Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken

Eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage ist eine mehrstufige Anlage, die Rohwasser aus dem Leitungsnetz oder aus Brunnen auf die Qualität und den Volumenstrom bringt, die ein Produktionsprozess erfordert. Der Unterschied zu Geräten für Wohngebäude liegt im Volumenstrom in der Größenordnung von Kubikmetern pro Stunde, im Dauerbetrieb und in der zugesicherten, messbaren Austrittsqualität. In der Fabrik ist sie notwendig, weil Kessel, Kühlturm, Produktionslinie und Reinigungswasser jeweils unterschiedliche Qualitäten verlangen und ein einziges Wasser nicht alle bedienen kann. Eine Wasseraufbereitungsanlage für eine Fabrik wird deshalb nicht als einzelnes Gerät ausgelegt, sondern als Anlage mit mehreren Ausgängen, die unterschiedliche Qualitäten an unterschiedliche Stellen liefert.

Im Fabrikmaßstab hängt die Rolle des Wassers vom Prozess ab. Ein Lebensmittelbetrieb verlangt für Wasser mit Produktkontakt mikrobiologische und chemische Reinheit, eine Textilfärberei benötigt für die Farbwiederholbarkeit geringe Härte, ein Dampfkessel erwartet Wasser mit begrenzter Leitfähigkeit und begrenztem Silikatgehalt. Deshalb beginnt die Auswahl damit, dass zunächst erfasst wird, an welcher Stelle welche Qualität erforderlich ist. Zur allgemeinen Funktionsweise der Wasserfiltration sehen Sie sich unseren Ratgeber zur Filtration an. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

In einem Anfangsprojekt bestimmen drei Fragen alles. Erstens: Was ist das Quellwasser und wie stark ist es verunreinigt; zweitens: In welcher Qualität und mit wie vielen m³/Tag Wasser verlangt der Prozess; drittens: Welcher Schaden entsteht, wenn die Produktion steht, also wie kritisch die Redundanz ist. Jedes Angebot, das ohne die Antworten auf diese drei Fragen abgegeben wird, verursacht später Kosten für eine Erweiterung oder einen kompletten Umbau. In einem Lebensmittelproduktionsbetrieb in Istanbul-Kadıköy führte allein die Tatsache, dass das Leitungswasser eine Härte von 22 °dH aufwies, dazu, dass das Projekt auf eine Auslegung mit Schwerpunkt Enthärtung umgestellt wurde.

Die Rohwasseranalyse ist der Laborsatz an Messungen, der die Grundlage des Aufbereitungsprojekts bildet und die Stufen der Anlage bestimmt. Eine Anlage, die mit einer falschen oder unvollständigen Analyse dimensioniert wird, wird entweder teurer als nötig errichtet oder setzt sich in den ersten Monaten zu. Deshalb beginnt ein Projekt immer mit der Rohwasseranalyse und nicht mit der Geräteauswahl. Die wichtigsten zu messenden Parameter sind Härte, Leitfähigkeit, TDS, Eisen, Mangan, Trübung, pH-Wert und Chlorgehalt.

• Gesamthärte – Einheit °dH oder mg/l CaCO₃; Enthärtung und Membranschutz werden nach diesem Wert dimensioniert; Wasser über 15 °dH gilt in der Industrie als hart
• Leitfähigkeit – Einheit µS/cm; zeigt die gesamte im Wasser gelöste Ionenfracht an; erster Hinweis auf den Bedarf an Umkehrosmose
• TDS – Einheit ppm oder mg/l; gelöste Feststoffe gesamt; steht in etwa in Beziehung zur Leitfähigkeit, und das Ziel am RO-Austritt wird mit diesem Wert ausgedrückt
• Eisen und Mangan – Einheit mg/l; Werte über 0,3 mg/l Eisen und 0,05 mg/l Mangan verursachen Verfärbung, Geruch und Membranverstopfung
• Trübung – Einheit NTU; Fracht an Schwebstoffen; Werte über 1 NTU machen eine Vorfiltration zwingend erforderlich
• pH-Wert – Bestimmt die Membranauswahl, den Antiscalant-Typ und das Korrosionsrisiko
• Freies Chlor – Einheit mg/l; da es Dünnschicht-Komposit-Membranen (Thin-Film-Composite) schädigt, ist es ein kritischer Parameter, der vor der RO entfernt werden muss

Das Zusammenspiel dieser Parameter lenkt die Auswahl der Stufen. Treten hohe Härte und hohe Leitfähigkeit gemeinsam auf, reicht die Enthärtung allein nicht aus, es ist Umkehrosmose erforderlich. Bei hohem Eisen- und Mangangehalt sind eine Voroxidation und ein Spezialfilter erforderlich; andernfalls fallen diese Metalle auf der Membranoberfläche aus. Bei hoher Trübung ist vor der RO eine mehrstufige Vorfiltration unerlässlich. Zur Funktionsweise von Sand- und Kohlefiltern bei der Entfernung von gelöstem Eisen und Mangan im Wasser sehen Sie sich unseren Ratgeber an. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

