Neue Möglichkeit zur Wasser- und Grauwasseraufbereitung

27.06.2012

Neue Möglichkeit zur Aufbereitung, Hygienisierung und Wiederverwendung von Grauwasser, Seewasser, Grundwasser sowie Abwasser durch Membranfiltration mit bis zu 10 Jahren Standzeit für die Membranen und einem Energiebedarf von unter 2,5 kWh / m³.

Die Notwendigkeit aber auch Möglichkeiten, erhebliche Mengen Trinkwasser einzusparen, haben sich in den letzten Jahren stark weiter entwickelt. Neben selbstverständlichen Maßnahmen, wie sparsame Armarturen und einfach weniger Wasser zu verwenden, geht es selbstverständlich nicht mehr ohne die Aufbereitung von bereits verwendetem, besser gesagt, verschmutztem Wasser. Hier kann das Brauchwasser problemlos anstelle des Trinkwassers verwendet werden:
  • Toilettenspülung, Bewässerung, Reinigungszwecke, Waschmaschine, Kühlung, gewerbliche Anwendungen etc...
  • Einfamilienhäuser, Mehrfamilienhäuser, Sporthallen, Öffentliche Gebäude, Industrieobjekte etc...
 
Gewonnen werden kann das Brauchwasser aus zahlreichen Wasserquellen:
  • Grauwasser aus Haushalten, Ablaufwasser aus Kleinkläranlagen, Oberflächenwasser, Grundwasser, gewerbliches Abwasser etc...
 

Die Wasseraufbereitung und Wiederverwendung bringt ein ganzes Bündel von Vorteilen mit sich:

Vorteile für den Verbraucher:
  • Einsparung von steigenden Trinkwasser- und Abwassergebühren, Unabhängigkeit vom Wasserversorger, regelmäßiger Ertrag, teilweise sichere Wasserqualität
 
Vorteile für Kommunen:
  • Verringerung der Ausgaben für den Hochwasserschutz/ Hochwasservermeidung, Senkung der Kosten im Kanalbau, Kanalsanierung und im Kläranlagenbetrieb, Einsparungspotenzial bei den Erschließungskosten von Neubaugebieten, Sicherung des Grundwasservorrates und somit der Trinkwasserversorgung
 
Dass die riesigen Potentiale für die dezentrale Wasseraufbereitung noch nicht ausgenutzt werden, liegt unter anderem daran, dass die sicheren, existierenden Technologien zur Wasseraufbereitung zu teuer in der Anschaffung und im Unterhalt sind. Noch leistungsfähigere, einfachere und preiswertere Wasseraufbereitungsverfahren werden also benötigt.
 
Damit die Wasseraufbereitungssysteme sowohl von den Endverbrauchern, als auch von den Kommunen und Ländern akzeptiert werden, müssen sie allerdings hohe Mindestanforderungen an die Wasserqualität erfüllen und es dürfen keine Gesundheitsgefährdungen von diesen Systemen ausgehen:
 
Anforderungen vom Markt nach Prioritäten geordnet:
  1. keine Feststoffe (Schutz der Armarturen, kein Geruch, geringe Trübung (Klarheit)
  2. DIN 19650 Qualitätsanforderungen für Bewässerungswasser
  3. geringe bakterielle Belastung, entsprechend der EU Badewasserrichtlinie
  4. USA, UK (BSRIA) non detectable coliform level
  5. Mindestchloranteil (USA, CA + andere Länder)
  6. entsprechend EU Trinkwasserverordnung
 
Geht man bei der organischen Belastung und bei den abfiltrierbaren Stoffen von den weltweit höchsten Standards aus, so hat das Brauchwasser folgende Qualitätsparameter zu erfüllen:
  • BOD5 / BSB < 5mg/l
  • TSS / AFS Abfiltrierbare Stoffe < 10mg/l
  • Escherichia Coli nicht nachweisbar / 100 ml
  • Gesamtcoliforme Keime nicht nachweisbar / 100 ml
 
In den Ländern Canada, USA und Japan wird zudem bei der Wasseraufbereitung zu Brauchwasser ein Mindestchlorgehalt (>=0,5 mg/l ) vorgeschrieben.
 
