Die zunehmende Wasserknappheit infolge von Klimawandel, Bev\u00f6lkerungswachstum und steigenden urbanen Wasserbedarfen hat viele Regionen an die Grenzen ihrer konventionellen S\u00fc\u00dfwasserressourcen gebracht. Vor diesem Hintergrund wird kommunales Abwasser zunehmend als eine verl\u00e4ssliche und lokal verf\u00fcgbare Ressource f\u00fcr die nicht-trinkwasserbezogene oder indirekte Trinkwasserwiederverwendung anerkannt. Gro\u00dftechnische Anlagen, beispielsweise in Singapur, Kalifornien und Australien, haben gezeigt, dass fortgeschrittene Aufbereitungsanlagen dauerhaft Wasser von hoher Qualit\u00e4t erzeugen k\u00f6nnen, das strengen Trinkwasserrichtlinien entspricht. Das NEWater-Programm in Singapur stellt ein prominentes Beispiel dar, bei dem biologisch behandeltes kommunales Abwasser durch weitergehende Aufbereitung, einschlie\u00dflich Membranfiltration und Desinfektion, gereinigt wird und anschlie\u00dfend vorwiegend industriell genutzt sowie als indirekte Trinkwasserressource durch die Einspeisung in Oberfl\u00e4chenwasserspeicher 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\u00dfung 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\u00e4rbecken ersetzen und ein Effluent mit geringer Tr\u00fcbung sowie deutlich reduzierten Gehalten an suspendierten Feststoffen und organischen Verunreinigungen erzeugen. Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) fungieren anschlie\u00dfend als dichte Membranbarrieren und erm\u00f6glichen eine hohe R\u00fcckhaltung gel\u00f6ster Salze, eines gro\u00dfen Anteils gel\u00f6ster organischer Stoffe sowie einer Vielzahl organischer Spurenstoffe wie Pharmazeutika und Industriechemikalien. Wenn diese Prozesse auf physikalischer Trennung und nicht auf chemischer Umwandlung beruhen, k\u00f6nnen sie prinzipiell eine robuste und potenziell gut vorhersagbare Leistung \u00fcber lange Zeitr\u00e4ume bieten, was f\u00fcr die regulatorische Zulassung und die gesellschaftliche Akzeptanz von Trinkwasserwiederverwendungskonzepten von zentraler Bedeutung ist.<\/p>\n
W\u00e4hrend Niederdruckmembranen wie MF und UF mittlerweile weit verbreitet in Systemen zur Abwasserwiederverwendung eingesetzt werden, finden sie \u00fcberwiegend Anwendung f\u00fcr nicht-trinkwasserbezogene Zwecke, beispielsweise in der landwirtschaftlichen Bew\u00e4sserung, 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\u00dfende Polierstufe zur Herstellung von Wasser f\u00fcr die indirekte oder direkte Trinkwasserwiederverwendung oder f\u00fcr andere Anwendungen mit sehr hohen Qualit\u00e4tsanforderungen. Trotz ihrer F\u00e4higkeit, in vielen Systemen mehr als 90 % des gel\u00f6sten organischen Kohlenstoffs zur\u00fcckzuhalten, wurde wiederholt gezeigt, dass RO- und NF-Membranen assimilierbaren organischen Kohlenstoff sowie niedermolekulare organische Verbindungen nicht vollst\u00e4ndig entfernen. Der verbleibende Durchtritt dieser niedermolekularen, biologisch abbaubaren Fraktionen beeintr\u00e4chtigt nachweislich die biologische Stabilit\u00e4t in nachgeschalteter Speicherung und Verteilung und reduziert damit die Sicherheitsreserve von Wiederverwendungssystemen. Ein vertieftes Verst\u00e4ndnis des Transmissionsverhaltens niedermolekularer organischer Substanzen durch dichte Membranen sowie der Faktoren, die deren partielle R\u00fcckhaltung bestimmen, ist daher von hoher Relevanz f\u00fcr die Verbesserung von Auslegung und Betrieb hochwertiger Abwasserwiederverwendungssysteme auf Basis von NF und RO.<\/p>\n