Beim Lesen des Analyseergebnisses ist zu bedenken, dass eine einzelne Probe irreführend sein kann. Brunnenwasser schwankt mit der Jahreszeit, Leitungswasser unterscheidet sich je nach Region, und die Messung sollte zu mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten wiederholt werden. Am Ursprung der Verstopfungsmechanismen, die die Lebensdauer der Membran verkürzen, steht meistens eine unvollständige Rohwasseranalyse; Details dazu finden Sie in unserem Ratgeber zur Membranverstopfung. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Der Prozesswasserbedarf ist der Auslegungsvolumenstrom, der berechnet wird, indem die Volumenströme aller Verbrauchsstellen der Fabrik addiert und mit der täglichen Betriebsdauer multipliziert werden. Die Antwort auf die Frage, wie der Prozesswasserbedarf berechnet wird, hat zwei Stufen: Zuerst wird der tägliche Gesamtverbrauch in m³/Tag ermittelt, dann wird er danach, in wie vielen Stunden die Anlage dieses Wasser erzeugen soll, in den stündlichen Volumenstrom in m³/h umgerechnet. Die Anlage wird nicht immer nach dem stündlichen Spitzenvolumenstrom dimensioniert, sondern nach dem Tagesbedarf und der Speicherung.

Schritt-für-Schritt-Beispiel: In einem Betrieb benötigt die Produktionslinie 8 m³/Tag, das Kesselspeisewasser 4 m³/Tag, das CIP-Reinigungswasser 5 m³/Tag und die allgemeine Nutzung 3 m³/Tag. Der Gesamtbedarf beträgt 8 plus 4 plus 5 plus 3 gleich 20 m³/Tag. Wird dazu ein Sicherheitszuschlag von ca. 15 Prozent addiert, steigt der Auslegungsvolumenstrom auf etwa 23 m³/Tag. Dieser Zuschlag dient dazu, Wachstum und Spitzentage abzudecken.

Im zweiten Schritt wird der Tagesvolumenstrom in den Stundenvolumenstrom umgerechnet. Soll die Anlage 20 Stunden am Tag laufen, beträgt die stündliche Erzeugung 23 geteilt durch 20 gleich ca. 1,15 m³/h. Soll dasselbe Wasser in 10 Stunden am Tag erzeugt werden, steigt der Stundenvolumenstrom auf 2,3 m³/h. Die Regel dabei ist eindeutig: Ein Betrieb der Anlage in wenigen Stunden erfordert größere und teurere Ausrüstung, ein Betrieb über viele Stunden dagegen einen größeren Speicherbehälter. Das Gleichgewicht zwischen diesen beiden Kostenpositionen ist das Herzstück des Projekts.

Auch das Speichervolumen ergibt sich aus dieser Berechnung. Der Reinwasserbehälter wird so bemessen, dass er mindestens den Bedarf eines halben Tages deckt; für einen Bedarf von 20 m³/Tag ist ein Reinwasserbehälter mit 10–12 m³ ein typischer Anfangswert. Die Speicherung deckt sowohl in Spitzenzeiten den Volumenstrom ab als auch dafür, dass die Produktion nicht stillsteht, wenn die Aufbereitungsanlage in Wartung ist. Eine Anlage, die ohne Speicherung ausgelegt wird, reicht in jeder Spitzenlast nicht aus.

Die industriellen Aufbereitungsstufen werden so angeordnet, dass sie die Verschmutzungsfracht des Wassers schrittweise verringern und jede Stufe die nachfolgende schützt. Die Standardreihenfolge lautet: Vorfiltration, anschließend Enthärtung, dann Umkehrosmose und zuletzt, falls erforderlich, EDI oder Vollentsalzung. Diese Reihenfolge ist nicht willkürlich; jede Stufe schützt die teure nachfolgende Ausrüstung vor grober Verschmutzung und senkt die gesamten Betriebskosten.

• 1. Vorfiltration – Mit Sandfilter und Aktivkohlefilter werden Trübung, Schwebstoffe und freies Chlor entfernt; schützt die Membran vor physikalischen und chemischen Schäden
• 2. Enthärtung – Mit einer Wasserenthärtungsanlage mit Ionenaustauscherharz werden Calcium und Magnesium zurückgehalten; verhindert Kalkausfall auf der RO-Membran
• 3. Feinfiltration – Eine 5-µm-Filterkartusche hält die im Wasser zur Membran verbleibenden Partikel zurück
• 4. Umkehrosmose (RO) – Entfernt ca. 95–99 Prozent der gelösten Salze; senkt Leitfähigkeit und TDS auf den Zielwert
• 5. EDI oder Vollentsalzung – Senkt, wenn Reinstwasser erforderlich ist, die Leitfähigkeit bis in die Größenordnung von 0,1 µS/cm

In dieser Reihenfolge ist die Rolle der Vorfiltration entscheidend. Wird Wasser mit einer Trübung über 1 NTU direkt auf die Membran gegeben, setzt sich die Membranoberfläche innerhalb von Wochen zu, und der Rückgewinnungsgrad sinkt. Der Sandfilter hält grobe Feststoffe zurück, die Aktivkohle dagegen Chlor und organische Stoffe; zusammen bilden beide die erste Verteidigungslinie vor der Membran. Welche Aufgabe Sand- und Aktivkohlefilter jeweils haben, finden Sie ausführlich in unserem Ratgeber zur Filtration. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

