Koagulation bei Trinkwasseraufbereitung (In-Line-Koagulation für die Aufbereitung von Trinkwasser mittels Membranfiltration)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 305.30.09

Schlüsselwörter (Deutsch)

Trinkwasseraufbereitung, natürliches organisches Material, Membranfiltration, Ultrafiltration, Membranfouling, Koagulation, Fällungsmittel

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Beim mikrobiellen Abbau von biogenen Substanzen im Boden und im Wasser entsteht natürliches organisches Material (NOM). Dieses kann zu Problemen bei der Trinkwasseraufbereitung führen, weil es die Wasserqualität und das Funktionieren von Wasseraufbereitungsanlagen beeinträchtigen kann.

Zur Aufbereitung von Trinkwasser aus Quell- und Oberflächengewässern wurde in den letzten Jahren vermehrt die Membranfiltrationstechnik, insbesondere die Ultrafiltration, eingesetzt. Durch Zudosierung eines Fällungsmittels in einer Vorstufe (In-Line-Koagulation mit Fällungsmitteln wie Eisenchlorid oder Polyaluminiumchlorid) kann das Membranfouling, das bei Ultrafiltrations-Membranen durch hohe NOM-Konzentrationen ausgelöst wird, verhindert werden. Mittels LC-OCD-Analysen sollen in diesem Projekt die einzelnen NOM-Fraktionen aufgetrennt und charakterisiert werden, damit ein zweckmässiges System zur Messung der Rohwasserqualität für die optimale Regelung der Fällmitteldosierung entwickelt werden kann.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1 Automatik-Modul für die ereignis- und bedarfsabhängige Steuerung der Hilfsmitteldosierung über Parameter der Rohwasser-Qualität (Trübung (NTU), UV-Absorption SAK 254 nm) und/oder definierter Permeabilitätsverlust pro Zeiteinheit

2 Optimierte Hilfsmittel-Dosierung (Art und Konzentration des Fällungsmittels, der Pulverkohle, Reaktionszeiten)

3 Resultate zur Einsatzmöglichkeit von spezifischen Fällmitteln für unterschiedliche NOM-Fraktionen

4 Analyse der mikrobiologischen Prozesse, die zum Fouling der Membranen führen

5 Angaben zur sinnvollen Behandlung des Ultrafiltrations-Konzentrats bei zugeschalteter Hilfsmitteldosierung

6 Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.5

7 Bereitstellung von Textbausteinen und Illustrationen für die Erstellung eines Publikums-Factsheets

8 Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Projektziele (Deutsch)

In diesem Projekt soll durch die Zuschaltung einer Flockungs- resp. Fällungsstufe (Koagulation) eine verfahrenstechnische Optimierung bei Ultrafiltrations-Membranen entwickelt werden, mit der Permeabilitätsverluste bei der Trinkwasseraufbereitung von NOM-haltigen Karstquell- und Oberflächengewässer vermieden werden können.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Das Verfahren der Ultrafiltration (UF) mit Membranen eignet sich hervorragend, um aus Quell- und Oberflächenwasser, das trüb und mit Keimen belastet ist, Trinkwasser zu erzeugen. Auf grosstechnischen UF-Anlagen für die kommunale Versorgung kommt es vor, dass die Durchlässigkeit der feinporigen Membranen nach Stossbelastungen mit gelösten organischen Stoffen vorübergehend stark nachlässt. Die Belastungen treten nach Sommergewittern oder zur Zeit der Schneeschmelze v.a. bei Karst- und Kluftquellen auf. Fällungsmittel, die in der Wasseraufbereitung verbreitet eingesetzt werden, können den Effekt bereits bei geringen Einsatzmengen stark vermindern, wenn sie dem Rohwasser kurz vor der Filteranlage beigemischt werden. Zu deutlich höheren Kosten kann dies auch mit pulverförmiger Aktivkohle (PAK) erreicht werden.

Mit den Methoden der speziellen Flüssig-Chromatografie (LC-OCD: Liquid Chromatography – Organic Carbon Detection) und der Bestimmung eines Index für die Verstopfungsgefahr der UF-Membran (MFI: Modified Fouling Index) konnte im Projekt Folgendes erreicht werden:

-       die Einstufung verschiedener Rohwässer hinsichtlich der Machbarkeit einer Aufbereitung mit Ultrafiltration,

-       eine Klassierung der Rohwässer zwecks einer passenden Dimensionierung des UF-Filters,

-       die Auswahl geeigneter Fällungsmittel oder Pulverkohlen mit ihrer Anwendungsdosis,

-       das Verständnis der chemisch-physikalischen Mechanismen im Zusammenspiel der Wasserinhaltsstoffe, der Filtermembran und des Fällungsmittels,

-       die Konzeption eines Steuermoduls, das im Bedarfsfall eine minimale Hilfsmittelzugabe aufgrund von gemessenen Rohwasserparametern einstellt,

-       eine verbesserte Verfügbarkeit und Aufbereitungsleistung bestehender UF-Anlagen.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Membranverfahren benötigen bei einer besseren Abtrennung von Keimen und Trübung geringere Mengen an chemischen Betriebsmitteln als herkömmliche Tiefenfilter-Verfahren wie Schnellsandfilter. Der Einsatzbereich von UF-Membranen kann durch die trübungsgesteuerte Zugabe Metalloxid-haltiger Fällmittel (in Konzentrationen von 5 bis 10 mg/L, bezogen auf die Aktivsubstanzen) auf Quellwässer mit relativ hohen Belastungen an gelösten organischen Stoffen ausgedehnt werden.

 

Die Fällungsmittel wirken nicht nur über die Bildung von Mikroflocken, die an der Membran abgetrennt werden, sondern bilden selbst eine zusätzliche, vor Verstopfung schützende Schicht auf der Membran. Es gibt auch Hinweise auf eine verbesserte Wirksamkeit von Pulverkohle bei der Abtrennung von Mikroverunreinigungen, wenn sie in Kombination mit Fällungsmitteln und Membranverfahren – auch im Abwasserbereich - eingesetzt wird.

 

Mit der entwickelten Kombination von Methoden kann in Zukunft abgeschätzt werden, ob eine neue Ultrafiltration machbar ist und wie sie dimensioniert werden muss. Mit dem entwickelten Steuermodul können die Anlagen im Betrieb vor den Stossbelastungen mit organischen Stoffen besser geschützt werden. Bestehende Anlagen, deren Verfügbarkeit in solchen Fällen eingeschränkt ist, können nachgerüstet werden. Somit kann im Vergleich zu herkömmlichen Aufbereitungsverfahren insgesamt der Eintrag von chemischen Betriebsmitteln in die Umwelt verringert werden.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

1. Die Methoden werden standardmässig eingesetzt, um das UF-Verfahren für einen bestimmten Anwendungsfall validieren und dimensionieren zu können,
2. Das Steuerungsmodul wird eingesetzt, wenn ein Schutz vor organischen Stossbelastungen erforderlich ist (bisher 4 Anlagen mit 25 bis 210 m³/h Aufbereitungsleistung),
3. Die Bildung des Schutzfilms durch das Fällungsmittel sollte zwecks weiterer Optimierung der Einsatzkonzentrationen und hinsichtlich der Anwendung in Kombination mit Pulverkohle (PAK) besser untersucht werden.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

-       Vortrag am EAWAG-Seminar November 2010

-       Klahre, Bitz, Traber und Pronk (2010): Ultrafiltration von Kartsquellen. GWA 1/2010, S. 23 – 29

-       Pronk et al., IWA Konferenz Aachen 2011: Abstract und Posterpräsentation