Als vielversprechendes Verfahren, hygienisch einwandfreies Wasser zu liefern, hat sich in den letzten Jahren die Membrantechnik etabliert. Bei der Membranfiltration werden, ähnlich wie bei einem Sieb, abhängig von den Membranporen, feinste Partikel bis hin zu gelösten Stoffen, sowie Bakterien und Viren herausgefiltert. Hierzu werden Membranen mit Porenweiten von 0,1 bis 1 um eingesetzt.
 
Oft genannte Nachteile der Membranfiltration sind bislang:
  • hoher Energieverbrauch durch benötigten Differenzdruck > 1 bar
  • Membranfouling erhöht den notwendigen Differenzdruck
  • Fette und Öle verstopfen die Membran
  • begrenzter Rückspüldruck bei Plattenmembranen
  • hoher Wartungsaufwand infolge spezieller, chemischer Reinigung durch Fachpersonal
  • geringe Membranstandzeiten
  • hoher Preis der Membranfilter
 
Durch eine Optimierung der Vorfilterung , des biologischen Abbaus und eine neue Membrantechnologie können auf einfache Weise die meisten Probleme gelöst werden. Dies wird am folgenden Anwendungsbeispiel erläutert:
 

Vorfilterung und biologischer Abbau

In einem von oben entnehmbaren Filterkorb werden Schmutzpartikel größer als 1 mm zurück gehalten. Die integrierte Rückstauklappe verhindert das Eindringen von Rückstauwasser, Kleintieren und Mosquitolarven aus dem Überlauf zurück in den Speicher.
 
Nach der Grobfiltration gelangt das Wasser sofort in den im gleichen Speicher befindlichen Membranbioreaktor. Hier findet ein kontinuierlicher, biologischer Abbau im sogenannten belüfteten Wirbelbett durch Bakterien statt. Diese siedeln sich nach wenigen Wochen Anlaufzeit automatisch auf den Füllkörpern, speziellen Schwebekörpern mit großer Oberfläche, an. Die erforderliche Luft stammt dabei aus der Membranstation und sorgt für die optimale Sauerstoffversorgung. Bei Kleinkläranlagen wird diese Technologie seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Durch die Bewegung der Schwebekörper und ihre besondere Geometrie werden sie automatisch von überschüssigem Schlamm gereinigt und bleiben somit quasi wartungsfrei.
 
Die abgestorbene Biomasse wird regelmäßig über den Saugüberlauf des AQUALOOP Vorfilters in den Überlauf befördert. Hierzu wird die Entnahme aus dem Klarwasserspeicher in regelmäßigen Abständen unterbrochen, um einen Überlauf zu erzwingen. Hat der Saugüberlauf seine maximale Kapazität erreicht, läuft das Wasser über den integrierten Skimmer über und reinigt so die Wasseroberfläche von schwimmender Verschmutzung (Schaum, Fett, Öl ). Dies führt zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Wasserqualität im Speicher. Bis auf eine regelmäßige, manuelle Entleerung des Filters ist die Technik wartungsfrei und kostengünstig in der Herstellung.
 

Membranfiltration

Im Anwendungsbeispiel werden die Membranen auf einer Art Station montiert. Die eingebaute Saugpumpe saugt das Wasser gleichmäßig durch die Membranen und fördert es durch den Permeatschlauch in den Klarwasserbehälter. Um dauerhaft einen hohen Durchfluss zu garantieren, wird die Membran automatisch über eine integrierte Rückspülpumpe in regelmäßigen Zeitabständen zurück gespült. Das erforderliche Rückspülvolumen nimmt sich die Anlage aus dem Rückspülbehälter, der sich oberhalb der Pumpe befindet. Zudem wird die Membran periodisch mit Luft durchströmt, um die Fasern von Ablagerungen zu befreien. Hierzu verfügt die Membranstation über einen Schlauchanschluss, an den ein Gebläse angeschlossen wird. Die Luft wird über einen Anschlussverteiler mit symmetrischen Anschlüssen gleichmäßig auf die angeschlossenen Membranen verteilt und versorgt gleichzeitig den Bioreaktor mit Sauerstoff. Bei größeren Wasseraufbereitungsanlagen werden mehrere Membranstationen parallel geschaltet.
 
