Projekt 23449/01

Technisch einfaches mehrstufiges Kleinfiltersystem zur Aufbereitung von verschmutzten Wässern zu Trinkwasser in ländlichen Gebieten unterentwickelter Regionen

Projektträger

Cornelsen Umwelttechnologie GmbH
Graf-Beust-Allee 33
45141 Essen
Telefon: +49 201 5203710

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Eines der Hauptprobleme für Menschen, die in ländlichen Gebieten unterentwickelter Regionen wohnen, ist die teilweise starke Verschmutzung der vorhandenen Wasserressourcen mit Trübstoffen und Parti-keln, die das Wasser zum einen schwer genießbar machen und zum anderen mikrobiologischer Natur sein können. Vor diesem Hintergrund sollte im Projekt ein technisch extrem einfaches Filtersystem entwickelt werden, welches ohne Stromversorgung rein mechanisch und für mehrere Wochen ohne Rück-spülung oder Wartung betrieben werden konnte. Das Filtersystem sollte dabei ein weitgehend partikelfreies Wasser auch bei extremen Rohwasserbedingungen liefern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Erreichung der Ziele erfolgte die Konzeptionierung eines zweistufigen Filtrationssystems, welches zunächst im Labormaßstab hinsichtlich der für die Dimensionierung und den Betrieb wesentlichen Parameter sowie der erreichbaren Reinigungsleistung untersucht wurde. Als erste Filtrationsstufe, der Vorfiltration, kam ein zylindrischer Filter (D = 0,2 m; H = 0,7 m) mit einem Filterbett aus permeablen synthetischen Kollektoren (PSK) zum Einsatz. PSK zeichnen sich durch ein hohes Rückhalte- und Speicherver-mögen für Feststoffe sowie einen geringen Widerstand aus. Für unterschiedliche Kompressionsgrade des PSK-Filterbetts wurden der Einfluss der Filtergeschwindigkeit auf den Druckverlust und die Qualität des Filtrats sowie die Filterlaufzeiten untersucht. Die erforderlichen Betriebsparameter zur Reinigung der beladenen PSK wurden ermittelt.
Die Desinfektion des vorbehandelten Wassers erfolgte in der zweiten Behandlungsstufe mittels Membranfiltration. Für die erforderlichen Untersuchungen zur Ermittlung der Auslegungs- und Betriebsparameter stand eine Laboranlage mit einer keramischen Membran (Porendurchmesser: 0,1 µm) und einer Membranfläche von 0,2 m² zur Verfügung. In den Untersuchungen wurden die Betriebsweisen ‚Cross-Flow und ‚Dead-End miteinander verglichen sowie der Einfluss unterschiedlicher Betriebs- und Spülein-stellungen auf die Veränderung der Drücke, der Filterlaufzeiten und die Ablaufqualität untersucht. Die er-forderlichen Behandlungsschritte und Bedingungen zur Reinigung der Membranen wurden ermittelt. Auf Basis der Laborergebnisse erfolgten die Dimensionierung sowie der erste konstruktive Entwurf für den Bau einer Demonstrationsanlage.


