Was ist ein Umkehrosmose-System (RO)? Wie arbeiten industrielle RO-Systeme?

Die Umkehrosmose ist ein druckgetriebenes Membranfiltrationsverfahren, das gelöste Salze mithilfe einer halbdurchlässigen Membran aus dem Wasser abtrennt. Das System teilt das Wasser in zwei Ströme: das salzarme Permeat, das die Membran passiert, und das Konzentrat, in dem sich das Salz vor der Membran aufkonzentriert. Die Trennwirkung beruht nicht auf der Porenstruktur der Membran, sondern auf dem Diffusionswiderstand, der Unterschiede in Ladung und Größe der Ionen nutzt; deshalb kann die RO sogar einwertige Natrium- und Chloridionen zu 96–99,5 % zurückhalten.

Die Palette der Stoffe, die die RO abtrennt, ist breit. Gelöste Salze (Natrium, Calcium, Magnesium, Chlorid, Sulfat, Nitrat), Schwermetalle, Kieselsäure, gelöste organische Moleküle und Partikel im Submikrometerbereich verbleiben weitgehend auf der Konzentratseite. Die nominale Trenngrenze der Membran liegt bei etwa 0,0001 µm; zum Vergleich: Ein Sandfilter arbeitet bei 20–50 µm, die Aktivkohleadsorption auf molekularer Ebene und die Ultrafiltration im Bereich von 0,01–0,1 µm. Die RO ist die feinste Stufe dieser Kette.

Membranfiltrationsverfahren werden nach der Porengröße eingeordnet, und die RO steht am Ende dieser Reihe. Die Mikrofiltration (MF) trennt bei 0,1–10 µm, die Ultrafiltration (UF) bei 0,01–0,1 µm, die Nanofiltration (NF) bei 0,001 µm und die Umkehrosmose (RO) bei 0,0001 µm. Während die NF mehrwertige Ionen zurückhält und einen Teil der einwertigen Ionen durchlässt, hält die RO nahezu alle Ionen zurück. Welche Stufe in einer Anlage ausreicht, wird anhand der Ziel-Leitfähigkeit des Permeats entschieden. Sie können sich unsere Produktgruppe Wasseraufbereitung ansehen. (Details: Wasseraufbereitung)

Osmose ist der Vorgang, bei dem reines Wasser von selbst auf die salzreichere Seite übertritt, wenn eine halbdurchlässige Membran Wasser mit zwei unterschiedlichen Salzkonzentrationen trennt. Das Wasser strömt aus dem salzarmen Abteil in das salzreiche Abteil, um das Konzentrationsgefälle auszugleichen, und auf der salzreichen Seite steigt der Flüssigkeitsspiegel. Der Gleichgewichtsdruck, der diese Strömung stoppt, heißt osmotischer Druck. Die Umkehrosmose ist die Umkehrung dieser natürlichen Strömung: Auf die salzreiche Seite wird ein Druck aufgebracht, der den osmotischen Druck übersteigt, und das Wasser wird von der Salzseite zur sauberen Seite gedrückt.

Der osmotische Druck ist direkt proportional zum Salzgehalt des Wassers und wird in der Technik mit der Näherung nach van't Hoff abgeschätzt. Als Faustregel gilt: Je 100 ppm gelöste Feststoffe (TDS) steigt der osmotische Druck um etwa 0,07 bar. Bei Leitungswasser mit 500 ppm TDS beträgt der osmotische Druck etwa 0,35 bar, bei salzigem Brunnenwasser (Brackwasser) mit 3.000 ppm etwa 2,1 bar und bei Meerwasser mit 35.000 ppm etwa 25 bar. Die RO-Pumpe muss diesen Wert überschreiten; geschieht das nicht, fällt an der Membran überhaupt kein Permeat an.

Der Betriebsdruck liegt immer deutlich über dem osmotischen Druck, denn die netto wirksame Triebkraft ist die Differenz zwischen aufgebrachtem Druck und osmotischem Druck. Bei Meerwasser beträgt der osmotische Druck 25 bar, während die Pumpe 55–70 bar liefert; die Differenz von 30–45 bar ist die Nettokraft, die das Wasser durch die Membran treibt. Bei Brackwasser aus Brunnen liegt der osmotische Druck bei 2 bar, während die Pumpe 10–15 bar liefert. Deshalb bestimmt bei RO-Systemen der Salzgehalt des Speisewassers unmittelbar die Energiekosten; Salzwasser benötigt für die Erzeugung von reinem Wasser mehr kW. Die allgemeinen Grundsätze zur Energieeffizienz finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Energieeffizienz in mechanischen Anlagen)

Die halbdurchlässige Membran ist eine dünne Verbundschicht, die Wassermoleküle durchlässt und die meisten gelösten Ionen zurückweist. Industrielle RO-Membranen sind als TFC (Thin Film Composite) aufgebaut: ganz oben eine 0,1–0,2 µm dicke aktive Polyamidschicht, darunter eine Polysulfon-Stützschicht und ganz unten ein Polyesterträger. Die Trennung leistet allein der oberste Polyamidfilm; das Wasser durchquert diese Schicht nach dem Lösungs-Diffusions-Mechanismus, die Ionen werden durch elektrischen und sterischen Widerstand zurückgehalten.

