Die zunehmende Wasserknappheit infolge von Klimawandel, Bev\u00c3\u00b6lkerungswachstum und steigenden urbanen Wasserbedarfen hat viele Regionen an die Grenzen ihrer konventionellen S\u00c3\u00bc\u00c3\u0178wasserressourcen gebracht. Vor diesem Hintergrund wird kommunales Abwasser zunehmend als eine verl\u00c3\u00a4ssliche und lokal verf\u00c3\u00bcgbare Ressource f\u00c3\u00bcr die nicht-trinkwasserbezogene oder indirekte Trinkwasserwiederverwendung anerkannt. Gro\u00c3\u0178technische Anlagen, beispielsweise in Singapur, Kalifornien und Australien, haben gezeigt, dass fortgeschrittene Aufbereitungsanlagen dauerhaft Wasser von hoher Qualit\u00c3\u00a4t erzeugen k\u00c3\u00b6nnen, das strengen Trinkwasserrichtlinien entspricht. Das NEWater-Programm in Singapur stellt ein prominentes Beispiel dar, bei dem biologisch behandeltes kommunales Abwasser durch weitergehende Aufbereitung, einschlie\u00c3\u0178lich Membranfiltration und Desinfektion, gereinigt wird und anschlie\u00c3\u0178end vorwiegend industriell genutzt sowie als indirekte Trinkwasserressource durch die Einspeisung in Oberfl\u00c3\u00a4chenwasserspeicher eingesetzt wird, bevor eine konventionelle Trinkwasseraufbereitung erfolgt. Diese Umsetzungen verdeutlichen, dass die Trinkwasserwiederverwendung keine theoretische Option mehr darstellt, sondern eine praktikable und skalierbare Strategie zur Schlie\u00c3\u0178ung des urbanen Wasserkreislaufs ist.<\/p>\n
Im Zentrum solcher fortgeschrittenen Aufbereitungsanlagen stehen membranbasierte Trennverfahren. Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) werden typischerweise als Vorbehandlungsstufen eingesetzt, um Partikel, Kolloide und Biomasse zu entfernen und dadurch den nachgeschalteten Betrieb zu stabilisieren. Energieeffizientere Konfigurationen integrieren biologische Behandlung und Membrantrennung in Membranbioreaktoren (MBR), bei denen MF oder UF konventionelle Nachkl\u00c3\u00a4rbecken ersetzen und ein Effluent mit geringer Tr\u00c3\u00bcbung sowie deutlich reduzierten Gehalten an suspendierten Feststoffen und organischen Verunreinigungen erzeugen. Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) fungieren anschlie\u00c3\u0178end als dichte Membranbarrieren und erm\u00c3\u00b6glichen eine hohe R\u00c3\u00bcckhaltung gel\u00c3\u00b6ster Salze, eines gro\u00c3\u0178en Anteils gel\u00c3\u00b6ster organischer Stoffe sowie einer Vielzahl organischer Spurenstoffe wie Pharmazeutika und Industriechemikalien. Wenn diese Prozesse auf physikalischer Trennung und nicht auf chemischer Umwandlung beruhen, k\u00c3\u00b6nnen sie prinzipiell eine robuste und potenziell gut vorhersagbare Leistung \u00c3\u00bcber lange Zeitr\u00c3\u00a4ume bieten, was f\u00c3\u00bcr die regulatorische Zulassung und die gesellschaftliche Akzeptanz von Trinkwasserwiederverwendungskonzepten von zentraler Bedeutung ist.<\/p>\n
