Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
In Anbetracht der wachsenden Weltbev\u00f6lkerung und dem exzessiven Verbrauch von S\u00fc\u00dfwasser zu industriellen und landwirtschaftlichen Zwecken, ist zunehmend Wasserknappheit zu verzeichnen. Aktuell sind 10 % der globalen Bev\u00f6lkerung der Zugang zu Trinkwasser verwehrt. Ungleich h\u00f6her, mit 28 % f\u00e4llt die Versorgung mit Zugang zu sauberem Wasser f\u00fcr die t\u00e4gliche Hygiene aus. Ziel ist es, das bisher ungenutzte Oberfl\u00e4chenwasser nutzbar zu machen. <\/p>\n
In Kooperation mit der Hochschule Magdeburg-Stendal sollte eine autarke Wasseraufbereitungsanlage konstruiert und gebaut werden, anschlie\u00dfend sollten neue Einzelkomponenten \u0096 Filter und Katalysator \u0096 hinzugef\u00fcgt werden, welche in Kombination mit einem R\u00fccksp\u00fcl- und R\u00fcckf\u00fchrungssystem die Wasserqualit\u00e4t weiter erh\u00f6hen und die Wasseraufbereitungsanlage vor l\u00e4ngeren Stillstandzeiten sch\u00fctzen. Die bisher verwendete Keramikmembran sollte durch einen Prototyp einer beschichteten Keramikmembran ersetzt werden. Diese Membran ist besonders resistent gegen Fouling und ist im Gegensatz zu gewickelten Membranen bzw. Umkehrosmosefiltern besonders langlebig. Eine Verl\u00e4ngerung der Lebensdauer sollte auch der Einsatz des Katalysators herbeif\u00fchren. Hierbei sollte das sogenannte MOL\u00aeLIK-Verfahren angewendet werden. Damit die Wasseraufbereitungsanlage besonders nachhaltig und umweltschonend ist, sollte bei dem geplanten R\u00fccksp\u00fcl- und R\u00fcckf\u00fchrungssystem darauf geachtet werden, dass diese ohne den Einsatz von Chemikalien erfolgen. Es wurde bereits w\u00e4hrend des Entwicklungsprozesses auf eine Materialwahl mit hoher Recyclingf\u00e4higkeit geachtet. <\/p>\n
Die nachgewiesene Funktionalit\u00e4t erm\u00f6glicht, dass die Wasseraufbereitungsanlage an alle Bedingungen und \u00f6kologischen Herausforderungen angepasst werden kann. Durch eine Kooperation mit der Tilia GmbH sollte die Grundlage f\u00fcr die sp\u00e4tere technologische Verwertung der Projektergebnisse erarbeitet werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Projektes steht der Fokus auf der Entwicklung und der Erprobung innovativer Technologien zur Steigerung des \u00f6kologischen und \u00f6konomischen Nutzens einer autonomen Wasseraufbereitungsanlage.