Demgegen\u00fcber unterscheiden sich abwasserbasierte Zulaufw\u00e4sser grundlegend von Meerwasser \u2013 nicht nur hinsichtlich der Salinit\u00e4t, sondern auch in der Art und Weise, wie organische Stoffe verarbeitet werden, bevor sie die membranbasierte Polierstufe erreichen. Nat\u00fcrliche organische Substanz (NOM), die in eine Abwasserbehandlungsanlage gelangt, wird biologischen Umwandlungsprozessen in aeroben und\/oder anaeroben Verfahren unterzogen, wie sie in den meisten L\u00e4ndern angewendet werden. W\u00e4hrend dieser Prozesse wird die influente organische Substanz transformiert, abgebaut und teilweise zu l\u00f6slichen mikrobiellen Produkten (SMP) resynthetisiert, sodass die organische Matrix des Effluents eine komplexe Mischung aus verbleibender nat\u00fcrlicher organischer Substanz und biomasseabgeleiteten Fraktionen darstellt. Unterschiedliche biologische Behandlungskonfigurationen \u2013 wie konventioneller Belebtschlamm (AS), aerober Granulatschlamm (AGS), MBR oder andere fortgeschrittene Verfahren \u2013 k\u00f6nnen daher selbst bei der Behandlung \u00e4hnlicher influenter Abw\u00e4sser deutlich unterschiedliche Zusammensetzungen der organischen gel\u00f6sten Stoffe im Effluent erzeugen, bedingt durch Unterschiede in biologischen Abbaupfaden und Biomasseumsatz. Da die Salinit\u00e4t dieser Effluente typischerweise um ein bis zwei Gr\u00f6\u00dfenordnungen niedriger ist als die von Meerwasser, wird das Verhalten niedermolekularer organischer Stoffe und biologisch abbaubarer Fraktionen zu einem ma\u00dfgeblichen Treiber sowohl der Permeatqualit\u00e4t als auch der Fouling-Entwicklung. Ein Verst\u00e4ndnis daf\u00fcr, wie die vorgeschaltete biologische Behandlung Menge, Qualit\u00e4t 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\u00e4hrend der biologischen Behandlung gebildet oder transformiert werden, stellen zugleich Substrate dar, die die Biofilmbildung in den Zulaufkan\u00e4len von Membranen f\u00f6rdern. Biofouling gilt weithin als eine der wesentlichen Limitierungen beim Betrieb dichter Membranen, wobei ein Gro\u00dfteil des konzeptionellen Verst\u00e4ndnisses aus der Meerwasser- oder Brackwasserentsalzung stammt. In der Meerwasser-RO wurde die biofilmverst\u00e4rkte Konzentrationspolarisation (BECP) als dominanter Mechanismus identifiziert: Biofilme erh\u00f6hen lokal die Salzkonzentration an der Membranoberfl\u00e4che, wodurch der osmotische Druck steigt, ein h\u00f6herer Betriebsdruck erforderlich wird und letztlich der Durchtritt anorganischer Salze zunimmt. Zus\u00e4tzlich werden routinem\u00e4\u00dfig Antiscalants dosiert, um anorganische Ausf\u00e4llungen zu verhindern; viele dieser Formulierungen sind zumindest teilweise biologisch abbaubar und k\u00f6nnen somit eine zus\u00e4tzliche Kohlenstoffquelle darstellen, die die Biofilmentwicklung weiter.