Zu jeder Membranstation gehört eine Steuerung. Diese steuert vollautomatisch die Wasseraufbereitungs-Anlage. Von einem beleuchteten LCD Display können bequem die Betriebszustände abgelesen werden. Die Steuerung verfügt über:
  • Integrierte Stromregelung der Pumpen in Abhängigkeit der Membrananzahl zur Leistungseinsparung und Lebensdauererhöhung
  • intelligente Steuerung passt die Fördermenge zur Stromeinsparung an den Bedarf an
  • automatischer Rückspülmodus für wartungsarmen Betrieb
  • automatische Schlammentsorgung zur Minimierung der Wartung
 
Zur Reinigung werden spezielle organische Fasern für die Ultra- und Mikrofiltration zur Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung eingesetzt. Grundprinzip dieser Filtration ist die Nutzung poröser organischer Hohlfasermembranen mit Mikroporen als Filtermedium. Die Fasern haben einen Außendurchmesser von weniger als 1 mm. Um eine ausreichende Oberfläche zu erhalten und einen konstanten Durchfluss zu gewähren, werden hunderte von Fasern zu Bündeln zusammengefasst und um ein Modul gewickelt. Auf eine regelmäßige chemische Reinigung kann verzichtet werden. Vorteile der neuen Membran sind:
  • Die Membranfasern sind permanent hydrophil, dadurch sind sie sofort funktionsfähig wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, Austrocknen schädigt die Membran nicht
  • Rückspülbar mit bis zu 3 bar
  • spezielle Zusätze in der PE Membran verhindern ein Aufwachsen von Mikroorganismen, Suppression 99,97% gemäß Japan Norm JIS Z 2801
  • Die Membran ist beständig gegenüber saure, alkalische sowie chlorhaltiger Reinigungsmittel Da mit sehr großen Membranoberflächen gearbeitet wird, sind die Druckdifferenzen und der benötigte Energiebedarf zur Filterung gering. Musteranlagen ergaben einen Energieverbrauich von unter 2,5 kWh/m³. Die erwartete Standzeit einer Membran beträgt nun bis zu 10 Jahren im Vergleich zu 2 Jahren bei herkömmlicher Technik.
 

Zusammenfassung:

Obwohl die Membranfilterung immer eine hygienisch einwandfreie Wasserqualität liefert, wird sie bei der Aufbereitung z.B. von Grauwasser zur Wiederverwendung als Brauchwasser in Haushalten bislang wenig eingesetzt. Grund dafür sind die bislang hohen Anschaffungs- und Wartungskosten. Ein neues Verfahren bietet jedoch Abhilfe. Bei diesem Verfahren wird organisch stärker belastetes Wasser zunächst mit einem Vorfilter mechanisch und biologisch im Wirbelbett aufbereitet. Der Vorfilter beinhaltet in einem Bauteil weitere Reinigungsfunktionen, wie Absaugen von Bodensediment und gleichzeitig Oberflächenschmutz. Das vorgereinigte Wasser wird anschließend durch spezielle Hohlfasermembranen gereinigt. Die Kombination von Membranoberfläche, Material, Rückspülung und Luftreinigung führt zu einer Standzeit von bis zu 10 Jahren.
 
Das neue Verfahren ermöglicht es die riesigen Wasserpotentiale gleichermaßen kostengünstig als auch hygienisch einwandfrei für die weitere Nutzung aufzubereiten. 

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