Im Rahmen einer Pilotierung lieferten NF-Hohlfasermembranen einen hohen Sulfatrückhalt bei Betrieb mit einem sehr harten Brunnenwasser ohne den Einsatz von Antiscalants.
Die Wassergewinnung Würzburg-Estenfeld GmbH (WW-E) fördert Grundwasser zur Bereitstellung von Trinkwasser für den Versorgungsbereich Würzburg-Estenfeld. Das sehr harte (ca. 50 °dH) Grundwasser wird aus zwei Brunnen gewonnen. Die Sulfatkonzentration liegt deutlich über 500 mg/L und damit weit über dem Grenzwert gemäß TrinkwV von 250 mg/L. Zur Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben muss daher vor der Einspeisung als Trinkwasser eine Zumischung von Fremdwasser erfolgen. Für den Versorgungsbereich der Stadt Würzburg wurde vom zuständigen Gesundheitsamt eine Ausnahmegenehmigung erteilt, die Sulfatkonzentrationen im Trinkwasser von bis zu 500 mg/L erlaubt.
Im Rahmen von Pilotversuchen zur Ermittlung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten der Sulfatentfernung mittels Niederdruckumkehrosmose (LPRO) wurde festgestellt, dass die beiden Brunnenwässer neben einer hohen Härte und hohen Sulfatgehalten zeitweise auch erhöhte Trübstoffgehalte aufweisen. Die WW-E muss deshalb regelmäßige Spülungen der Brunnen durchführen und die beiden Kammern des HB Heiligenholz in vergleichsweise kurzen Zeitabständen reinigen. Um die Brunnenwässer uneingeschränkt nutzen zu können, ist die Planung einer großtechnischen UF-Anlage in Vorbereitung. Die verfahrenstechnischen Kenngrößen für die Auslegung der UF-Anlage wurden im Rahmen einer Pilotierung im Zeitraum von März bis Oktober 2018 ermittelt.
Da die WW-E weiterhin die verfahrenstechnischen Möglichkeiten der Sulfatentfernung prüft, hat das TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser in Karlsruhe (TZW) vorgeschlagen, eine Pilotierung mit einem innovativen Verfahren der direkten Nanofiltration über Hohlfaser-Membranen durchzuführen, mit dem Sulfat ohne den Einsatz von Antiscalants mit hohem Rückhalt entfernt werden kann. Der zu untersuchende Modultyp ist auch geeignet, Trübstoffe zu entfernen. Somit könnten beide Aufgaben, die Trübstoffentfernung und die Sulfatentfernung, mit einem System erreicht werden. Ein weiterer Vorteil wäre der Antiscalant-freie Betrieb, der das Problem der Konzentratentsorgung am Standort deutlich vereinfachen könnte.
Die eingesetzten Hohlfasermembranen sind Membranen der Ultrafiltration, die durch das sogenannte Layer-by-Layer-Verfahren mit abwechselnden Schichten aus Polykationen und Polyanionen belegt werden, um Nanofiltrationseigenschaften zu erreichen. Diese Membranen können zweiwertige Ionen sehr gut zurückhalten, während sie für einwertige Ionen nur eine geringe Rückhaltung aufweisen. Auch hinsichtlich unterschiedlicher organischer Wasserinhaltsstoffe weisen sie ein hohes Rückhaltevermögen auf.
NX Filtration hat für die Pilotierung am Brunnenstandort in Estenfeld eine Pilotanlage mit einem NF-Modul zur Verfügung gestellt, wie es auch in Großanlagen zum Einsatz kommt. Die Anlage ist in einem 20 Fuß-Container untergebracht und per Fernsteuerung bedienbar, sodass Prozessparameter unmittelbar verändert werden können. Das Modul mit 43 m² Membranfläche wurde für etwa 6 Monate im Feed-and-Bleed-Modus betrieben, wobei der Anlage etwa 1,2 m³/h Brunnenwasser zugeführt wurden und kontinuierlich etwa 0,9 m³/h Permeat und 0,3 m³/h Konzentrat anfielen. Über der Membranoberfläche wurde eine tangentiale Überströmung aufrechterhalten (Rezirkulation von ca. 4-5 m³/h über das Modul), um damit die Auswirkungen der Konzentrationspolarisation (KP) zu minimieren. Die KP-Schicht entsteht aufgrund des Rückhalts der zweiwertigen Wasserinhaltsstoffe (Calcium, Magnesium, Sulfat) an der Membranoberfläche. Je weniger Überströmung (Crossflow) vorhanden ist, desto dicker wird die Schicht, was sich unmittelbar negativ auf den Rückhalt auswirkt. Im Rahmen der Pilotierung wurden die Einflussgrößen, wie Crossflow, Ausbeute und Flächenbelastung systematisch untersucht und Analysen der Teilströme durchgeführt.
Während der gesamten Pilotierungsdauer wurde kein Antiscalant dosiert. Das Ziel der Verminderung der Sulfatkonzentration wurde in jeder getesteten Einstellung voll erfüllt mit einem Durchschnittwert von < 100 mg/L Sulfat im Permeat. Während der einzelnen Versuchsreihen unter konstanten Bedingungen war keine Abnahme der Permeabilität zu beobachten. Da die Ausbeute schrittweise erhöht wurde, konnte über die gesamte Betriebszeit eine leichte Abnahme der Permeabilität beobachtet werden, die mit dem Anstieg des osmotischen Druckes zusammenhängen könnte, aber auch auf Scalingeffekte hindeuten kann. Eine chemische Reinigung war jedoch nicht erforderlich.
Veröffentlichung:
Lipp, P.; Janietz, O.; Sewerin, T.: Antiscalantfreier Betrieb von Hohlfaser-Nanofiltrationsmembranen zur Sulfatentfernung aus einem Grundwasser – Ergebnisse einer Pilotierung. Beitrag zur 15. Aachener Tagung am 25. und 26. Oktober 2023