Die Enthärtungsstufe bestimmt unmittelbar die Lebensdauer der Umkehrosmose. Auf einer mit hartem Wasser gespeisten Membran entsteht eine Ablagerung aus Calciumcarbonat, und diese Ablagerung lässt sich nicht durch Rückspülung entfernen. Deshalb ist bei Wasser über 15 °dH eine Enthärtung vor der RO fast zwingend. Wie die Enthärtungskapazität berechnet wird, haben wir in einem eigenen Ratgeber Schritt für Schritt erklärt. (Details: Wie wählt man eine Wasserenthärtungsanlage für Haus und Betrieb aus? Ratgeber zur Kapazitätsberechnung)

Die Vorfiltration ist die erste Stufe, die Trübung, Schwebstoffe, Eisen-Mangan und freies Chlor aus dem Rohwasser entfernt und das Wasser für die Membran unbedenklich macht. Wird diese Stufe weggelassen oder zu klein gewählt, setzt sich die dahinter liegende teure Umkehrosmosemembran bereits früh in ihrer Lebensdauer zu. Die Vorfiltration besteht typischerweise aus einer Reihe mit Sandfilter, Aktivkohlefilter und 5-µm-Filterkartusche.

Der Sandfilter hält die Schwebstoffe des durch das Filterbett strömenden Wassers mechanisch zurück und senkt die Trübung unter 1 NTU. Der Filterdurchmesser wird über den Auslegungsvolumenstrom und die für das Bett zulässige Filtergeschwindigkeit bestimmt; bei industriellen Filterbetten liegt die typische Filtergeschwindigkeit im Bereich von 15–25 m³/m²·h. Für einen Volumenstrom von 2,3 m³/h ist ein Querschnitt von etwa 0,1–0,15 m² erforderlich, also ein GFK-Behälter in der Größenordnung DN 400–500. Einzelheiten zur Auswahl von GFK-Behältern finden Sie in unserem Ratgeber. (Details: Was ist ein GFK-Behälter? Wie wählt man einen Polyglass-Behälter für Wasseraufbereitungsanlagen aus?)

Der Aktivkohlefilter hält freies Chlor und organische Stoffe zurück. Diese Stufe ist besonders für Dünnschicht-Komposit-RO-Membranen lebenswichtig; freies Chlor über 0,1 mg/l schädigt die Membranoberfläche innerhalb einiger hundert Stunden. Das Aktivkohlebett wird mit einem Volumen gewählt, das die Kontaktzeit sicherstellt, in der das Chlor vollständig entfernt wird; die typische Leerbett-Kontaktzeit beträgt mindestens 6–10 Minuten. Anstelle eines Kohlebetts kann auch eine chemische Chlorentfernung eingesetzt werden; diese erfolgt, indem mit einer Dosierpumpe Natriummetabisulfit dosiert wird.

Bei hohem Eisen- und Mangangehalt wird der Vorfiltration eine Oxidationsstufe hinzugefügt. Gelöstes Eisen wird durch Belüftung oder Oxidationsmitteldosierung ausgefällt und anschließend in einem speziellen Filterbett zurückgehalten. Wird diese Stufe bei Eisen über 0,3 mg/l und Mangan über 0,05 mg/l vernachlässigt, setzen die Metalle sowohl die Filterbetten als auch die Membran zu und legen die gesamte Anlage lahm. Für die Dosierung der Voroxidationschemikalie wird eine Dosierpumpe verwendet; wie eine Dosierpumpe ausgewählt wird, haben wir in unserem Ratgeber erklärt. (Details: Was ist eine Dosierpumpe? Wo wird sie eingesetzt und wie wählt man sie aus?)

Die Wasserenthärtungsstufe ist die Stufe, die die Calcium- und Magnesiumionen im Wasser am Harz gegen Natrium austauscht und die Härte des Wassers auf einen Wert nahe null senkt. In der Industrie erfolgt die Dimensionierung nach Eingangshärte, Tagesvolumenstrom und gewünschter Regenerationshäufigkeit. Die Grundgröße ist die gesamte Härtefracht, die das Harzvolumen aufnehmen kann, also die Harzkapazität. Die folgende Berechnung der Enthärtungskapazität ist das Standardverfahren, mit dem in der Industrie das Harzvolumen bestimmt wird.

Die Kapazitätsberechnung erfolgt mit einer einzigen Beziehung: Erforderliches Harzvolumen gleich gesamte tägliche Härtefracht geteilt durch spezifische Harzkapazität. Beispiel: Die Eingangshärte betrage 22 °dH, der Tagesvolumenstrom 20 m³. Um °dH in mg/l CaCO₃ umzurechnen, wird mit 17,8 multipliziert; 22 mal 17,8 gleich ca. 392 mg/l. Die tägliche Härtefracht beträgt 392 mal 20 gleich 7.840 Gramm CaCO₃, also etwa 7,84 kg/Tag.

Die typische Austauschkapazität des Harzes beträgt etwa 50–60 Gramm CaCO₃ pro Liter. Wird eine Regeneration pro Tag angestrebt, ergibt sich ein erforderliches Harzvolumen von 7.840 geteilt durch 55 gleich ca. 143 Liter. Dieser Wert ist ein vernünftiger Ausgangspunkt für eine kontinuierliche Enthärtungsanlage mit zwei Behältern. Das Harzvolumen bestimmt auch unmittelbar die verbrauchte Salzmenge und das Regenerationswasser.

