Wie wählt man eine RO-Membran? Was ist der Unterschied zwischen 4040 und 8040?

Die RO-Membran ist ein halbdurchlässiges Wickelelement der Wasseraufbereitung, das nach dem Prinzip der Umkehrosmose arbeitet und unter Speisedruck gelöste Salze, Ionen und organische Moleküle aus dem Wasser abtrennt. Eine Umkehrosmosemembran bietet mit ihrer Polyamid-Dünnfilm-Komposit-Schicht eine Durchlässigkeit in der Größenordnung von etwa 0,0001 Mikron; sie ist dicht genug, um Wassermoleküle durchzulassen, den größten Teil der Salzionen aber zurückzuhalten. Bei der Auswahl eines Membranelements werden vier Größen gemeinsam betrachtet: aktive Membranfläche, Permeatvolumenstrom, Betriebsdruck und Salzrückhalt. Eine Auswahl, die diese vier Werte nicht gemeinsam berücksichtigt, verfehlt in der Praxis entweder die Kapazität oder die Qualität, auch wenn sie auf dem Papier richtig aussieht.

Die aktive Membranfläche ist die gesamte Oberfläche der in das Element eingewickelten Polyamidschicht und wird in m² je Element angegeben; dieser Wert wird kurz als RO-Membranfläche bezeichnet. Bei einem Standard-4040-Element liegt die RO-Membranfläche bei etwa 7–8 m² je Element, bei einem Standard-8040-Element bei etwa 32–37 m² je Element. Die Fläche bestimmt unmittelbar den Volumenstrom: Bei gleichem Flux liefert eine größere Fläche mehr Permeat. Deshalb ist die Fläche stets die Grundlage des Membranvergleichs, und beim Vergleich zweier Elemente wird zuerst der Wert in m² je Element betrachtet.

Der Permeatvolumenstrom ist die Menge an Reinwasser, die die Membran unter einer bestimmten Testbedingung erzeugt, und wird in l/h oder m³/Tag angegeben. Die Katalogwerte werden unter Standardtestbedingungen gemessen (in der Regel 25 °C, ein bestimmter Speisewasser-TDS und eine bestimmte Ausbeute); weicht die Bedingung vor Ort davon ab, ändert sich auch der Volumenstrom. Ein 4040-BW-Element liefert typischerweise 150–280 l/h Permeat, ein 8040-BW-Element 1.100–1.600 l/h; der genaue Wert variiert je nach Baureihe.

Der Betriebsdruck ist der Druck, den die Pumpe aufbringen muss, um den osmotischen Druck zu überwinden und das Wasser durch die Membran zu drücken, und wird in bar gemessen. Für Quellen mit niedrigem Salzgehalt (Brackwasser) wie Leitungs- und Brunnenwasser liegt der typische Betriebsdruck bei 8–15 bar, für stark salzhaltiges Meerwasser bei 55–70 bar. Der Druckbedarf ist das erste Kriterium, das den Membrantyp bestimmt. Das allgemeine Funktionsprinzip der Umkehrosmose und das Anlagenschema haben wir in einem eigenen Ratgeber ausführlich behandelt; wir empfehlen Ihnen, ihn zu lesen. (Details: Was ist ein Umkehrosmose-System (RO)? Wie arbeiten industrielle RO-Systeme?)

Der Unterschied zwischen 4040 und 8040 liegt im physischen Durchmesser der Membran und damit in aktiver Fläche, Volumenstrom und Elementanzahl in der Anlage. Der Code 4040 bedeutet 4 Zoll Außendurchmesser und 40 Zoll Länge, der Code 8040 bedeutet 8 Zoll Außendurchmesser und 40 Zoll Länge; beide Elemente sind gleich lang, aber der Durchmesser des 8040 ist doppelt so groß. Verdoppelt sich der Durchmesser, vervierfacht sich die Querschnittsfläche, und die gewickelte Membranfläche vervierfacht sich ebenfalls etwa. Im Ergebnis leistet ein 8040-Element in einem einzigen Gehäuse die Arbeit von vier 4040-Elementen.

Der greifbarste Unterschied der beiden Elemente ist der erzeugte Volumenstrom. Bei gleichem Speisewasser und gleichem Flux erzeugt ein 8040-Element etwa das Vier- bis Fünffache des Permeats eines 4040-Elements. Eine Anlage mit großem Volumenstrom mit 4040 aufzubauen, bedeutet daher viele Elemente, viele Anschlüsse und viele Dichtungen; jeder Anschluss ist eine mögliche Leckagestelle und eine mögliche Stelle für Druckverlust. Mit 8040 wird derselbe Volumenstrom mit weniger Elementen und in einem kompakteren Skid erreicht.

