Ultrafiltrationsanlagen

Für die Abtrennung feiner, ungelöster Teilchen mit Teilchengrößen bis herab zu ca. 0,2 µm ist die Ultrafiltration (UF) ein bewährtes Verfahren. Die abzutrennenden Teilchen können Feststoffe (Dispersionen) oder Flüssigkeiten (Emulsionen) sein. Je nach Art der Trenn-aufgabe können sehr verschiedenartige Ultrafiltrationsmembranen in unterschiedlichem Moduldesign geeignet sein. Für die Spaltung stabiler Öl-in-Wasser-Emulsionen werden z.B. vorzugsweise Keramikmembranen als Röhrenmodule verwendet. Für die Gewinnung von Trinkwasser aus Oberflächenwasser haben sich Hohlfasermodule mit Celluloseacetat-membranen besonders bewährt.

Das zugrunde liegende Prinzip bei der Phasentrennung von Emulsionen oder Dispersionen ist die Aufwendung von Arbeit. Der Trennvorgang findet im Allgemeinen im so genannten Cross-Flow-Verfahren an der Membranoberfläche statt. Cross-Flow be­deutet, dass die zu spaltende Emulsion quer zur Membran­ober­flä­che mit hoher Strömungsgeschwindigkeit fließt, wo­durch der Aufbau eines Filterkuchens durch die auftretenden Scher­kräfte mi­ni­miert wird.

Die Arbeit für den Trennvorgang im Ultrafiltrationsmodul wird von einer Pumpe ver­richtet. Durch die Porengröße der Membran werden die Bestandteile des zu reinigenden Rohwassers (Feed) nach ihrer Molekülgröße getrennt. Die gelösten Teil­chen passieren die Poren der Membran und bilden das Permeat. Die ungelösten Teilchen fließen an der Oberfläche der Membran weiter und werden als Retentat bezeichnet.

Um dem Pumpendruck standzuhalten, befindet sich die Membran auf einem druckfesten Trägermaterial. Membranen sind meistens in einem röhrenförmig gestalteten Permeatsammelkörper eingepasst. Je nach Anforderung an den Durchsatz können mehrere Membranen in einem Sammelkörper integriert sein. Eine Einheit mit der Anordnung von Membranen heißt Ultrafiltrationsmoduleinheit.

Die Auswahl der Membranen und deren Anordnung erfolgt unter Berück­sichti­gung der erforderlichen Leistung, der Feed-Qualität und der Rein­heits­an­for­derungen.

Die Permeatausbeute wird primär durch die Tendenz des Retentats zur Bil­dung von Ablagerungen begrenzt, was zur Verblockung der Membranen füh­ren kann. Die Verhinderung der Membranverblockung ist eines der Haupt­pro­bleme bei der Auslegung einer Anlage.

Wird der stabilen Dispersion oder Emulsion (Feed) durch die Ultrafiltrationsanlage Permeat entzogen, ent­steht eine höhere Konzentration an Trübstoffen im Retentat. Der Wasser­ent­zug kann soweit fort­geführt werden, dass die feinen abzutrennenden Teilchen so weit aufkonzentriert werden, dass sie agglomerieren. Aus einer vorher stabilen Emulsion kann beispielsweise anschließend ein Öl durch Schwerkraftabtrennung abge­schie­den werden  oder die Feststoffe einer Dispersion können durch Sedimentation entfernt werden.

Anwendungsbereiche

 Trink- und Prozesswasseraufbereitung aus Oberflächenwasser

Die Niedrigdruck - Ultrafiltration gewinnt bei der Aufbereitung von Trink- und Prozesswasser aus Oberflächenwasser mehr und mehr an Bedeutung. Um den wirtschaftlichen Vorteil solcher Anlagen voll auszuschöpfen, müssen alle am Prozess beteiligten Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sein.

Industriezweige mit hohem Wasserverbrauch decken seit jeher ihren Bedarf aus Oberflächenwasser. Chemische Betriebe, Stahlwerke, Papierfabriken und vor allem Kraftwerke sind deshalb häufig an Flüssen oder Seen zu finden. Besonders Flusswasser weist jahreszeitlich bedingt eine schwankende Fracht an Trübstoffen und Bakterien auf und muss für die Nutzung in Industriebetrieben aufbereitet werden.