Wird in der Industrie ununterbrochen Wasser benötigt, reicht eine Enthärtung mit nur einem Behälter nicht aus, weil die Anlage während der Regeneration kein weiches Wasser erzeugen kann. Deshalb werden in Fabriken Duplex-Anlagen mit zwei Behältern oder Triplex-Anlagen mit drei Behältern errichtet; während ein Behälter regeneriert, bleibt der andere in Betrieb. Zur Funktionsweise des Enthärters und seiner Wirkung auf Kalk sehen Sie sich unseren Einführungsratgeber an. (Details: Was ist eine Wasserenthärtungsanlage? Hilft sie wirklich gegen kalkhaltiges Wasser?) Die Aufgabe der automatischen Ventile, die die Regeneration steuern, finden Sie in unserem Ratgeber zu Ventilen. (Details: Was ist ein Runxin-Automatikventil? Wo werden die Baureihen F67, F71, F74 und F116 eingesetzt?)

Die Umkehrosmosestufe ist die Stufe, die Wasser unter Druck durch eine semipermeable Membran leitet, dadurch ca. 95–99 Prozent der gelösten Salze entfernt und die Leitfähigkeit senkt. Die Enthärtung nimmt nur die Härte heraus, sie senkt weder Leitfähigkeit noch TDS; muss die Leitfähigkeit gesenkt werden, kommt die RO zum Einsatz. Wasser mit einer Eingangsleitfähigkeit von 1.000 µS/cm sinkt mit einstufiger RO typischerweise auf einen Austritt von 20–50 µS/cm.

Die Dimensionierung der RO erfolgt nach dem gewünschten Permeatvolumenstrom und der Membranleistung. Eine industrielle 4040-Membran erzeugt je nach Qualität des Eingangswassers etwa 0,5–1,0 m³ Permeat pro Stunde; eine 8040-Membran liegt dagegen in der Größenordnung von 4–8 m³/h. Bei einer Anlage, die 2,3 m³/h Permeat benötigt, werden je nach Eingangsqualität mehrere 4040-Membranen oder eine einzelne 8040-Membran gewählt. Den Unterschied bei der Wahl des Membrandurchmessers finden Sie in unserem Vergleichsratgeber 4040 und 8040. (Details: Wie wählt man eine RO-Membran? Was ist der Unterschied zwischen 4040 und 8040?)

Der Betriebsdruck der RO-Anlage hängt vom osmotischen Druck und von der Temperatur des Eingangswassers ab. Für Leitungswasser liegt der typische Betriebsdruck bei 10–15 bar, bei Brackwasser mit hohem TDS in der Größenordnung von 15–25 bar. Es ist zu bedenken, dass die Membranleistung mit sinkender Temperatur abnimmt; eine Membran, die bei der Referenztemperatur von 25 °C arbeitet, erzeugt bei 10 °C etwa ein Drittel weniger Permeat. Deshalb werden die Winterbedingungen bei der Auslegung berücksichtigt.

Um die RO-Membran vor Kalk und Verstopfung zu schützen, wird Antiscalant dosiert. Antiscalant ist eine Chemikalie, die die Bildung von Calcium- und Silikatablagerungen auf der Membranoberfläche verzögert und dem Eingangswasser mit einer Dosierpumpe zugegeben wird. Wozu Antiscalant dient und warum es unverzichtbar ist, haben wir in einem eigenen Ratgeber erklärt. (Details: Was ist Antiscalant? Warum wird es in Umkehrosmoseanlagen eingesetzt?) Zum allgemeinen Funktionsprinzip der Umkehrosmose sehen Sie sich unseren RO-Einführungsratgeber an. (Details: Was ist ein Umkehrosmose-System (RO)? Wie arbeiten industrielle RO-Systeme?)

Die kurze Antwort auf die Frage, was EDI ist, lautet: EDI, also Elektrodeionisation, ist eine Stufe, die das Wasser am RO-Austritt mithilfe eines elektrischen Felds und Ionenaustauscherharz auf Reinstwasserniveau bringt und keine chemische Regeneration erfordert. Die RO allein senkt die Leitfähigkeit auf 20–50 µS/cm; EDI bringt sie auf die Größenordnung von 0,1 µS/cm, also fast auf vollständig reines Wasser. Diese Stufe wird nur bei Prozessen ergänzt, die Reinstwasser erfordern.

Die typischen Einsatzbereiche, in denen EDI erforderlich ist, sind bekannt. Hochdruck-Dampfkessel, Arzneimittel- und Kosmetikproduktion, Spülwasser für Elektronik und Halbleiter, Laborreinwasser und einige Farbprozesse verlangen EDI. Dagegen genügt für allgemeines Prozesswasser, die Speisung von Kühltürmen und die meisten Lebensmittelanwendungen der RO-Austritt, und EDI wird zu einer überflüssigen Kostenposition. Deshalb wird die EDI-Entscheidung anhand des Leitfähigkeitsziels des Prozesses getroffen.

Die klassische Vollentsalzung ist ein Verfahren als Alternative zu EDI, bei dem die Ionen mit Kationen-Anionen-Harzsäulen zurückgehalten werden. Da dieses Verfahren mit Säure- und Laugenchemikalien regeneriert wird, ist der Betrieb aufwendiger und es entsteht Abwasser. EDI dagegen arbeitet mit Strom, erzeugt keinen chemischen Abfall und liefert kontinuierlich Wasser; deshalb wird bei neuen Anlagen die Kombination aus RO plus EDI bevorzugt. Zur Funktionsweise und zum Austausch von Harzsystemen sehen Sie sich unseren Ratgeber zum Harz an. (Details: Was ist ein Ionenaustauscherharz für die Wasseraufbereitung? Wann sollte das Harz ausgetauscht werden?)