W\u00c3\u00a4hrend Niederdruckmembranen wie MF und UF mittlerweile weit verbreitet in Systemen zur Abwasserwiederverwendung eingesetzt werden, finden sie \u00c3\u00bcberwiegend Anwendung f\u00c3\u00bcr nicht-trinkwasserbezogene Zwecke, beispielsweise in der landwirtschaftlichen Bew\u00c3\u00a4sserung, bei denen die Entfernung von suspendierten Feststoffen, organischen Verunreinigungen und Pathogenen ausreichend ist. Im Gegensatz dazu nutzt oder untersucht bislang nur ein vergleichsweise kleiner Anteil der weltweiten Wiederverwendungssysteme dichte Membranen wie NF oder RO als abschlie\u00c3\u0178ende Polierstufe zur Herstellung von Wasser f\u00c3\u00bcr die indirekte oder direkte Trinkwasserwiederverwendung oder f\u00c3\u00bcr andere Anwendungen mit sehr hohen Qualit\u00c3\u00a4tsanforderungen. Trotz ihrer F\u00c3\u00a4higkeit, in vielen Systemen mehr als 90 % des gel\u00c3\u00b6sten organischen Kohlenstoffs zur\u00c3\u00bcckzuhalten, wurde wiederholt gezeigt, dass RO- und NF-Membranen assimilierbaren organischen Kohlenstoff sowie niedermolekulare organische Verbindungen nicht vollst\u00c3\u00a4ndig entfernen. Der verbleibende Durchtritt dieser niedermolekularen, biologisch abbaubaren Fraktionen beeintr\u00c3\u00a4chtigt nachweislich die biologische Stabilit\u00c3\u00a4t in nachgeschalteter Speicherung und Verteilung und reduziert damit die Sicherheitsreserve von Wiederverwendungssystemen. Ein vertieftes Verst\u00c3\u00a4ndnis des Transmissionsverhaltens niedermolekularer organischer Substanzen durch dichte Membranen sowie der Faktoren, die deren partielle R\u00c3\u00bcckhaltung bestimmen, ist daher von hoher Relevanz f\u00c3\u00bcr die Verbesserung von Auslegung und Betrieb hochwertiger Abwasserwiederverwendungssysteme auf Basis von NF und RO.<\/p>\n
Demgegen\u00c3\u00bcber unterscheiden sich abwasserbasierte Zulaufw\u00c3\u00a4sser grundlegend von Meerwasser \u00e2\u20ac\u201c nicht nur hinsichtlich der Salinit\u00c3\u00a4t, sondern auch in der Art und Weise, wie organische Stoffe verarbeitet werden, bevor sie die membranbasierte Polierstufe erreichen. Nat\u00c3\u00bcrliche organische Substanz (NOM), die in eine Abwasserbehandlungsanlage gelangt, wird biologischen Umwandlungsprozessen in aeroben und\/oder anaeroben Verfahren unterzogen, wie sie in den meisten L\u00c3\u00a4ndern angewendet werden. W\u00c3\u00a4hrend dieser Prozesse wird die influente organische Substanz transformiert, abgebaut und teilweise zu l\u00c3\u00b6slichen mikrobiellen Produkten (SMP) resynthetisiert, sodass die organische Matrix des Effluents eine komplexe Mischung aus verbleibender nat\u00c3\u00bcrlicher organischer Substanz und biomasseabgeleiteten Fraktionen darstellt. Unterschiedliche biologische Behandlungskonfigurationen \u00e2\u20ac\u201c wie konventioneller Belebtschlamm (AS), aerober Granulatschlamm (AGS), MBR oder andere fortgeschrittene Verfahren \u00e2\u20ac\u201c k\u00c3\u00b6nnen daher selbst bei der Behandlung \u00c3\u00a4hnlicher influenter Abw\u00c3\u00a4sser deutlich unterschiedliche Zusammensetzungen der organischen gel\u00c3\u00b6sten Stoffe im Effluent erzeugen, bedingt durch Unterschiede in biologischen Abbaupfaden und Biomasseumsatz. Da die Salinit\u00c3\u00a4t dieser Effluente typischerweise um ein bis zwei Gr\u00c3\u00b6\u00c3\u0178enordnungen niedriger ist als die von Meerwasser, wird