Ergebnisse und Diskussion

In den Laborversuchen zur Vorfiltration mit Hilfe von PSK konnte eine exponentielle Zunahme der Beladung mit dem Kompressionsgrad festgestellt werden. Der Feststoffgehalt bzw. die Trübung im Filtrat wurden mit zunehmendem Kompressionsgrad signifikant reduziert. Mit einem Filterbett aus 90 Liter PSK, welches um 90 % auf 30 cm Betthöhe komprimiert wurde, konnten die besten Ergebnisse erzielt werden. Bis zum Filterdurchbruch wurden mit dieser Versuchsanordnung 1000 Bettvolumen Filtrat gewonnen. Hierbei lag die Trübung im Filtrat im Mittel unter 2 FNU. Der maximale Druckverlust betrug 160 mbar.
Bei der zur Desinfektion des vorbehandelten Wassers eingesetzten Membranfiltration wurde zunächst die Effizienz der beiden Betriebsweisen Dead-End-Filtration und Cross-Flow-Filtration mit unterschiedlichen Cross-Flow-Raten untersucht. Hierbei war zu berücksichtigen, dass das eingestellte Fördervolumen und der zur Verfügung stehende Betriebsdruck durch Handpumpen oder Schwerkraft erzeugt bzw. aufrecht-erhalten werden musste.
Bei der Dead-End-Filtration zeigte sich ein schneller Anstieg der transmembranen Druckdifferenz (TMP) und ein nur unzureichender Rückgang der TMP nach der Rückspülung der Membran. Positivere Ergebnisse ergaben die Untersuchungen im Cross-Flow-Betrieb. Die erzeugte Permeatmenge bis zum Erreichen der festgelegten maximalen TMP von 3 bar stieg mit der Cross-Flow-Rate an. Aus energetischen Gründen wurde für die weiteren Untersuchungen ein Betrieb der Anlage mit 20 % Cross-Flow gewählt. In einem Langzeitversuch konnten mit den gewählten Betriebsbedingungen, bis zur Notwendigkeit einer chemischen Reinigung der Membran, 11.000 Liter Permeat gewonnen werden. Hierbei wurde alle fünf Betriebsstunden eine Rückspülung der Membran mit einem Spülwasservolumen von 1 Liter und einem Druck von 5 bar durchgeführt. Dies entsprach einer Ausbeute von 99 %. In dem gewonnenen trübstoff-freien Permeat konnten keine Keime nachgewiesen werden.
Bei den Untersuchungen zur chemischen Reinigung der Membran wurden die besten Ergebnisse durch die Kombination einer jeweils mehrstündigen Behandlung in schwefelsaurem, alkalischen (NaOH) und oxidativen (NaOCl) Milieu erzielt.
Die Dimensionierung der in Containerbauweise geplanten Demonstrationsanlage erfolgte für eine Ortschaft mit 300 Einwohnern und einem Tagesbedarf von 15 m³ Wasser, davon 3 m³ Trinkwasser (WHO 2004). Bei einer Betriebsdauer von 5 h/d und einer Betriebszeit von 60 Tagen zwischen zwei Reinigungszyklen ergab sich für die erste Behandlungsstufe ein erforderliches unkomprimiertes PSK-Volumen von ca. 10 m³. Für die Auslegung der Vorfiltration wurde die Filtergeometrie derart angepasst, dass der Volumenstrom von 15 m³/d durch drei parallel betriebene Filterstraßen erzeugt werden könnte. Die hieraus resultierenden Filter weisen einen Durchmesser von 0,75 m, eine Schüttschichthöhe von 0,76 m und eine Filterleistung von 1 m³/h auf.
Bei der Dimensionierung der Membranfiltrationsstufe wurde ein Flux von 0,10 m3/(h m2) und die in den Laborversuchen ermittelte Ausbeute von 99 % zugrunde gelegt. Unter Berücksichtigung der angestrebten Laufzeit von 60 Tagen ergibt sich eine erforderliche Membranfläche von 18 m².
Die Installation der Filtrationseinheiten und des Trinkwassertanks sind in einem 20 Fuß-Container vorgesehen. Für die Zwischenspeicherung des erzeugten Brauchwassers würde eine separate Einheit zur Verfügung gestellt. Um eine leichte Handhabung und Reinigung zu ermöglichen wurde in dem Anlagenentwurf auf eine gute Zugänglichkeit der installierten Komponenten geachtet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Für die technische Umsetzung und den Nachweis der Funktionstüchtigkeit der Anlage im technischen Maßstab wären weitere Arbeitsschritte in einem Folgeprojekt erforderlich (siehe


Fazit

). Daher fand seitens der Cornelsen Umwelttechnologie GmbH noch keine Öffentlichkeitsarbeit zum Projekt statt.
Fazit

Anhand der vorliegenden Untersuchungsergebnisse konnte gezeigt werden, dass durch die Kombination einer Vorfiltration mittels Filterelementen aus permeablen synthetischen Kollektoren (PSK) und einer Entkeimung mit Hilfe einer Membranfiltration eine kompakte und einfach zu bedienende Brauch- und Trink-wasseraufbereitungsanlage erstellt werden kann. Die Bemessungsgrundlagen für den Bau einer De-monstrationsanlage mit einer Tagesleistung von 12 m³ Brauchwasser und 3 m³ Trinkwasser, mit einer Standzeit von 60 Tagen zwischen den einzelnen Reinigungszyklen, wurden ermittelt. Ein erster Konzept-entwurf für den Aufbau der Demonstrationsanlage wurde vorgestellt.
Für die technische Umsetzung dieses Trinkwasseraufbereitungsverfahrens müssten künftig die erforderliche Detailplanung für den Bau und Betrieb einer Demonstrationsanlage geleistet sowie die an den Versuchsanlagen ermittelten Dimensionierungsansätze im Pilotmaßstab überprüft werden.