Damit EDI arbeiten kann, ist die Qualität des Eingangswassers entscheidend. EDI verlangt Wasser mit begrenzter Härte und begrenztem Kohlendioxid; deshalb sind vor EDI unbedingt Enthärtung und RO vorhanden. Ein EDI, das mit nicht enthärtetem Wasser gespeist wird, setzt in der Ionenaustauscherschicht Kalk an und verliert rasch an Wirkungsgrad. Diese Abhängigkeit der Stufen zeigt einmal mehr, warum sich die Reihenfolge nicht ändern lässt.

Kapazität und Redundanz sind Auslegungsentscheidungen, die neben der Deckung des normalen Bedarfs sicherstellen, dass die Produktion bei Ausfall einer Stufe nicht stillsteht. Die Kapazität wird über den Auslegungsvolumenstrom bestimmt, die Redundanz über die Kritikalität der Produktion. Bei Fabriken mit kritischen Prozessen lautet die Hauptregel, dass kein einzelner Ausfall die Produktion vollständig zum Stillstand bringen darf.

• Einzelne Straße – Eine RO- und eine Enthärtungsstraße; geringste Anfangsinvestition; bei Wartung läuft die Produktion mit dem Wasser aus der Speicherung weiter; geeignet für kleine und flexible Betriebe
• N+1-Redundanz – Zur erforderlichen Straßenzahl wird eine Reservestraße hinzugefügt; auch wenn eine Straße ausfällt, bleibt die volle Kapazität erhalten; Standard für mittelgroße Betriebe im Dauerbetrieb
• Zwillingsenthärtung – Während ein Behälter regeneriert, liefert der andere; in jeder Industrie, die ununterbrochen weiches Wasser benötigt, zwingend erforderlich
• Speicherpuffer – Reinwasserbehälter für einen halben bis einen Tag; deckt kurzzeitige Ausfälle und Spitzenvolumenstrom; die günstigste Form der Redundanz
• Kritischer Prozess – Bei Linien, deren Stillstand teuer ist, wie Kessel und Produktion, vollständig redundante Doppelanlage; hohe Anfangsinvestition, senkt die Stillstandskosten aber auf null

Die Entscheidung über die Redundanz ist ein Kostenvergleich. Sind die Kosten für eine Stunde Produktionsstillstand höher als die jährliche Abschreibung der Reservestraße, ist die Redundanz wirtschaftlich ohnehin gerechtfertigt. Deshalb ist die Redundanz keine ingenieurtechnische Präferenz, sondern eine Entscheidung der Betriebswirtschaft. In einer kleinen Werkstatt ist eine einzelne Straße sinnvoll, in einem im Dauerbetrieb arbeitenden Lebensmittelbetrieb amortisiert sich eine N+1-Redundanz fast immer.

Die Speicherung ist die günstigste Form der Redundanz und sollte in den meisten Betrieben die erste Lösung sein. Der Rohwasserbehälter versorgt die vorgeschalteten Stufen weiter mit Wasser, wenn die Aufbereitungsanlage steht; der Reinwasserbehälter dagegen sorgt dafür, dass der Prozess auch bei Wartung der Aufbereitung weiterläuft. Beide Behälter zusammen bieten erhebliche Sicherheit, ohne dass eine Reservestraße hinzugefügt wird. Für die Auswahl der Pumpen, die die Anlage speisen, werfen Sie einen Blick auf unsere Produktgruppe Pumpen. (Details: Pumpensysteme)

Der Rückgewinnungsgrad ist das Verhältnis, das angibt, wie viel Prozent des in die Umkehrosmoseanlage eintretenden Wassers als Permeat, also als nutzbares Wasser, austritt. Bei industriellen einstufigen RO-Anlagen liegt der typische Rückgewinnungsgrad im Bereich von 50–75 Prozent; der Rest wird als Konzentrat, das die gelösten Salze enthält, also als Abwasser, abgeführt. Dieses Verhältnis bestimmt unmittelbar die Wasserausbeute und die Abwassermenge der Anlage.

Die Berechnung ist einfach: Eine Anlage, die 2,3 m³/h Permeat erzeugen soll und mit 60 Prozent Rückgewinnung arbeitet, nimmt 2,3 geteilt durch 0,60 gleich ca. 3,83 m³/h Rohwasser auf und scheidet 1,53 m³/h Konzentrat aus. Wird dieselbe Anlage auf 75 Prozent Rückgewinnung gefahren, sinkt der Rohwasserbedarf auf 3,07 m³/h und das Abwasser auf 0,77 m³/h. Eine Erhöhung des Rückgewinnungsgrads senkt sowohl die Wasserrechnung als auch den Abwasservolumenstrom, lässt sich aber nicht unbegrenzt steigern, da sie das Risiko der Membranverstopfung erhöht.

