Foulingzyklen und die Reinigungseffizienz beeinflussen. Jafari et al. (2020) zeigten, dass reales Biofouling aus einer großtechnischen Entsalzungsanlage eine deutlich andere Reinigbarkeit aufweist und durch eine rigidere Struktur sowie eine höhere chemische Resistenz gekennzeichnet ist als im Labor gezüchtete Biofilme. Ein vertieftes mechanistisches Verständnis der Wechselwirkungen zwischen chemischen und hydrodynamischen Reinigungsstrategien und Biofilmen in dichten Membrankanälen ist daher unerlässlich, um Reinigungsprotokolle zu optimieren, den Chemikalienverbrauch zu reduzieren und die Zuverlässigkeit membranbasierter Abwasserwiederverwendungssysteme zu erhöhen.
Diese Wissenslücken verdeutlichen die Notwendigkeit, dichte Membranprozesse gezielt im Kontext der Abwasserwiederverwendung neu zu bewerten, anstatt Konzepte aus der Meerwasserentsalzung zu extrapolieren. Ein vertieftes Verständnis der Transmission organischer Stoffe, der Biofilmbildung und -entfernung sowie deren Auswirkungen auf die hydraulische Leistungsfähigkeit ist unerlässlich, um robuste und langfristig stabile Wiederverwendungssysteme zu entwerfen.