Bei der konventionellen Aufbereitung von Oberflächenwasser kommt eine Kombination von chemischen und physikalischen Verfahrensschritten mittels Sandfiltration, Flockung, Fällung und Sedimentation zum Einsatz. Um eine komplette Entkeimung des Oberflächenwassers zu erreichen, sind zusätzliche Verfahrensschritte nötig (z.B. Ozonisierung). 

Der Nachteil der konventionellen Aufbereitungsverfahren besteht darin, dass jahreszeitlich bedingte Schwankungen der Flusswasserzusammensetzung und der Flusswassertemperatur auf die Qualität des erzeugten Reinwassers durchschlagen. Diese Schwankungen können nur zum Teil durch erhöhte Dosierung von chemischen Zusatzstoffen ausgeglichen werden. Relativ hohe Betriebskosten sind die Folge.

Die Industrie hat die Membrantechnik bei der Aufbereitung von Oberflächenwasser als besonders rückstandsarme Technologie erkannt. Die Ultrafiltration funktioniert als rein physikalisches Trennverfahren und liefert unabhängig von der Rohwasserqualität ein trübungs- und keimfreies Permeat. Deshalb eignet sich die Ultrafiltration auch besonders gut als Vorbehandlungsstufe für die Entsalzung mittels Umkehrosmose. Folgende Vorteile sprechen für die Ultrafiltration:

-        Hohe Permeatqualität (klar, keimfrei and trübungsfrei), nahezu unabhängig von der Rohwasserqualität.

-        Verlängerung der Standzeit von nachgeschalteter Umkehrosmose oder Ionentauschern durch geringen Silt Density Index (SDI).

-        „Single step process“, d.h. einfaches Anlagendesign, einfach zu automatisieren durch modularen Aufbau; bei Erhöhung des Wasserbedarfs können UF-Blöcke einfach nachgerüstet werden.

-        Keine Aufsalzung des Wassers durch Fällungsmittel.

-        Rückstandsarmes Verfahren, weil das Konzentrat in den Fluss zurückgeleitet werden kann.

Um die Wirtschaftlichkeit von Membranverfahren sicherzustellen, muss der spezifische Permeatfluss über Jahre hinweg auf hohem Niveau gehalten werden, ohne dass die Reinigungszyklen immer weiter verkürzt werden müssen. Membranpolymer, Hohlfaserstruktur, Modulkonstruktion und die Betriebsweise des Moduls müssen optimal aufeinander abgestimmt sein, um einen sicheren Betrieb der Filtrationsanlage zu gewährleisten.

 Prozess- und Abwasseraufbereitung

Auch in der Prozess- und Abwasseraufbereitung findet die Ultrafiltrationsanlage ihre Anwendung.

Die Problemstellung kann vielfältig sein. Das aufzubereitende Prozesswasser kann z.B. Öle, Feststoffe und/oder Korrosionsprodukte enthalten, die mittels Ultrafiltration entfernt werden sollen. Prozesswasserstandzeiten können so verlängert, chemische Produkte auf diese Weise eingespart und das Prozesswasser soweit aufbereitet werden, dass es den Abwassereinleitbedingungen entspricht.

Aber auch andere Anwendungen sind möglich und müssen im Einzelfall geklärt werden. Letztendlich geht es darum, die wirtschaftlichen und ökologischen Anforderungen an einen Betrieb durch Anlagentechnik zu erhöhen.

WAT stellt für Versuchszwecke zwei unterschiedliche Pilot-Ultrafiltrationsanlagen (einmal mit Hohlfasermodulen, einmal mit Keramikmodulen) zur Verfügung. Die Ultrafiltrationsanlage mit Hohlfasermodulen ist mobil auf einem Anhänger montiert. Es können UF-Permeat-Ausbeuten bis zu 95% je nach Trübstoffgehalten im Einspeisewasser erreicht werden. Die Module werden periodisch rückgespült, die Rückspülzeiten sind variabel.

Die WAT-Ultrafiltrations-Versuchsanlagen wurden schon in einigen namenhaften Firmen erfolgreich eingesetzt. Die Versuchsergebnisse haben ausschlaggebend zur Verfahrensauslegung beigetragen.

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