Membranen werden als Wickelmodule gefertigt. Flache Membranblätter werden wie eine Rolle um ein Permeatsammelrohr gewickelt, und das Speisewasser strömt axial durch den Speisekanal zwischen den Blättern. Ein Teil des Wassers passiert die Membran und sammelt sich im zentralen Permeatrohr; der Rest verlässt das Modul am anderen Ende aufkonzentriert als Konzentrat. Das gängige industrielle Modulformat hat 8 Zoll Durchmesser und 40 Zoll Länge (8040); in kleineren Anlagen werden 4040-Module mit 4 Zoll Durchmesser eingesetzt.

Die Leistung einer Membran wird durch zwei Kenngrößen zusammengefasst: Flux und Salzrückhalt. Der Flux ist der Permeatvolumenstrom je Flächeneinheit der Membran und wird meist in l/m²·h (LMH) angegeben; bei der RO von Leitungswasser liegt der typische Auslegungsflux im Bereich von 20–30 LMH. Der Salzrückhalt gibt an, wie viel Prozent des Salzes im Speisewasser die Membran zurückhält, und liegt bei einer neuen Polyamidmembran zwischen 99 und 99,7 %. Wird der Flux zu hoch angesetzt, verstärkt sich die Konzentrationspolarisation an der Membranoberfläche und das Zusetzen beschleunigt sich. Zur richtigen Membranauswahl finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine RO-Membran? Was ist der Unterschied zwischen 4040 und 8040?)

Die Hochdruckpumpe ist die Pumpe, die die RO-Membran speist und die den osmotischen Druck übersteigende Triebkraft bereitstellt; der erforderliche Druck hängt unmittelbar vom Salzgehalt des Speisewassers ab. Bei Leitungswasser und salzarmem Brunnenwasser liegt der Betriebsdruck bei 10–15 bar, bei salzigem Brunnenwasser (Brackwasser) bei 15–25 bar und bei Meerwasser bei 55–70 bar. Zur Erzeugung dieses Drucks kommen in industriellen Anlagen mehrstufige vertikale Kreiselpumpen zum Einsatz, bei Meerwasser Kolben-Hochdruckpumpen.

Der Gesamtdruck, den die Pumpe aufbringen muss, ist die Summe von vier Posten: osmotischer Druck, Reibungsverlust entlang Membran und Modul, Gegendruck auf der Permeatseite und ein Zuschlag für die netto wirksame Triebkraft. Betrachten wir als Beispiel ein salziges Brunnenwasser mit 1.500 ppm TDS. Setzt man den osmotischen Druck mit etwa 1,05 bar, den Druckverlust im Modul mit 2 bar und den Zuschlag für die Nettotriebkraft mit 8 bar an, ergibt sich ein erforderlicher Speisedruck von etwa 11 bar. Mit Sicherheitszuschlag wird eine Pumpe mit 12–13 bar gewählt.

Die Pumpenleistung wird aus Druck und Volumenstrom berechnet. Die Beziehung lautet: P (kW) gleich Q (m³/h) mal H (bar) geteilt durch 36 geteilt durch Wirkungsgrad. Dabei ist Q der Speisevolumenstrom und H der Pumpendruck in bar. Für eine Pumpe, die einen Speisevolumenstrom von 5 m³/h auf 12 bar bringt und einen Wirkungsgrad von 0,70 hat, ergibt sich P gleich 5 mal 12 geteilt durch 36 geteilt durch 0,70 gleich etwa 2,4 kW. Wollten wir denselben Volumenstrom bei Meerwasser auf 60 bar bringen, läge P bei etwa 11,9 kW; mit steigendem Salzgehalt steigt die Energie also bis auf das Fünffache. Deshalb werden bei der Meerwasser-RO Energierückgewinnungseinheiten eingesetzt.

Bei der Pumpenauswahl werden auch NPSH und Kavitation berücksichtigt. Die an der Saugseite der Hochdruckpumpe verfügbare NPSH muss größer sein als die von der Pumpe benötigte; andernfalls bilden sich an der Saugseite Dampfblasen, und das Laufrad der Pumpe sowie der die Membran speisende Volumenstrom werden gestört. Zwischen Vorbehandlungsaustritt und Hochdruckpumpe wird in der Regel eine Vorlagepumpe (Booster) angeordnet, damit der Saugdruck ausreicht. Zum Mechanismus der Pumpenkavitation und zu ihrer Vermeidung finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Was ist Pumpenkavitation und wie lässt sie sich vermeiden?)