\nIm Rahmen der Projektlaufzeit sind nachfolgend die Aktivit\u00e4ten durchgef\u00fchrt wurden.<\/p>\n
Im ersten Schritt erfolgte die Konstruktion und Bau der autarken Wasseraufbereitungsanlage und die Vermessung der Anlage hinsichtlich der Druckverh\u00e4ltnisse und Wasserqualit\u00e4t. Anschlie\u00dfend erfolgte ein Dauertest mit geimpftem Wasser, um ausreichend Daten und Informationen \u00fcber den Istzustand zu erhalten.<\/p>\n
Im n\u00e4chsten Schritt wurden die Einzelkomponenten, wie beschichtete Membran und Katalysator aber auch das R\u00fccksp\u00fcl- und R\u00fcckf\u00fchrungssystems integriert und anschlie\u00dfend ausreichend getestet. <\/p>\n
Hierbei wurden insgesamt 6 Testf\u00e4lle untersucht und in entsprechenden Modifikationsschritten dokumentiert und festgehalten. Folgende Modifikationen wurden getestet:<\/p>\n
–\tErg\u00e4nzung \u0084Purification-Anlage\u0093 mit einem NF-Membranmodul
\n–\tHerausnahme UF Membranmodul und Parallel Test nur NF-Membranmodul mit UV-Desinfektion und MOL\u00aeLIK mit NF – Membranmodul mit UV- Membranmodul
\n–\tUF Membranmodul -+ Aktivkohle + UV-Desinfektion
\n–\tNF Membranmodul von inopor
\n–\tzwei NF Membranmodule parallel mit UV-Desinfektion ohne UF- Membranmodul
\n–\tUF-Membranmodul, Aktivkohle und UV-Desinfektion<\/p>\n
In der Modifikation (UF-Membranmodul, Aktivkohle und UV-Desinfektion) wurde die Reihenfolge der Desinfektion und des Aktivkohlefilters ver\u00e4ndert. Bei Eins\u00e4tzen der mobilen Purification-Anlage in entlegenen Gebieten der Welt kann es unter Umst\u00e4nden zu Fehlern in der Anordnung der beiden Schritte durch Unwissenheit der Anwender*innen kommen, sollte gepr\u00fcft werden, ob dennoch die Anforderungen an die Wasserqualit\u00e4t gem\u00e4\u00df Trinkwasserverordnung sichergestellt ist. Diese Versuche wurden kurz nach Beginn wieder au\u00dfer Betrieb gesetzt, da sich zeigte, dass der Aktivkohlefilter zu einer Wiederverkeimung und Verschlechterung der Aufbereitungsqualit\u00e4t f\u00fchrte.<\/p>\n
In jedem Modifikationsschritt wurden Proben mit vordefinierten Parametern (nach Trinkwasserverordnung) analysiert.<\/p>\n
Im weiteren Schritt wurden die Ergebnisse nach jeder Modifikation zusammengefasst und Schlussfolgerungen gezogen. <\/p>\n
In den mehrmonatigen Testbetrieben erfolgte eine ausreichende Testung der Wasseraufbereitungsanlage. <\/p>\n
Auf Grundlage der Projektergebnisse wurde seitens der Tilia GmbH eine Grundlage f\u00fcr die sp\u00e4tere technologische Verwertung der Projektergebnisse erarbeitet.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Projekt konnte nachgewiesen werden, dass die Modifikationen der bestehenden Wasseraufbereitungsanlage eine sichere Trinkwasseraufbereitung zulassen. Eine Desinfektionsstufe am Ende der Aufbereitung ist stets vorzusehen. <\/p>\n
Insgesamt existiert nun ein mobiles \u0084Purification-System\u0093, welches modular aufgebaut ist und an die jeweiligen Rohw\u00e4sser angepasst zusammengestellt werden kann. Insgesamt sind alle Anlagenteile so aufgebaut, dass sie leicht zu bedienen sind und wenig Wartungsaufwand ben\u00f6tigt wird. Au\u00dferdem muss der\/die Anlagenbetreiber*in keine gesonderte Ausbildung besitzen, sondern es reichen anwenderspezifische Einweisungen.<\/p>\n
In den mehrmonatigen Testbetrieben wurde eine stabile Reinigungsleistung erzielt, wobei diese unter den in Deutschland \u00fcblichen klimatischen Randbedingungen erfolgte. F\u00fcr den Einsatz in Klimazonen mit sehr hohen Temperaturen m\u00fcssen noch weitere Vororttests durchgef\u00fchrt werden, bevor eine sichere Trinkwasseraufbereitung nach Trinkwasserverordnung garantiert werden kann. Mikrobiologische Prozesse, die beim Fouling eine wesentliche Rolle auf Membranen spielen und bei der Lagerung von aufbereitetem Wasser bis zur Verwendung eine wesentliche Rolle spielen, sind stark temperaturabh\u00e4ngig. <\/p>\n
ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 1 \u0096 Erg\u00e4nzung \u0084Purification-Anlage\u0093 mit einem NF-Membranmodul
\nDie Integration einer NF-Stufe hat gezeigt, dass diese zu einer deutlichen Verbesserung der erreichten Wasserqualit\u00e4t f\u00fchrt als die Ausgangsanlage ohne NF-Modul. Die Abstimmung des UF-Moduls mit dem NF-Modul ist allerdings sehr schwierig und f\u00fchrt damit zu einer schlechteren Handhabbarkeit. Au\u00dferdem kann es zu Betriebsst\u00f6rungen f\u00fchren, welche insbesondere im autarken Betrieb vermieden werden sollten, um eine verl\u00e4ssliche Trinkwasserherstellung sicherstellen zu k\u00f6nnen. Die mikrobiologischen Parameter nach Trinkwasserverordnung werden in dieser Konfiguration nicht dauerhaft eingehalten. Erst durch die nachgeschaltete UV-Behandlung ist die Einhaltung aller mikrobiologischen Parameter m\u00f6glich. <\/p>\n
ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 2 \u0096 Herausnahme UF-Membranmodul und Parallel Test nur NF-Membranmodul mit UV-Desinfektion und MOL\u00aeLIK mit NF-Membranmodul mit UV-Membranmodul
\nDurch den MOL\u00aeLIK konnte der Durchfluss der NF-Stufe um durchschnittlich 25 % erh\u00f6ht werden. D. h. es k\u00f6nnen gr\u00f6\u00dfere Feedvolumenstr\u00f6me behandelt werden. Bei tr\u00fcbstoffhaltigem Wasser wird jedoch die Oberfl\u00e4che des Katalysators bedeckt, wodurch die Wirkung eingeschr\u00e4nkt wird. D. h., der Katalysator sollte nur bei W\u00e4ssern mit geringem Tr\u00fcbstoffgehalt eingesetzt werden bzw. die Tr\u00fcbstoffe m\u00fcssen vor Kontakt mit dem Katalysator entfernt worden sein. Die erreichten Aufbereitungsergebnisse ver\u00e4nderten sich durch den Katalysator nicht. Es wurden die gleichen R\u00fcckhalte erzielt. Damit macht der Katalysatoreinsatz nur Sinn, wenn ein gr\u00f6\u00dferer Feedvolumenstrom bei gleichbleibender Filterfl\u00e4che behandelt werden soll. In beiden Konfigurationen zeigte sich, dass eine nachgeschaltete UV-Behandlung notwendig ist, um sicher Trinkwasserqualit\u00e4t produzieren zu k\u00f6nnen, obwohl die NF-Stufe bereits \u00fcber 90 % auch bei der mikrobiologischen Belastung reduziert.<\/p>\n
ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 3 \u0096 UF-Membranmodul -+ Aktivkohle + UV-Desinfektion
\nDiese Konfiguration erbringt gegen\u00fcber der Ausgangsanlage eine Verbesserung der produzierten Wasserqualit\u00e4t und kann in entsprechenden Anwendungsf\u00e4llen die NF-Stufe ersetzen. Eine nachgeschaltete Desinfektion ist weiterhin notwendig, insbesondere bez\u00fcglich der mikrobiologischen Parameter.<\/p>\n
ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 4 \u0096 NF Membranmodul von inopor
\nHinsichtlich der Handhabbarkeit hat sich das NF-Membranmodul als nachteilig erwiesen, da die Keramikmembran nicht fest mit dem Geh\u00e4use verbunden ist und beim Einsetzen in das Geh\u00e4use Dichtungen eingesetzt werden m\u00fcssen. Diese m\u00fcssen als Ersatzteile vorgehalten werden und die Nutzer*innen m\u00fcssen den Einbau der Dichtungen zuverl\u00e4ssig garantieren. D. h., wenn die Dichtungen vergessen werden, ist die Wirkung des Moduls nicht mehr gegeben und es kann zu Undichtigkeiten kommen. Au\u00dferdem k\u00f6nnen die Dichtungen verschlei\u00dfen, was zu Undichtigkeiten und Wirksamkeitseinschr\u00e4nkungen der Aufbereitung f\u00fchrt.
