Untersuchung innovativer mechanischer Reinigungsverfahren für Hohlfaser-Ultrafiltrationsmembranen stark verschmutzt durch eutrophiertes Wasser
Der Mangel an Frischwasservorräten wird heute als eines der größten globalen Risiken für das kommende Jahrzehnt angesehen; es wird erwartet, dass der globale Wasserbedarf aufgrund des Bevölkerungswachstums, des substanziellen Wachstums der Industrie und der Energieproduktion rasch ansteigen wird (WWAP, 2015). Nicht nachhaltige Entwicklungspläne, der Klimawandel und die übermäßige Wassernutzung haben zu einem immensen Druck auf die Süßwasserressourcen geführt. Immer mehr Nationen sind weltweit, insbesondere in Afrika, mit einer Wasserknappheitskrise konfrontiert. Es hat sich gezeigt, dass mehr als jeder sechste Mensch keinen ausreichenden Zugang zu Trinkwasser hat (UNDP, 2006). Der jährliche wirtschaftliche Verlust in Afrika infolge des Mangels an Süßwasser und sanitären Grundversorgungseinrichtungen wurde auf 28 Milliarden Dollar geschätzt (WWAP, 2009).
Eutrophiertes Wasser entwickelt sich in vielen Regionen der Welt zu einer der verbreiteten Quellen für Trinkwasser. Erhebungen ergaben, dass etwa 30 – 40 % der Seen und Reservoirs weltweit von der Wassereutrophierung betroffen sind. Dabei sind 53 % der Seen in Europa und 28 % der Seen in Afrika eutrophiert (Chorus and Bartram 2006). Eutrophiertes Wasser ist durch übermäßiges Pflanzen- und Algenwachstum bekannt. Es ist reich an Mikroalgen und partikulären Formen der natürlichen organischen Substanz (NOM) (Villacorte et al. 2015). Solche Spezies können Probleme wie Geschmack und Geruch verursachen und Toxine produzieren (Chiou et al. 2010). Daher muss ein solches mikroalgenreiches Wasser angemessen behandelt werden, um den jeweiligen Vorschriften zu entsprechen.
Druckgetriebene Membrantrennverfahren haben sich als eines der einfachsten, effizientesten und verhältnismäßig energiearmen Wasseraufbereitungsverfahren erwiesen. Diese Technologie entfernt gezielt Verschmutzungen durch Größenausschluss und liefert eine gezielte, bedarfsgerechte Produktqualität (Jacquemet, 2006). Die poröse Mikrofiltration (MF) und die Ultrafiltration (UF) wurden kürzlich als geeignete Optionen für die Behandlung von eutrophiertem Wasser gegenüber anderen Behandlungsmethoden wie der Zentrifugation genannt. Nichtsdestotrotz wird das Membranfouling als die größte Einschränkung für eine umfassende Anwendung der Membrantechnologie angesehen, da es die Prozesseffizienz negativ beeinflusst und die Lebensdauer der Membranen verkürzt. Um den Effekt des Foulings durch eutrophiertes Wasser zu minimieren, wurden mehrere Studien durchgeführt, um die Grundlagen des Membranfoulings durch Algenzellen und algogene organische Stoffe (AOM) zu verstehen (Zhang, 2013). Die meisten Ergebnisse dieser Studien weichen jedoch von den praktischen Erfahrungen ab. Bislang gibt es keine allgemeinen Empfehlungen zur Vermeidung oder Minimierung der Fouling-Effekte. Aus diesem Grund wird UF als Behandlungsmethode wenig eingesetzt, obwohl es den großen Vorteil hätte, Wasser von optimaler mikrobiologischer Qualität zu produzieren und somit gefährliche Krankheiten der Trinkwasserkonsumenten zu vermeiden.
Mit diesem Projektvorhaben möchte ich einen vollkommen anderen Ansatz verfolgen. Ich möchte die Reinigungseffizienz der üblicherweise verwendeten in/out UF-Hohlfasermembranen deutlich verbessern, um die meist irreversiblen Fouling-Substanzen regelmäßig zu entfernen und dadurch die Gesamtpermeabilität der Membran zu erhöhen. Weiterhin möchte ich den unsachgemäßen Einsatz von Chemikalien für den Reinigungsschritt vermeiden, da dies sowohl eine Schädigung der Umwelt durch potentiell giftige Abfälle als auch eine Erhöhung der Betriebskosten durch Verlust der Anlagenverfügbarkeit, Membranlebensdauer und Chemikalien verursacht. Mein Ziel ist stattdessen, innovative mechanische Reinigungsmethoden zu entwickeln, die auf die Stärke der gegenwärtigen Verschmutzung zugeschnitten sind.
Meine Hypothese ist, dass die mechanische Reinigungseffizienz stark von der Art oder den Eigenschaften der Fouling bzw. den damit verbundenen Verschmutzungsmechanismen abhängt, die wiederum von der komplexen eutrophen Rohwassermatrix und den Betriebsparametern während der Filtration abhängen. Daher wird das Potenzial verschiedener mechanischer Reinigungsmethoden für eindeutig definierte verschmutzte Membranen umfassend untersucht. Die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Gruppen von Foulants im Zulauf werden ebenfalls untersucht, da ich davon ausgehe, dass diese Wechselwirkungen die Reinigungswirksamkeit beeinflussen werden.
Zusammenfassend bin ich der festen Überzeugung, dass es dringend notwendig ist, effiziente und nachhaltige Membranreinigungsmethoden und -strategien zu entwickeln und zu optimieren, die die sichere Anwendung von überlegenen membranbasierten Reinigungsverfahren garantieren und schädliche Emissionen in die Umwelt sowie die Betriebskosten weiter deutlich reduzieren.
Bibliografie:
Chiou, Yu-Ting; Hsieh, Meng-Ling; Yeh, Hsuan-Hsien (2010): Effect of algal extracellular polymer substances on UF membrane fouling. In: Desalination 250 (2), S. 648–652.
Chorus, Ingrid; Bartram, Jamie (2006): Toxic Cyanobacteria in Water. A guide to their public health consequences, monitoring and management. In: E &.
Jacquemet, Valérie; Gaval, Gilberte; Gherman, Elena-Carmen; Schrotter, Jean-Christophe (2006): Deeper understanding of membrane fouling issues on a full-scale water plant. In: Desalination 199 (1-3), S. 78–80.
UNDP (2006): Beyond scarcity. Power, poverty and the global water crisis. New York, NY: UNDP (Human development report, 2006). available online under: http://hdr.undp.org/en/media/HDR06-complete.pdf.
Villacorte, Loreen O.; Ekowati, Yuli; Neu, Thomas R.; Kleijn, J. Mieke; Winters, Harvey; Amy, G. et al. (2015b): Characterisation of algal organic matter produced by bloom-forming marine and freshwater algae. In: Water research 73, S. 216–230.
World Water Assessment Programme (WWAP) (2009): The United Nations World Water Development Report 3: Water in a Changing World. Paris/New York, UNESCO/Earthscan.
World Water Assessment Programme (WWAP) (2015): Facing the Challenges. Case Studies and Indicators. Paris, UNESCO.
Zhang, Xiaolei; Fan, Linhua; Roddick, Felicity A. (2013): Influence of the characteristics of soluble algal organic matter released from Microcystis aeruginosa on the fouling of a ceramic microfiltration membrane. In: Journal of membrane science 425, S. 23–29.