Permeat ist das salzarme saubere Wasser, das die Membran passiert; Konzentrat ist das Abwasser, in dem sich das Salz vor der Membran aufkonzentriert. Die Ausbeute (Recovery) in Prozent gibt an, wie viel Prozent des Speisevolumenstroms zu Permeat werden, und ist die wichtigste Zahl einer RO-Auslegung. Die Beziehung lautet: Ausbeute gleich Permeatvolumenstrom geteilt durch Speisevolumenstrom mal 100. Bei industriellen Leitungswassersystemen wird die Ausbeute typischerweise im Bereich von 50–75 % gehalten, bei Meerwasser im Bereich von 35–45 %.

Die Massenbilanz verknüpft die drei Ströme miteinander. Speisevolumenstrom gleich Permeatvolumenstrom plus Konzentratvolumenstrom. Wird Speisewasser von 10 m³/h mit 60 % Ausbeute gefahren, betragen das Permeat 6 m³/h und das Konzentrat 4 m³/h. Mit steigender Ausbeute sinkt der Konzentratvolumenstrom, doch weil die Salzmenge im Konzentrat gleich bleibt, steigt die Salzkonzentration. Bei 75 % Ausbeute sinkt der Konzentratvolumenstrom auf 2,5 m³/h, und das darin enthaltene Salz wird bis auf das Vierfache aufkonzentriert; genau diese Aufkonzentrierung bestimmt das Risiko von Kalkausfällungen (Scaling).

Der Aufkonzentrierungsfaktor (Concentration Factor) wird aus der Ausbeute berechnet und setzt der Auslegung die Grenze. Die Beziehung lautet: Aufkonzentrierungsfaktor gleich 1 geteilt durch (1 minus Ausbeute). Bei 50 % Ausbeute beträgt der Faktor 2, bei 75 % 4 und bei 90 % 10. In einem an Calcium und Hydrogencarbonat reichen Wasser kann eine Ausbeute von 75 % dazu führen, dass im Konzentrat die Löslichkeitsgrenze von Calciumcarbonat überschritten wird und sich auf der Membranoberfläche Kalk bildet. Deshalb ist eine hohe Ausbeute nur mit ausreichender Antiscalant-Dosierung und vorgeschalteter Enthärtung möglich.

Die Ausbeute wird von drei Einschränkungen bestimmt. Erstens von der Löslichkeitsgrenze der Salze im Konzentrat; zweitens von der Mindestströmungsgeschwindigkeit, die auf der Konzentratseite bestehen bleiben muss (sie spült die Membranoberfläche und verzögert das Zusetzen); drittens von der Permeatqualität, denn mit steigender Ausbeute steigt auch die Konzentration im Speisewasser, und die Leitfähigkeit des Permeats nimmt zu. Eine richtige Auslegung bewegt sich in der gemeinsamen Grenze dieser drei Größen. Zur Auswahllogik industrieller Wasseraufbereitungsanlagen finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken)

Die Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit des Wassers, elektrischen Strom zu leiten; weil sie direkt proportional zur Menge der gelösten Ionen ist, ist sie ein schneller Indikator für den Salzgehalt. Ihre Einheit ist Mikrosiemens/Zentimeter (µS/cm) oder Millisiemens/Zentimeter (mS/cm); in RO-Systemen werden die Leitfähigkeit von Speisewasser und Permeat kontinuierlich überwacht. Grob entspricht 1 µS/cm etwa 0,5–0,7 ppm TDS; Leitungswasser liegt bei 300–800 µS/cm, salziges Brunnenwasser (Brackwasser) bei 2.000–5.000 µS/cm und Meerwasser bei 45.000–55.000 µS/cm.

Der Salzrückhalt (Salt Rejection) gibt an, wie viel Prozent des Salzes im Speisewasser die Membran zurückhält, und wird aus der Leitfähigkeitsmessung berechnet. Die Beziehung lautet: Salzrückhalt in Prozent gleich (1 minus Permeatleitfähigkeit geteilt durch Speiseleitfähigkeit) mal 100. Werden eine Speiseleitfähigkeit von 1.000 µS/cm und eine Permeatleitfähigkeit von 20 µS/cm gemessen, ist der Salzrückhalt gleich (1 minus 20 geteilt durch 1000) mal 100 gleich 98 %. Eine neue Polyamidmembran erreicht einen Rückhalt von über 99 %; sinkt der Rückhalt mit der Zeit, kommen Membranalterung oder eine Leckage am O-Ring in Betracht.

Der Salzdurchgang (Salt Passage) ist das Komplement des Rückhalts und entspricht 100 % minus Salzrückhalt. Bei 98 % Rückhalt beträgt der Salzdurchgang 2 %. Der Salzdurchgang nimmt im Betrieb zu; je stärker die Membran verschmutzt, verdichtet oder chemisch geschädigt wird, desto höher steigt die Permeatleitfähigkeit. Die praktische Überwachungsregel lautet: Steigt die normalisierte Permeatleitfähigkeit auf 10–15 % über den Anfangswert, wird eine Membranreinigung (CIP) eingeplant. Diese Überwachung zeigt frühzeitig, warum die Membran zusetzt. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Bei der Messung sind zwei Punkte zu beachten. Der erste ist die Temperaturkorrektur; die Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur, weshalb industrielle Leitfähigkeitsmessgeräte den Wert auf 25 °C normalisieren. Ohne Temperaturkorrektur sind im Sommer und im Winter gemessene Werte nicht vergleichbar. Der zweite ist die Kalibrierung; wird die Leitfähigkeitssonde nicht regelmäßig mit einer Standardlösung kalibriert, wird die Berechnung des Salzrückhalts irreführend und führt zu unnötigen Entscheidungen für einen Membranwechsel.