Es gibt mehrere Wege, das Abwasser zu verringern. Wird ein Teil des Konzentratwassers zum Anlageneingang zurückgeführt, lässt sich der Rückgewinnungsgrad erhöhen; dies nennt man Konzentratrückführung. Eine zweite RO-Stufe verarbeitet das Konzentrat der ersten Stufe erneut und gewinnt zusätzliches Permeat. Das Konzentrat kann außerdem an Stellen verwertet werden, die nur geringe Qualität erfordern, etwa für Reinigung, Gartenbewässerung oder als Vorwasser für Kühltürme. So wird das abgeleitete Wasser an anderer Stelle des Prozesses zurückgewonnen.

Bei der Erhöhung des Rückgewinnungsgrads müssen Antiscalant-Dosierung und Membranreinigungsprogramm gemeinsam geplant werden. Bei hoher Rückgewinnung wird das Konzentrat stärker aufkonzentriert, und das Ausfallrisiko auf der Membranoberfläche steigt; dieses Risiko gleichen Antiscalant und regelmäßige chemische Reinigung aus. Warum die Membran verstopft und wie sich ihre Lebensdauer verlängern lässt, finden Sie in unserem eigenen Ratgeber. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Die Wahl des Anlagentyps erfolgt nach dem Wasserqualitätsziel des Prozesses mit klaren Regeln und lässt keinen Raum für Schätzungen. Die Regel lautet: Handelt es sich nur um ein Härteproblem, genügt die Enthärtung; sollen Leitfähigkeit und TDS gesenkt werden, ist RO erforderlich; wird Reinstwasser verlangt, wird RO plus EDI errichtet. Für jedes Ziel ist die Entsprechung bekannt, und eine zusätzliche Stufe bedeutet unnötige Kosten, eine fehlende Stufe dagegen einen Prozessausfall.

• Nur Kalkproblem – Ziel: Härte auf 0 °dH senken; Anlage: Vorfiltration plus Enthärtung; die Leitfähigkeit bleibt unverändert; ausreichend für Kesselspeisung und allgemeine Nutzung
• Prozess mit geringem Salzgehalt – Ziel: Leitfähigkeit auf 20–50 µS/cm senken; Anlage: Vorfiltration, Enthärtung und Umkehrosmose; geeignet für Lebensmittel, Textil und Trinkwasser
• Reinstwasser – Ziel: Leitfähigkeit auf die Größenordnung von 0,1 µS/cm senken; Anlage: Vorfiltration, Enthärtung, RO und EDI; für Arzneimittel, Elektronik und Hochdruckdampf
• Hoher Eisen-Mangan-Gehalt – Ziel: Eisen unter 0,3 mg/l; Anlage: Standardkette mit zusätzlicher Voroxidation und Spezialfilter; für Betriebe mit Brunnenwasser
• Hohe Trübung – Ziel: unter 1 NTU; Anlage: Vorstufe mit mehrstufigem Sandfilter und verstärkter Feinfiltration; für Betriebe mit Oberflächenwasser als Quelle

Die Anwendung dieser Regeln wird an einem Beispiel deutlich. Enthält das Eingangswasser eine Härte von 22 °dH, eine Leitfähigkeit von 900 µS/cm und 0,4 mg/l Eisen und ist das Ziel für die Lebensmittelproduktion ein Wasser mit geringem Salzgehalt, wird die Anlage aus Voroxidation und Eisenfilter, danach Enthärtung und anschließend Umkehrosmose aufgebaut. EDI wird nicht ergänzt, weil der Prozess kein Reinstwasser verlangt. Das ist die konkrete Entsprechung dafür, je nach Ziel Stufen hinzuzufügen.

Bei der Entscheidung muss unterschieden werden, an welcher Stelle welche Wasserqualität erforderlich ist. Anstatt für jede Stelle im Betrieb die höchste Qualität zu erzeugen, senkt eine Auslegung mit mehreren Ausgängen, die weiches Wasser für den Kessel, RO-Wasser für die Produktion und gefiltertes Wasser für die allgemeine Nutzung liefert, sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten. Sehen Sie sich unsere allgemeine Produktgruppe Wasseraufbereitung an, um die für Ihren Bedarf passenden Stufen zu beurteilen. (Details: Wasseraufbereitung)

Betriebskostenpositionen sind die regelmäßigen Ausgaben, die nach der Anfangsinvestition der Anlage laufend anfallen und die Gesamtbetriebskosten bestimmen. In der industriellen Aufbereitung sind diese Positionen Energie, Chemikalien, Verbrauchsmaterial, Abwasser und Wartung. Eine richtig dimensionierte Anlage wird auf lange Sicht wirtschaftlicher, indem sie bei diesen Positionen einspart, auch wenn die Anfangsinvestition etwas höher ausfällt.

• Energie – Die Hochdruckpumpe ist der Hauptverbraucher; mit steigendem RO-Betriebsdruck steigt die Energie; eine Anlage, die statt mit 15 bar mit 12 bar arbeitet, bringt eine deutliche Energieeinsparung
• Chemikalien – Antiscalant, Chlorentferner und pH-Regler; die Dosiermenge hängt von der Rohwasserqualität und vom Rückgewinnungsgrad ab
• Verbrauchsmaterial – Filterkartuschen, Membranen und Harz; die Lebensdauer der Membran beträgt typischerweise 2–5 Jahre, die des Harzes ist länger
• Abwasser – Entgelt für die Konzentrateinleitung und das Regenerationswasser der Enthärtung; eine Position, die sich durch Rückgewinnung verringern lässt
• Salz – Für die Regeneration der Enthärtung; direkt proportional zu Eingangshärte und Volumenstrom; bei hartem Wasser eine bedeutende Position
• Wartung – Regelmäßige Membranreinigung, Bettaustausch und Automatisierungsprüfung; regelmäßige Wartung verhindert große Ausfälle