das Verhalten niedermolekularer organischer Stoffe und biologisch abbaubarer Fraktionen zu einem ma\u00c3\u0178geblichen Treiber sowohl der Permeatqualit\u00c3\u00a4t als auch der Fouling-Entwicklung. Ein Verst\u00c3\u00a4ndnis daf\u00c3\u00bcr, wie die vorgeschaltete biologische Behandlung Menge, Qualit\u00c3\u00a4t und Biodegradierbarkeit der organischen Stoffe im Effluent bestimmt und wie diese wiederum das Fouling- und Reinigungsverhalten nachgeschalteter dichter Membranen beeinflussen, ist daher entscheidend, um die Robustheit und Vorhersagbarkeit membranbasierter Abwasserwiederverwendungssysteme zu verbessern.<\/p>\n
Biologisch abbaubare organische Stoffe und niedermolekulare Verbindungen, die w\u00c3\u00a4hrend der biologischen Behandlung gebildet oder transformiert werden, stellen zugleich Substrate dar, die die Biofilmbildung in den Zulaufkan\u00c3\u00a4len von Membranen f\u00c3\u00b6rdern. Biofouling gilt weithin als eine der wesentlichen Limitierungen beim Betrieb dichter Membranen, wobei ein Gro\u00c3\u0178teil des konzeptionellen Verst\u00c3\u00a4ndnisses aus der Meerwasser- oder Brackwasserentsalzung stammt. In der Meerwasser-RO wurde die biofilmverst\u00c3\u00a4rkte Konzentrationspolarisation (BECP) als dominanter Mechanismus identifiziert: Biofilme erh\u00c3\u00b6hen lokal die Salzkonzentration an der Membranoberfl\u00c3\u00a4che, wodurch der osmotische Druck steigt, ein h\u00c3\u00b6herer Betriebsdruck erforderlich wird und letztlich der Durchtritt anorganischer Salze zunimmt. Zus\u00c3\u00a4tzlich werden routinem\u00c3\u00a4\u00c3\u0178ig Antiscalants dosiert, um anorganische Ausf\u00c3\u00a4llungen zu verhindern; viele dieser Formulierungen sind zumindest teilweise biologisch abbaubar und k\u00c3\u00b6nnen somit eine zus\u00c3\u00a4tzliche Kohlenstoffquelle darstellen, die die Biofilmentwicklung weiter.\u00c2\u00a0 In der Abwasserwiederverwendung f\u00c3\u00bchrt der deutlich geringere Gehalt an anorganischen Salzen dazu, dass BECP im Vergleich zu Meerwassersystemen als weniger ausgepr\u00c3\u00a4gt anzunehmen ist. Dar\u00c3\u00bcber hinaus zeigten Modellierungsstudien von Radu et al. (2012), dass die metabolische Aktivit\u00c3\u00a4t innerhalb des Biofilms und der damit verbundene Substratverbrauch die Konzentrationspolarisation biologisch abbaubarer organischer Substrate dominieren k\u00c3\u00b6nnen. W\u00c3\u00a4hrend solche Prozesse in der Meerwasser-RO vor dem Hintergrund hoher Ionenst\u00c3\u00a4rken und eines \u00c3\u00bcberwiegend anorganischen Stofftransports ablaufen, interagieren sie in der Abwasserwiederverwendung mit einer grundlegend anderen organischen Effluentmatrix. Entsalzungsbasierte Interpretationen des Biofoulings \u00e2\u20ac\u201c unabh\u00c3\u00a4ngig davon, ob sie sich auf BECP oder auf metabolische Prozesse fokussieren \u00e2\u20ac\u201c erfassen daher m\u00c3\u00b6glicherweise nur teilweise die Mechanismen, die die hydraulische Leistung und die Wasserqualit\u00c3\u00a4t bei der dichten Membranfiltration f\u00c3\u00bcr die Abwasserwiederverwendung bestimmen. Der Einfluss von Membranbiofouling unter realistischen Abwassermatrizen und Betriebsbedingungen ist folglich bislang unzureichend verstanden und bedarf weiterer Untersuchungen.<\/p>\n