Die Vorbehandlung ist eine Folge von Stufen, die das Rohwasser vor dem Eintritt in die RO-Membran von Partikeln, Chlor, Kolloiden und kalkbildenden Ionen befreien, die die Membran zusetzen würden, und sie bestimmt maßgeblich die Lebensdauer des RO-Systems. Ohne eine gute Vorbehandlung setzt sich selbst die teuerste Membran innerhalb von Monaten zu. Die typische industrielle Vorbehandlungsfolge lautet: Sandfilter (Mehrschichtfilter), Aktivkohlefilter, Mikrofilterkartusche und Antiscalant-/pH-Dosierung.

Der Sandfilter ist die erste Stufe, die Schwebstoffe und Trübung im Wasser zurückhält. Mehrschichtfilter trennen typischerweise Partikel oberhalb von 20–50 µm ab und sollen den SDI-Wert (Silt Density Index) im RO-Speisewasser senken; die für RO-Membranen empfohlene Obergrenze ist SDI 5, vorzugsweise unter 3. Der Sandfilter wird regelmäßig rückgespült (Backwash), und das Bettmaterial wird periodisch erneuert. Sie können sich unsere Produktgruppe Sandfilter ansehen. (Details: RO-Membranen zur Wasseraufbereitung)

Der Aktivkohlefilter schützt die Membran vor freiem Chlor und entfernt Geruch und Farbe des Wassers. Diese Stufe ist kritisch, denn Polyamidmembranen sind empfindlich gegenüber Chlor; eine Membran, die dauerhaft 0,1 ppm freiem Chlor ausgesetzt ist, verliert nach einer kumulierten Dosis von etwa 1.000 ppm·h dauerhaft ihren Rückhalt in Prozent und beginnt, Salz durchzulassen. Die Aktivkohleadsorption senkt den Chlorrest auf unter 0,05 ppm; in großen Anlagen wird das Chlor alternativ durch Dosierung von Natriumbisulfit entfernt.

Antiscalant ist eine Chemikalie, die auf der Konzentratseite die Kristallisation von Salzen wie Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Kieselsäure verzögert, und sie ist das entscheidende Element, das eine hohe Ausbeute ermöglicht. Es wird dem Speisewasser mit einer Dosierpumpe meist im Bereich von 2–5 ppm zugegeben; die richtige Dosis wird anhand der Wasseranalyse und der Ziel-Ausbeute mit einer Projektionssoftware berechnet. Zu Aufgabe, Wirkmechanismus und Dosisauswahl von Antiscalant finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Was ist Antiscalant? Warum wird es in Umkehrosmoseanlagen eingesetzt?)

Maßstab der Vorbehandlungsauslegung sind SDI und LSI. Der SDI zeigt die Neigung des in die Membran eintretenden Wassers zu kolloidalem Zusetzen, der Langelier-Sättigungsindex (LSI) die Neigung des Wassers zu Kalkausfällung. Ist der LSI auf der Konzentratseite positiv und reicht das Antiscalant nicht aus, wird durch Vorenthärtung (Ionenaustauscherharz) oder Säuredosierung der pH-Wert gesenkt. Ist die Vorbehandlungskette richtig aufgebaut, beträgt die Membranlebensdauer 3–5 Jahre, bei schlechtem Aufbau sinkt sie auf 6–12 Monate. Zur Logik der Wasserenthärtung finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Was ist eine Wasserenthärtungsanlage? Hilft sie wirklich gegen kalkhaltiges Wasser?)

Bei der industriellen RO bedeutet Stufe (Stage), dass das Konzentrat als Speisewasser der nächsten Membrangruppe wiederverwendet wird; Pass bedeutet, dass das Permeat ein zweites Mal durch eine RO geleitet wird. Beide dienen unterschiedlichen Zwecken: Stufen erhöhen die Ausbeute, Pässe verbessern die Permeatqualität. Sie dürfen nicht verwechselt werden, denn eine Dimensionierung mit dem falschen Konzept verfehlt in einer Anlage sowohl das Energie- als auch das Qualitätsziel.