Da die Energieposition in den meisten Betrieben die größte Ausgabe ist, ist die Pumpenauswahl kritisch. Die Leistung, die die RO-Hochdruckpumpe aufnimmt, steht in unmittelbarem Zusammenhang mit Rückgewinnungsgrad und Betriebsdruck; eine Anlage, die mit unnötig hohem Druck arbeitet, verbrennt in jeder Stunde zusätzliche kWh. Der Einsatz einer Pumpe mit Frequenzumrichter senkt im Teillastbetrieb den Energieverbrauch und verlängert durch den Sanftanlauf die Lebensdauer der Ausrüstung. Für Pumpenlösungen werfen Sie einen Blick auf unsere Produktgruppe. (Details: Pumpensysteme)

Die Positionen Chemikalien und Verbrauchsmaterial stehen in direktem Zusammenhang mit der Rohwasseranalyse. Eine durch gute Vorfiltration geschützte Membran wird seltener ausgetauscht, die richtige Antiscalant-Dosierung senkt die Reinigungshäufigkeit und verlängert die Lebensdauer des Harzes. Deshalb ist das Sparen bei den Vorstufen in der Anfangsinvestition der häufigste Fehler, der die Betriebskosten erhöht. Konkrete Methoden zur Verlängerung der Membranlebensdauer haben wir in einem eigenen Ratgeber zusammengestellt. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Bei der industriellen Wasseraufbereitung erfolgt die Auswahl der Ausrüstung über zuverlässige Marken und anerkannte Auslegungsnormen; die Lebensdauer der Anlage hängt von der richtigen Komponentenwahl ab. Druckbehälter, Ventile, Pumpen und Dosierausrüstung werden in einer Qualität gewählt, die Dauerbetrieb und chemischer Umgebung standhält. Wenn Normen genannt werden, wird die Komponentenqualität mit derselben Sorgfalt bewertet.

Auf der Dosierseite ist zuverlässige Ausrüstung kritisch, weil die richtige Dosierung von Antiscalant und Chlorentferner die Membran schützt. Die digitalen Dosierserien Grundfos DDA und Grundfos DDE sind in der industriellen Aufbereitung weit verbreitete Dosierpumpen mit präzise einstellbarem Volumenstrom. Die Serie Grundfos DDA ist eine fortschrittliche Serie, die selbst bei niedrigen Volumenströmen eine präzise und wiederholbare Dosierung ermöglicht; die Serie Grundfos DDE eignet sich dagegen für wirtschaftlichere Anwendungen. Das von Pomeka Mekanik geführte Grundfos-Sortiment bietet sowohl bei Speise- als auch bei Hochdruckpumpen eine große Auswahl. Die Auswahlkriterien für Dosierpumpen haben wir in unserem Ratgeber ausführlich erläutert. (Details: Was ist eine Dosierpumpe? Wo wird sie eingesetzt und wie wählt man sie aus?)

Bei Druckbehältern und Ventilen sind GFK-Behälter und automatische Steuerventile maßgeblich. GFK-Behälter, die Sand-, Kohle- und Harzbetten tragen, werden nach Betriebsdruck und Bettvolumen gewählt. Die automatischen Ventile, die die Regeneration steuern, übernehmen die Strömungsumlenkung programmgesteuert. Die Aufgabe der Ventile und die Unterschiede zwischen den Baureihen finden Sie in unserem Ratgeber zu Ventilen. (Details: Was ist ein Runxin-Automatikventil? Wo werden die Baureihen F67, F71, F74 und F116 eingesetzt?) Die vollständige Liste der geführten Marken finden Sie auf unserer Seite „Marken“. (Details: unsere Markenseite)

Normen bestimmen den Auslegungs- und Montagerahmen der Anlage. Normen wie TS EN 806-3 für Trinkwasserinstallationen, TS EN 1717 zur Verhinderung von Rückfluss und DIN 1988-300 für die Hygiene allgemeiner Wasserinstallationen werden bei der Auslegung der Verteilleitung nach der Aufbereitung berücksichtigt. Diese Normen gewährleisten, dass das aufbereitete Wasser seine Qualität bis zur Prozessstelle behält.

Die Aufbereitung von Brunnenwasser und die von Leitungswasser erfordern unterschiedliche Vorstufen, weil das chemische Profil des Quellwassers verschieden ist. Leitungswasser ist gechlort und relativ stabil; Brunnenwasser dagegen ist chlorfrei, enthält aber oft Eisen, Mangan, Sulfid und hohe Härte. Dieser Unterschied verändert die Auslegung der Vorfiltration unmittelbar, und beide Quellen lassen sich nicht mit derselben Anlage aufbereiten.

Beim Leitungswasser ist freies Chlor das Hauptproblem; deshalb ist vor der RO Aktivkohle oder eine chemische Chlorentfernung zwingend. Dagegen kommt Leitungswasser in der Regel mit geringer Trübung an, sodass die Sandfilterstufe kleiner gewählt werden kann. Die Leitfähigkeit von Leitungswasser schwankt je nach Region zwischen 300 und 1.500 µS/cm, und der RO-Bedarf wird über diesen Wert bestimmt.