Die Membranreinigung stellt den zentralen betrieblichen Hebel zur Kontrolle von Biofouling und zur Wiederherstellung der Leistungsf\u00c3\u00a4higkeit dichter Membranprozesse dar. In der Praxis werden Clean-in-Place (CIP) Protokolle routinem\u00c3\u00a4\u00c3\u0178ig eingesetzt, die alkalische, saure und h\u00c3\u00a4ufig oxidative Reinigungschemikalien kombinieren, um organische Ablagerungen zu solubilisieren, Mikroorganismen zu inaktivieren und Biofilme zumindest teilweise zu l\u00c3\u00b6sen. Der Zusammenhang zwischen der eingesetzten Reinigungschemie, den lokalen hydrodynamischen Bedingungen und der daraus resultierenden Entfernung von Biofilm und extrazellul\u00c3\u00a4ren polymeren Substanzen ist jedoch in spacergef\u00c3\u00bcllten NF- und RO-Kan\u00c3\u00a4len bislang nur unzureichend verstanden. Ein erheblicher Teil der vorhandenen Literatur basiert auf synthetischen oder stark vereinfachten Foulingmatrizen, die zwar kontrollierte Untersuchungen des Fluxr\u00c3\u00bcckgangs und einer partiellen Leistungswiederherstellung erm\u00c3\u00b6glichen, jedoch die strukturelle Komplexit\u00c3\u00a4t und die langfristige Resilienz von Biofilmen aus realen Abwassereffluenten nicht ad\u00c3\u00a4quat abbilden. Infolgedessen bleibt h\u00c3\u00a4ufig unklar, in welchem Umfang beobachtete Leistungsverbesserungen auf eine tats\u00c3\u00a4chliche Entfernung von Biomasse gegen\u00c3\u00bcber einer lediglich tempor\u00c3\u00a4ren Modifikation oder Inaktivierung des Biofilms zur\u00c3\u00bcckzuf\u00c3\u00bchren sind und wie verbleibende Ablagerungen nachfolgende Foulingzyklen und die Reinigungseffizienz beeinflussen. Jafari et al. (2020) zeigten, dass reales Biofouling aus einer gro\u00c3\u0178technischen Entsalzungsanlage eine deutlich andere Reinigbarkeit aufweist und durch eine rigidere Struktur sowie eine h\u00c3\u00b6here chemische Resistenz gekennzeichnet ist als im Labor gez\u00c3\u00bcchtete Biofilme. Ein vertieftes mechanistisches Verst\u00c3\u00a4ndnis der Wechselwirkungen zwischen chemischen und hydrodynamischen Reinigungsstrategien und Biofilmen in dichten Membrankan\u00c3\u00a4len ist daher unerl\u00c3\u00a4sslich, um Reinigungsprotokolle zu optimieren, den Chemikalienverbrauch zu reduzieren und die Zuverl\u00c3\u00a4ssigkeit membranbasierter Abwasserwiederverwendungssysteme zu erh\u00c3\u00b6hen.<\/p>\n
Diese Wissensl\u00c3\u00bccken verdeutlichen die Notwendigkeit, dichte Membranprozesse gezielt im Kontext der Abwasserwiederverwendung neu zu bewerten, anstatt Konzepte aus der Meerwasserentsalzung zu extrapolieren. Ein vertieftes Verst\u00c3\u00a4ndnis der Transmission organischer Stoffe, der Biofilmbildung und -entfernung sowie deren Auswirkungen auf die hydraulische Leistungsf\u00c3\u00a4higkeit ist unerl\u00c3\u00a4sslich, um robuste und langfristig stabile Wiederverwendungssysteme zu entwerfen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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