• Einstufig, einpassig (Single Pass) — Das Wasser durchläuft nach der Vorbehandlung die RO einmal; die gängigste Anordnung bei Leitungs- und Brunnenwasser, die Permeatleitfähigkeit sinkt typischerweise auf 10–50 µS/cm
• Zweistufig (Two Stage) — Das Konzentrat der ersten Stufe wird der zweiten Stufe zugeführt; die Ausbeute steigt von 50 % auf 75–80 %, die Membranzahl wird im Verhältnis 2:1 pyramidenförmig angeordnet
• Zweipassig (Two Pass) — Das Permeat der ersten RO durchläuft die zweite RO erneut; die Permeatleitfähigkeit sinkt auf unter 1–5 µS/cm, erforderlich für Kesselspeisewasser sowie für die Elektronik- und Pharmaindustrie
• Konzentratrezirkulation — Ein Teil des Konzentrats wird dem Speisewasser wieder beigemischt; bei niedrigem Speisevolumenstrom erhält sie die Überströmung der Membranoberfläche und verzögert das Zusetzen
• Anwendung — Einpassig: Trinkwasser und allgemeines Prozesswasser; Zweistufig: Brunnenwasser mit hohem Ausbeutebedarf; Zweipassig: Reinstwasser; Meerwasser: einpassig mit hohem Druck, bei Bedarf ein zweiter Pass

Die pyramidenförmige Anordnung der Stufen ist eine hydraulische Notwendigkeit. In der ersten Stufe ist der Speisevolumenstrom hoch, und es werden viele parallele Druckrohre benötigt; da der Volumenstrom mit fortschreitender Aufkonzentrierung sinkt, werden in der zweiten Stufe weniger Druckrohre eingesetzt. Eine typische 2:1-Anordnung besteht aus sechs Druckrohren in der ersten und drei Druckrohren in der zweiten Stufe. Ziel ist es, die Konzentratströmungsgeschwindigkeit in jedem Modul über der Mindestgrenze zu halten und die Membranoberfläche so kontinuierlich zu spülen.

Bei zweipassigen Systemen ist das Permeat des ersten Passes sehr salzarm, weshalb die Pumpe des zweiten Passes einen niedrigeren Druck benötigt, und das Konzentrat des zweiten Passes (immer noch Wasser guter Qualität) wird in das Speisewasser des ersten Passes zurückgeführt. Diese Rückführung senkt das aus dem zweiten Pass anfallende Abwasser auf nahezu null. Bei Anwendungen, die eine Leitfähigkeit unter 1 µS/cm verlangen, wie Elektronik, Pharma und Dampfkesselspeisewasser, ist der zweipassige Betrieb heute Standard. Sie können sich unsere Produktgruppe für industrielle Lösungen ansehen. (Details: Wasseraufbereitung)

Die Auslegung eines RO-Systems ist eine Rechenkette, die vom Ziel-Permeatvolumenstrom rückwärts verläuft. Die Reihenfolge lautet: Der Ziel-Permeatvolumenstrom wird festgelegt, die Ausbeute gewählt, der Speisevolumenstrom ermittelt, Membranfläche und Modulzahl werden aus dem Flux berechnet, und zuletzt werden Pumpendruck und Pumpenleistung bestimmt. Das folgende Beispiel löst Schritt für Schritt eine Brunnenwasseranlage, die 6 m³/h Permeat benötigt.

Schritt 1, Speisevolumenstrom. Beträgt das Ziel-Permeat 6 m³/h und die gewählte Ausbeute 75 %, ist der Speisevolumenstrom gleich Permeat geteilt durch Ausbeute gleich 6 geteilt durch 0,75 gleich 8 m³/h. Der Konzentratvolumenstrom ergibt sich zu 8 minus 6 gleich 2 m³/h. Der Aufkonzentrierungsfaktor beträgt 1 geteilt durch (1 minus 0,75) gleich 4; das heißt, die Salzkonzentration im Konzentrat nähert sich dem Vierfachen des Speisewassers, und Antiscalant ist an dieser Stelle zwingend.

Schritt 2, Membranfläche und Modulzahl. Wird ein Auslegungsflux von 22 LMH (0,022 m³/m²·h) gewählt, ergibt sich die erforderliche Membranfläche als Permeatvolumenstrom geteilt durch Flux gleich 6.000 l/h geteilt durch 22 l/m²·h gleich etwa 273 m². Beträgt die aktive Fläche einer 8040-Membran etwa 37 m², ergibt sich die erforderliche Modulzahl als 273 geteilt durch 37 gleich etwa 7,4, also 8 Module. Diese werden in einer 2:1-Anordnung auf sechs und zwei Druckrohre verteilt; werden je Druckrohr vier Module eingesetzt, genügen zwei Druckrohre.

Schritt 3, Druck und Leistung. Bei einer Brunnenwasserleitfähigkeit von 2.500 µS/cm (etwa 1.600 ppm TDS) beträgt der osmotische Druck etwa 1,1 bar und steigt bei der Aufkonzentrierung auf der Konzentratseite auf etwa 3–4 bar. Zusammen mit dem Modulverlust und der Nettotriebkraft berechnet sich ein Speisedruck von 14–15 bar. Die Pumpenleistung ergibt sich zu P gleich 8 mal 15 geteilt durch 36 geteilt durch 0,72 gleich etwa 4,6 kW. Dieses System, das 6.000 Stunden im Jahr läuft, verbraucht etwa 27.600 kWh/Jahr; Energie gehört zu den wichtigsten Posten der Betriebskosten.