\nDas Edelstahlgeh\u00e4use ist sehr schwer und muss mit vielen Schrauben montiert werden, was durch die unhandliche L\u00e4nge nicht trivial ist und von Unerfahrenen durchgef\u00fchrt werden kann. Beim Einbau der Membran in das Geh\u00e4use wird zwangsl\u00e4ufig die Permeatfl\u00e4che ber\u00fchrt, wodurch es zu Verunreinigungen durch Keime kommen kann. <\/p>\n
ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG Modifikation 5 \u0096 Zwei NF-Membranmodule parallel mit UV-Desinfektion ohne UF-Membranmodul
\nDurch diese Konfiguration konnte ein h\u00f6herer Feeddurchfluss erreicht werden. Das Aufbereitungsergebnis war sehr stabil. Die Laborergebnisse konnten bei beiden Feldversuchen best\u00e4tigt werden.
\nIm Projekt wurde bei der Modulform und Gr\u00f6\u00dfe festgehalten, weil auf diese alle Anschl\u00fcsse und anderen Anlagenaggregate abgestimmt sind. Au\u00dferdem kann so auch im Fall der von notwendigen Wartungen und Membranreinigungszyklen an einer der NF-Module die Wasseraufbereitung dennoch aufrechterhalten werden (Redundanz).<\/p>\n
Durch Post-Modifikation der UF-Membran (Nanostone) mit Polyelektrolyten entsteht eine keramische Nanofiltrationsmembran (NF) mit einzigartigen Trenn- und Materialeigenschaften. Das System erm\u00f6glicht die sichere Aufbereitung selbst von schwer behandelbaren Wasserressourcen (z. B. Flusswasser, Abwasser, Regenwasser) in einem Aufbereitungsschritt. Sowohl Partikeln (z. B. Mikroplastik), Bakterien und Viren, als auch gel\u00f6ste Wasserinhaltsstoffe (Organik, Salze) werden zur\u00fcckgehalten. Herk\u00f6mmliche NF-Membransysteme unterliegen grunds\u00e4tzlich dem Problem des Foulings (Partikeln, Organik, Ausf\u00e4llungen, Biofilm), d. h. dass die Membranen mit zunehmender Betriebsdauer durch Deckschichtbildung organischer sowie anorganischer Partikeln verblocken. Durch die Integration des MOL\u00aeLIK-Katalysator zeigte sich im Praxistests eine Verbesserung der Filtrationsleistung der Membranen durch konstante Filtrationsrate. Es wurden weniger Reinigungsintervalle und eine Verl\u00e4ngerung der Lebensdauer beobachtet.
\nDurch den MOL\u00aeLIK konnte au\u00dferdem der Durchfluss der NF-Stufe um durchschnittlich 25 % erh\u00f6ht werden. D. h. es k\u00f6nnen gr\u00f6\u00dfere Feedvolumenstr\u00f6me behandelt werden.<\/p>\n
Im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Umkehrosmosemembranen wird f\u00fcr den Betrieb weniger Energie ben\u00f6tigt. Es zeigt sich durch den Einsatz einer modifizierten Keramikmembran eine Vereinfachung der Wasseraufbereitung durch Umsetzung der R\u00fccksp\u00fclbarkeit und Regenerierbarkeit der NF-Trennschicht (einstufiger Prozess wegen Fouling-Resistenz). Somit entf\u00e4llt bzw. reduziert sich die Vorbehandlung des Wassers durch Mikrofiltration im Vergleich mit derzeitigen NF-Systemen (Ressourcen- & Energieeffizienz).<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Es sind folgende Ma\u00dfnahmen zur Verbreitung der Vorhabensergebnisse geplant:<\/p>\n
\u0095 Ver\u00f6ffentlichung der Ergebnisse in (inter)nationalen Fachzeitschriften und auf Konferenzen
\n\u0095 Wissenschaftliche Diskussion der Forschungsergebnisse und Know How-Transfer durch Vernetzung
\n\u0095 Beratungsf\u00e4higkeit durch Fortentwicklung\/\u00dcbertragung der Projektergebnisse auf andere technische L\u00f6sungen der mobilen Wasseraufbereitung z. B. in Kooperation mit dem Technischen Hilfswerk und dem Wasser- und Schifffahrtsamt