\u00a0 In der Abwasserwiederverwendung f\u00fchrt der deutlich geringere Gehalt an anorganischen Salzen dazu, dass BECP im Vergleich zu Meerwassersystemen als weniger ausgepr\u00e4gt anzunehmen ist. Dar\u00fcber hinaus zeigten Modellierungsstudien von Radu et al. (2012), dass die metabolische Aktivit\u00e4t innerhalb des Biofilms und der damit verbundene Substratverbrauch die Konzentrationspolarisation biologisch abbaubarer organischer Substrate dominieren k\u00f6nnen. W\u00e4hrend solche Prozesse in der Meerwasser-RO vor dem Hintergrund hoher Ionenst\u00e4rken und eines \u00fcberwiegend anorganischen Stofftransports ablaufen, interagieren sie in der Abwasserwiederverwendung mit einer grundlegend anderen organischen Effluentmatrix. Entsalzungsbasierte Interpretationen des Biofoulings \u2013 unabh\u00e4ngig davon, ob sie sich auf BECP oder auf metabolische Prozesse fokussieren \u2013 erfassen daher m\u00f6glicherweise nur teilweise die Mechanismen, die die hydraulische Leistung und die Wasserqualit\u00e4t bei der dichten Membranfiltration f\u00fcr 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\u00e4higkeit dichter Membranprozesse dar. In der Praxis werden Clean-in-Place (CIP) Protokolle routinem\u00e4\u00dfig eingesetzt, die alkalische, saure und h\u00e4ufig oxidative Reinigungschemikalien kombinieren, um organische Ablagerungen zu solubilisieren, Mikroorganismen zu inaktivieren und Biofilme zumindest teilweise zu l\u00f6sen. Der Zusammenhang zwischen der eingesetzten Reinigungschemie, den lokalen hydrodynamischen Bedingungen und der daraus resultierenden Entfernung von Biofilm und extrazellul\u00e4ren polymeren Substanzen ist jedoch in spacergef\u00fcllten NF- und RO-Kan\u00e4len bislang nur unzureichend verstanden. Ein erheblicher Teil der vorhandenen Literatur basiert auf synthetischen oder stark vereinfachten Foulingmatrizen, die zwar kontrollierte Untersuchungen des Fluxr\u00fcckgangs und einer partiellen Leistungswiederherstellung erm\u00f6glichen, jedoch die strukturelle Komplexit\u00e4t und die langfristige Resilienz von Biofilmen aus realen Abwassereffluenten nicht ad\u00e4quat abbilden. Infolgedessen bleibt h\u00e4ufig unklar, in welchem Umfang beobachtete Leistungsverbesserungen auf eine tats\u00e4chliche Entfernung von Biomasse gegen\u00fcber einer lediglich tempor\u00e4ren Modifikation oder Inaktivierung des Biofilms zur\u00fcckzuf\u00fchren sind und wie verbleibende Ablagerungen nachfolgende Foulingzyklen und die Reinigungseffizienz beeinflussen. Jafari et al. (2020) zeigten, dass reales Biofouling aus einer gro\u00dftechnischen Entsalzungsanlage eine deutlich andere Reinigbarkeit aufweist und durch eine rigidere Struktur sowie eine h\u00f6here chemische Resistenz gekennzeichnet ist als im Labor gez\u00fcchtete Biofilme. Ein vertieftes mechanistisches Verst\u00e4ndnis der Wechselwirkungen zwischen chemischen und hydrodynamischen Reinigungsstrategien und Biofilmen in dichten Membrankan\u00e4len ist daher unerl\u00e4sslich, um Reinigungsprotokolle zu optimieren, den Chemikalienverbrauch zu reduzieren und die Zuverl\u00e4ssigkeit membranbasierter Abwasserwiederverwendungssysteme zu erh\u00f6hen.<\/p>\n
Diese Wissensl\u00fccken verdeutlichen die Notwendigkeit, dichte Membranprozesse gezielt im Kontext der Abwasserwiederverwendung neu zu bewerten, anstatt Konzepte aus der Meerwasserentsalzung zu extrapolieren. Ein vertieftes Verst\u00e4ndnis der Transmission organischer Stoffe, der Biofilmbildung und -entfernung sowie deren Auswirkungen auf die hydraulische Leistungsf\u00e4higkeit ist unerl\u00e4sslich, um robuste und langfristig stabile Wiederverwendungssysteme zu entwerfen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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