Schritt 4, Prüfung der Permeatqualität. Bei einer Speiseleitfähigkeit von 2.500 µS/cm und einem Membranrückhalt von 98,5 % ergibt sich eine Permeatleitfähigkeit von grob 2.500 mal 0,015 gleich etwa 38 µS/cm; das genügt für Trinkwasser und allgemeines Prozesswasser. Werden für Kesselspeisewasser unter 5 µS/cm benötigt, wird ein zweiter Pass ergänzt. Die Auslegung geht immer dann auf, wenn diese vier Schritte konsistent sind; wer einen auslässt, erhält eine Anlage, die entweder zu wenig Wasser oder Wasser schlechter Qualität liefert. Zur Antiscalant-Dosierung finden Sie Informationen in unserem Ratgeber zur Dosierpumpe. (Details: Was ist eine Dosierpumpe? Wo wird sie eingesetzt und wie wählt man sie aus?)

Die Remineralisierung des RO-Permeats ist das Zurückführen von Mineralstoffen wie Calcium und Magnesium in das weitgehend entsalzte Wasser, und sie ist bei Trinkwasseranwendungen aus gesundheitlichen Gründen und wegen der Korrosion erforderlich. RO-Permeat hat typischerweise eine Leitfähigkeit von 10–50 µS/cm und eine geringe Härte; dieses Wasser ist aggressiv, das heißt, es löst metallische Rohre und Armaturen auf und führt zu Korrosion. Dieses Wasser mit negativem Langelier-Index baut keine Schutzschicht auf, sondern löst die vorhandene Schicht auf.

Die Remineralisierung erfolgt auf zwei Wegen. Der erste ist die Filtration über einen mit Calcit (Calciumcarbonat) gefüllten Filter; das Wasser löst den Calcit langsam, Härte und pH-Wert steigen, der LSI nähert sich dem Gleichgewicht. Der zweite ist die kontrollierte Beimischung von etwas hartem Rohwasser zum RO-Permeat (Blending); dieses Verfahren führt Mineralstoffe zu und hält zugleich die Ausbeute wirtschaftlich. Bei Trinkwasseranlagen besteht das Ziel darin, die Permeatleitfähigkeit nach der Remineralisierung in den Bereich von 150–300 µS/cm und den pH-Wert in den Bereich von 7,5–8,5 zu bringen.

In der industriellen Anwendung ist das Ziel der Remineralisierung ein anderes. Permeat für Kesselspeisewasser und die Elektronikindustrie soll keine Mineralstoffe enthalten, sondern im Gegenteil möglichst rein sein. Im Trinkwasser-, Lebensmittel- und Getränkesektor wird dagegen das Mineralgleichgewicht wiederhergestellt. Deshalb bestimmt die Frage, wohin der RO-Austritt führt, die Entscheidung zur Remineralisierung von Anfang an. Zu den Filtrationsstufen und zur Auswahl der Mineralfüllung finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

Die Betriebskosten eines RO-Systems sind die Summe von vier Hauptpositionen: Energie, Membranerneuerung, Verbrauchsmaterial der Vorbehandlung und Chemikalienverbrauch. Das Gewicht dieser Positionen hängt vom Salzgehalt des Speisewassers ab; bei Leitungswasser bleibt die Energie zweitrangig, bei Meerwasser macht sie mehr als die Hälfte der Gesamtkosten aus. Die Kostenpositionen vorab aufzuschlüsseln bestimmt gemeinsam das Ziel einer wirtschaftlichen Ausbeute und der richtigen Membranlebensdauer.

• Energie — Die von der Hochdruckpumpe aufgenommenen kW; bei Leitungswasser 0,4–0,8 kWh/m³ Permeat, bei Meerwasser ohne Energierückgewinnungseinheit 4–6 kWh/m³
• Membranerneuerung — Eine gut betriebene Membran hält 3–5 Jahre; die jährliche Abschreibung hängt von der Gesamtzahl der Module und der Speisewasserqualität ab, bei schlechter Vorbehandlung sinkt die Standzeit auf 6–12 Monate
• Verbrauchsmaterial der Vorbehandlung — Erneuerung des Sandbetts, Austausch der Aktivkohle und Mikrofilterkartusche; Kartuschenfilter werden gewechselt, wenn der Druckverlust um 1 bar gestiegen ist
• Chemikalien — Antiscalant-Dosierung von 2–5 ppm, bei Bedarf Säure oder Bisulfit; CIP-Chemikalien je nach Reinigungshäufigkeit
• Abwassergebühr — Der Konzentratvolumenstrom hängt von der Ausbeute ab; bei 60 % Ausbeute werden je 6 m³ erzeugtem Permeat 4 m³ Konzentrat abgeleitet, und dieses Wasser verursacht wegen seines Salzgehalts Entsorgungskosten

Zwischen Ausbeute und Energie besteht ein gegenläufiges Gleichgewicht. Eine höhere Ausbeute verringert die Abwassermenge und senkt die Wasserkosten, doch weil der osmotische Druck auf der Konzentratseite steigt, nimmt die von der Pumpe aufgenommene Energie zu. Steigt eine Anlage zum Beispiel von 50 % auf 75 % Ausbeute, halbiert sich der Konzentratvolumenstrom, aber der osmotische Druck verdoppelt sich etwa. Deshalb ist die optimale Ausbeute der Punkt, an dem die Summe aus Wasserkosten und Energiekosten am geringsten ist, und sie wird für jede Anlage gesondert berechnet.