\n\u0095 Ver\u00f6ffentlichungen und Pr\u00e4sentation auf Messen (wie IFAT \u0096 Weltleitmesse f\u00fcr Umwelttechnologien, Hannover Messe)
\n\u0095 Ver\u00f6ffentlichungen und Pr\u00e4sentation in bestehenden Netzwerken, wie Netzwerk Technologiekompetenz Fluss-Strom, Clean River Solutions
\n\u0095 Presse und \u00d6ffentlichkeitsarbeit
\n\u0095 Transfer der Untersuchungsergebnisse in bestehenden Plattformen aus dem Bereich der Wasserwirtschaft, wie beispielsweise Maritimes Cluster Norddeutschland e. V.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Es konnte nachgewiesen werden, dass die Modifikationen eine sichere Trinkwasseraufbereitung zulassen. Insgesamt existiert nun ein mobiles \u0084Purification-System\u0093, welches modular aufgebaut ist und an die jeweiligen Rohw\u00e4sser angepasst zusammengestellt werden kann. Insgesamt sind alle Anlagenteile so aufgebaut, dass sie leicht zu bedienen sind und wenig Wartungsaufwand ben\u00f6tigt wird. Au\u00dferdem muss der\/die Anlagenbetreiber*in keine gesonderte Ausbildung besitzen, sondern es reichen anwenderspezifische Einweisungen. In den mehrmonatigen Testbetrieben wurde eine stabile Reinigungsleistung erzielt, wobei diese unter den in Deutschland \u00fcblichen klimatischen Randbedingungen erfolgte. F\u00fcr den Einsatz in Klimazonen mit sehr hohen Temperaturen m\u00fcssen noch weitere Vororttests durchgef\u00fchrt werden, bevor eine sichere Trinkwasseraufbereitung nach Trinkwasserverordnung garantiert werden kann. Mikrobiologische Prozesse, die beim Fouling eine wesentliche Rolle auf Membranen spielen und bei der Lagerung von aufbereitetem Abwasser bis zur Verwendung eine wesentliche Rolle spielen, sind stark temperaturabh\u00e4ngig. <\/p>\n
Das Zusatzmodul MOL\u00aeLIK-Katalysator hat aufgrund seines Wirkprinzips weniger Effekte auf die Reinigungsleistung als auf die m\u00f6gliche zu behandelnde Feedmenge und damit auf die notwendige Membranfl\u00e4che. Signifikant l\u00e4ngere Standzeiten konnten nicht nachgewiesen werden. <\/p>\n
Die Anlage wurde so konfiguriert, dass ein autarker Betrieb prinzipiell m\u00f6glich ist, wenn regenerative Energien an der Anlage direkt erzeugt und verbraucht werden kann. Die modulare Gestaltung und der Einsatz unkomplizierter Anlagenaggregate und die auf ein Minimum reduzierte Steuerung und Regelung und Integration von sicherheitstechnischen Einrichtungen (z. B. eigenst\u00e4ndige Notabschaltung bei zu hohem Anlagendruck) f\u00fchren zu einer wartungsarmen Anlage, die nur wenige Eingriffe von au\u00dfen ben\u00f6tigt. Diese sind derart, dass es nur geschultes aber kein besonders ausgebildetes Personal ben\u00f6tigt. Insgesamt handelt es sich um eine Low-Cost-Anlage, die durch ihre Modularit\u00e4t und den m\u00f6glichen Adaptionen f\u00fcr weitere Anwendungsm\u00f6glichkeiten in Frage kommen und somit ein breites Anwendungsspektrum abdecken kann.<\/p>\n
Das modifizierte Wasseraufbereitungssystem kann nahezu alle Oberfl\u00e4chenw\u00e4sser aufbereiten, die chemisch unbedenklich sind. Ihre St\u00e4rken liegen hierbei in den Bereichen der flexiblen Anwendung, da es ihre modulare Bauweise erm\u00f6glicht, sich an die verschiedenen Anforderungen der Wasseraufbereitung anzupassen<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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