Beim Brunnenwasser treten dagegen Eisen und Mangan sowie jahreszeitliche Schwankungen in den Vordergrund. Für Eisen über 0,3 mg/l sind Voroxidation und Eisenfilter, für hohe Trübung ein verstärkter Sandfilter erforderlich. Da Brunnenwasser chlorfrei ist, kann auch eine mikrobiologische Fracht vorhanden sein; in diesem Fall wird mit einer Dosierpumpe eine Desinfektionsstufe ergänzt. Da bei Brunnenwasser in der Trockenzeit außerdem Leitfähigkeit und Härte steigen, erfolgt die Auslegung nach dem Wert der ungünstigsten Jahreszeit.

In Betrieben, die zwischen beiden Quellen wechseln, wird die Anlage mit der Flexibilität ausgelegt, beide Profile abzudecken. Soll eine Fabrik sowohl aus dem Netz als auch aus dem Brunnen gespeist werden, wird die Vorfiltration nach der anspruchsvolleren Quelle dimensioniert, und Chlorentfernung und Eisenentfernung sind gemeinsam vorhanden. Diese Flexibilität erhöht die Anfangsinvestition etwas, stellt aber sicher, dass die Anlage bei einem Quellenwechsel weiterläuft.

Speicherung und Verteilung des aufbereiteten Wassers sind das letzte Glied, das die Qualität des aus den Stufen austretenden Wassers unverändert bis zur Prozessstelle transportiert. Aufbereitetes Wasser ist, insbesondere am Austritt von RO und EDI, wegen seines geringen Ionengehalts aggressiv, und bei Kontakt mit dem falschen Werkstoff steigt die Leitfähigkeit wieder an. Deshalb werden Speicherbehälter und Verteilleitung aus einem Werkstoff gewählt, der zur Qualitätsklasse des Wassers passt.

Die Dimensionierung des Speicherbehälters wird über den Tagesbedarf und das Redundanzziel bestimmt. Für einen Bedarf von 20 m³/Tag liefert ein Reinwasserbehälter mit 10–12 m³ einen Puffer von etwa einem halben Tag. Je größer das Behältervolumen, desto länger die Verweilzeit des Wassers; eine lange Verweilzeit birgt wiederum das Risiko mikrobiologischen Wachstums. Deshalb wird der Behälter nicht weit über dem Bedarf, sondern in einem Maß gewählt, das das Gleichgewicht zwischen Puffer und Redundanz erfüllt. Bei empfindlichen Prozessen werden Zirkulation im Behälter und regelmäßige Desinfektion eingeplant.

Auf der Verteilseite treten die Pumpengruppe, die Druck und Volumenstrom bereitstellt, und hygienisches Rohrmaterial in den Vordergrund. Um die Prozessstellen mit veränderlichem Volumenstrom und konstantem Druck zu versorgen, wird eine Druckerhöhungsanlage mit Frequenzumrichter eingesetzt; sie spart Energie und hält bei plötzlichen Volumenstromänderungen den Druck. Die Auslegung der Verteilleitung erfolgt im Rahmen von TS EN 806-3 und, zur Verhinderung von Rückfluss, TS EN 1717. Für Speise- und Verteilpumpen werfen Sie einen Blick auf unsere Produktgruppe. (Details: Pumpensysteme)

Die Inbetriebnahme ist die Phase, in der die errichtete Anlage erstmals in Betrieb genommen, die Auslegungswerte überprüft und die Automatisierung eingestellt werden. In dieser Phase wird der Austritt jeder Stufe gemessen: Die Trübung nach dem Sandfilter, die Härte nach der Enthärtung sowie Leitfähigkeit und Permeatvolumenstrom nach der RO werden protokolliert. Die gemessenen Werte werden mit dem Auslegungsziel verglichen; bei Abweichungen werden Rückgewinnungsgrad, Betriebsdruck und Dosiermenge feinjustiert.

Die Automatisierung ist die Schicht, die den sicheren Betrieb der Anlage ohne menschliches Eingreifen gewährleistet. Eine typische industrielle Aufbereitungsautomatisierung startet die Enthärtungsregeneration volumenstrom- oder zeitabhängig, überwacht Betriebsdruck und Leitfähigkeit der RO, schützt die Pumpen vor Trockenlauf und startet und stoppt die Produktion nach den Behälterständen. Das Leitfähigkeitsmessgerät warnt automatisch oder leitet das Wasser zur Ableitung um, wenn das Austrittswasser den Grenzwert überschreitet.

Eine gut geplante Automatisierung senkt auch die Betriebskosten. Eine Enthärtungsanlage, die nicht unnötig häufig regeneriert, spart Salz, eine Pumpe mit Frequenzumrichter, die im Teillastbetrieb die Drehzahl senkt, verringert den Energieaufwand. Die bei der Inbetriebnahme aufgezeichneten Referenzwerte dienen bei der späteren Wartung als Vergleichspunkt, um zu erkennen, wie stark die Anlage verschlissen ist. Zur Überwachung der Harzstufen und zur Bestimmung des Austauschzeitpunkts sehen Sie sich unseren Ratgeber zum Harz an. (Details: Was ist ein Ionenaustauscherharz für die Wasseraufbereitung? Wann sollte das Harz ausgetauscht werden?)