Bei der Meerwasser-RO verändert die Energierückgewinnungseinheit (ERD) die Kosten grundlegend. Das Konzentrat verlässt das System mit hohem Druck (55–70 bar); wird dieser Druck über einen Druckaustauscher (isobar oder Turbine) auf das Speisewasser übertragen, sinkt die von der Pumpe aufgenommene Energie um etwa 50–60 %. Während eine Meerwasseranlage ohne ERD 5–6 kWh/m³ verbraucht, sinkt der Verbrauch einer Anlage mit ERD auf 2,5–3 kWh/m³. Bei Leitungswassersystemen ist eine ERD dagegen nicht wirtschaftlich, weil der Druck ohnehin niedrig ist. Zur Dosierung und Chemikalienzufuhr finden Sie Informationen in unserem Ratgeber zur Dosierpumpe. (Details: Was ist eine Dosierpumpe? Wo wird sie eingesetzt und wie wählt man sie aus?)

Die Begriffsübersicht eines RO-Systems ist eine schnelle Nachschlagetabelle, die die Größen, denen Sie in einem Projekt begegnen, und ihre typischen Wertebereiche an einer Stelle zusammenfasst. Jeder der folgenden Punkte nennt eine Größe, ihre Einheit und ihren praxisüblichen Wertebereich; ein System, das außerhalb dieser Werte liegt, ist entweder falsch dimensioniert oder sendet ein Störungssignal.

• Osmotischer Druck — Vom Salzgehalt des Wassers abhängiger Gleichgewichtsdruck; je 100 ppm TDS etwa 0,07 bar, bei Meerwasser etwa 25 bar
• Betriebsdruck — Der Gesamtdruck, den die Pumpe liefern muss; Leitungswasser 10–15 bar, Brackwasser aus Brunnen 15–25 bar, Meerwasser 55–70 bar
• Ausbeute — Verhältnis von Permeat zu Speisewasser; bei Leitungswasser 50–75 %, bei Meerwasser 35–45 %
• Salzrückhalt — Anteil des von der Membran zurückgehaltenen Salzes; bei neuer Polyamidmembran 99–99,7 %, im Betrieb gelten 96–99 % als akzeptabel
• Leitfähigkeit — Indikator für den Salzgehalt in µS/cm; Leitungswasser 300–800, Brackwasser aus Brunnen 2.000–5.000, Meerwasser 45.000–55.000, Permeat 10–50
• Flux — Permeatvolumenstrom je Flächeneinheit der Membran in LMH; bei der RO von Leitungswasser 20–30 l/m²·h
• SDI — Indikator für kolloidales Zusetzen; im RO-Speisewasser unter 5, vorzugsweise unter 3
• Freies Chlor — Obergrenze für Polyamidmembranen; am Austritt der Vorbehandlung muss der Wert unter 0,05 ppm liegen
• Antiscalant-Dosis — Chemikalie gegen Kalkausfällung; in der Regel 2–5 ppm, je nach Wasseranalyse
• Membranlebensdauer — Bei guter Vorbehandlung 3–5 Jahre, bei schlechter Vorbehandlung 6–12 Monate

Diese Übersicht dient auch als Diagnosewerkzeug. Überschreitet zum Beispiel die Permeatleitfähigkeit den Bereich von 50 µS/cm und steigt weiter, ist der Salzrückhalt gesunken, und es werden Membranalterung oder eine Leckage am O-Ring untersucht. Steigt der Betriebsdruck über den erwarteten Wert, ist die Membran verschmutzt oder verdichtet. Die Werte regelmäßig zu protokollieren und mit diesen Bereichen zu vergleichen, ist der günstigste Weg, eine Störung zu erkennen, bevor sie größer wird. Zum Aufbau industrieller Wasseraufbereitungsanlagen finden Sie Informationen in unserem Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken)

CIP (Clean in Place) ist die chemische Reinigung der Membran an Ort und Stelle, ohne sie aus dem System auszubauen, und wird durchgeführt, wenn die Leistung bestimmte Schwellen überschreitet. Gemessen an den Grundwerten der Inbetriebnahme lösen drei Anzeichen eine CIP aus: wenn der normalisierte Permeatvolumenstrom um 10–15 % sinkt, wenn der Druckverlust zwischen den Stufen um 15 % steigt oder wenn die normalisierte Permeatleitfähigkeit um 10–15 % steigt. Ohne diese drei Werte zu protokollieren, lässt sich nicht erkennen, wann eine Reinigung erforderlich ist.

Das Reinigungsmittel wird nach der Art der Verschmutzung gewählt. Für Kalk- und Metalloxidbeläge (anorganische Verschmutzung) wird ein saurer Reiniger mit niedrigem pH-Wert (pH 2–3, auf Basis von Zitronensäure oder HCl), für organische Verschmutzung und Biofilm ein alkalischer Reiniger mit hohem pH-Wert (pH 11–12) verwendet. Liegen beide Verschmutzungen gemeinsam vor, wird zuerst alkalisch und dann sauer gereinigt. Die Reinigungslösung wird bei 30–40 °C mit niedrigem Druck und hohem Volumenstrom an der Membran entlang umgewälzt; der Druck wird nicht erhöht, denn das Ziel ist das Spülen, nicht die Permeaterzeugung.

Die CIP-Häufigkeit ist ein Spiegel der Qualität der Vorbehandlung. Eine Leitungswasser-RO mit guter Vorbehandlung benötigt 1–2 CIP im Jahr, während ein System mit unzureichender Vorbehandlung oder schwierigem Speisewasser monatlich gereinigt werden muss. Häufige CIP sind ein Zeichen dafür, dass die Ursache nicht an der Membran, sondern in der Vorbehandlung zu suchen ist. Wie sich die Membranlebensdauer verlängern lässt, finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

RO und Wasserenthärtung sind zwei getrennte Verfahren, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen, und das eine ersetzt nicht das andere. Die Wasserenthärtung (Ionenaustauscherharz) tauscht ausschließlich die härtebildenden Calcium- und Magnesiumionen gegen Natrium aus; den Gesamtsalzgehalt des Wassers (TDS) verändert sie nahezu nicht. Die RO dagegen senkt alle gelösten Salze einschließlich der Härte um 96–99 %. Das heißt: Die Enthärtung verhindert Kalk, die RO entfernt das Salz.

Beide ergänzen sich meistens. Wird bei hartem Brunnenwasser vor der RO eine Wasserenthärtung angeordnet, verhindert sie die Calciumcarbonatausfällung auf der Konzentratseite und ermöglicht der RO den Betrieb mit höherer Ausbeute und weniger Antiscalant. Die Enthärtung kann also als Vorbehandlungsstufe für die RO dienen. Die Entscheidung hängt von der Härte des Wassers ab: Bei sehr hartem Wasser über 25 °dH ist eine Enthärtung vor der RO in den meisten Auslegungen wirtschaftlich.

Die Wahl richtet sich nach der Anwendung. Geht es nur darum, Kalk und Kesselstein zu verhindern, und ist der Salzgehalt des Wassers ohnehin niedrig, genügt die Wasserenthärtung, und sie lässt sich wesentlich günstiger betreiben. Geht es darum, reines Wasser mit niedriger Leitfähigkeit zu erzeugen (Trinkwasser, RO-Trinkwasser, Prozesswasser, Reinstwasser), reicht die Enthärtung nicht aus, und die RO ist zwingend. Einen ausführlichen Vergleich beider Verfahren finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Wie wählt man eine Wasserenthärtungsanlage für Haus und Betrieb aus? Ratgeber zur Kapazitätsberechnung)

Die entscheidende Realität beim Betrieb einer industriellen RO in Istanbul ist die saisonale Schwankung der Speisewasserqualität. Die Leitfähigkeit des Leitungswassers kann im Jahresverlauf zwischen 250 und 600 µS/cm schwanken; in regenreichen Zeiten steigen Trübung und organische Fracht, in trockenen Zeiten steigt die Leitfähigkeit. Diese Schwankung verändert bei einer fest eingestellten RO sowohl die Permeatqualität als auch die Ausbeute; deshalb muss das System für die ungünstigste Speisewasserbedingung dimensioniert und müssen die Einstellungen je nach Jahreszeit überprüft werden.

Das Ingenieurteam von Pomeka Mekanik unterstützt von seinem Standort in Kadıköy aus Wasseraufbereitungsprojekte von Betrieben, Hotels, Krankenhäusern und Fabriken in ganz Istanbul mit Wasseranalyse, Dimensionierung von Membran und Pumpe, Auslegung der Vorbehandlung und Unterstützung bei der Inbetriebnahme. In unserer Praxis sind die beiden Probleme, die wir am häufigsten sehen, eine zu klein gewählte Vorbehandlung und ein nicht kalibriertes Leitfähigkeitsmessgerät; beide führen zu einem vorzeitigen Membranwechsel und zu unnötigen Kosten.

Eine weitere Realität in der Praxis ist die Entsorgung des anfallenden Konzentrats. Ein System mit 10 m³/h Speisevolumenstrom bei 60 % Ausbeute erzeugt pro Stunde 4 m³ salziges Konzentrat, und dieses Wasser darf wegen seines hohen Salzgehalts nicht direkt in die Regenwasserleitung eingeleitet werden. Wird das Konzentratmanagement (Rückführung, Verdünnung oder Einleitgenehmigung für die Kanalisation) nicht zu Projektbeginn geplant, entsteht im Betrieb das Risiko behördlicher Sanktionen. Zu unseren Produkten und unserem Markenportfolio siehe unsere Seite „Marken“. (Details: unsere Markenseite)