• Außendurchmesser — 4040: 4 Zoll; 8040: 8 Zoll
• Länge — 4040: 40 Zoll; 8040: 40 Zoll (beide gleich lang)
• Aktive Membranfläche — 4040: ca. 7–8 m² je Element; 8040: ca. 32–37 m² je Element
• Permeatvolumenstrom (Brackwasser, BW) — 4040: ca. 150–280 l/h; 8040: ca. 1.100–1.600 l/h
• Wie vielen 4040 entspricht ein 8040 — flächenbezogen etwa 4–4,5 Stück 4040-Elementen
• Typisches Elementgewicht — 4040: ca. 3–4 kg; 8040: ca. 15–18 kg
• Elemente je Druckrohr — 4040: 1–4 Stück; 8040: 1–7 Stück
• Geeignete Größenordnung — 4040: 0,5–3 m³/Tag, Haushalt/Gewerbe; 8040: ab 5 m³/Tag, industriell

Der Unterschied liegt nicht nur in der Größe, sondern in der Wirtschaftlichkeit der Anlage. Wird derselbe Gesamtvolumenstrom mit 8040 aufgebaut, sinken der auf das einzelne Element entfallende spezifische Energieverbrauch und der Wartungsaufwand je Einheit Wasser, denn es gibt weniger Druckrohre, weniger O-Ringe und weniger Permeatsammelleitungen. Dagegen sind 8040-Elemente für sich genommen schwer, und ihr Austausch ist eine Arbeit für zwei Personen; 4040-Elemente lassen sich von einer einzelnen Person tragen und austauschen. Bei kleinen Anlagen ist diese Handlichkeit ein Vorteil zugunsten von 4040.

Ein Zahlenbeispiel macht den Unterschied deutlich. Betrachten wir eine Anlage, die täglich 24 m³ Permeat benötigt, und nehmen wir als durchschnittliche Erzeugung je Element etwa 1 m³/Tag für 4040 und etwa 4,8 m³/Tag für 8040 an. Mit 4040 erfordert dieser Volumenstrom etwa 24 Elemente; mit 8040 genügen etwa 5 Elemente. Während eine Anordnung aus 24 Elementen viele Druckrohre und Anschlüsse bedeutet, passt eine Anordnung aus 5 Elementen in ein einziges Druckrohr für 6 Elemente. Deshalb ist bei einer Größenordnung von 24 m³/Tag die Wahl eindeutig 8040.

Auch dass der Längencode 40 Zoll lautet, ist ein Standard und beiden Elementen gemeinsam. Auf dem Markt gibt es auch kurze Varianten der 4040 wie 21 Zoll (4021), aber die industrielle Standardlänge ist 40 Zoll; sowohl 4040 als auch 8040 teilen sich diese Länge. Der einzige physische Parameter, der die beiden Elemente unterscheidet, ist daher der Durchmesser. Da dieser Durchmesserunterschied zwischen 4 und 8 Zoll die Querschnittsfläche vervierfacht, ergeben sich alle Unterschiede bei Volumenstrom, Fläche und Elementanzahl daraus. Beim Lesen des Codes geben die ersten beiden Ziffern den Durchmesser und die letzten beiden Ziffern die Länge in Zoll an.

RO-Membrantypen werden nach dem Salzgehalt des Speisewassers, in dem sie arbeiten, und nach dem erforderlichen Druck in drei Hauptfamilien unterteilt: BW (Brackwasser / brackish water), SW (Meerwasser / seawater) und LP (Niederdruck / low pressure). Diese drei Familien werden im gleichen 4040- oder 8040-Gehäuse gefertigt; Größe und Typ sind also zwei voneinander unabhängige Entscheidungen. Zuerst wird der Typ nach dem Speisewasser gewählt, danach die Größe nach dem Volumenstrom.

Die BW-Membran (brackish water) ist der am weitesten verbreitete Typ und für Brack- und Brunnenwasser mit einem TDS-Wert von etwa 500–10.000 ppm ausgelegt. Der typische Betriebsdruck beträgt 8–15 bar, der Salzrückhalt etwa 99,0–99,7 Prozent. Städtisches Leitungsnetz, Brunnenwasser und die meisten gewerblichen/industriellen Aufbereitungen werden mit der BW-Familie gelöst; die große Mehrheit der auf dem Markt erhältlichen 4040- und 8040-Elemente ist vom Typ BW.

Die SW-Membran (seawater) ist für Meerwasser mit einem TDS-Wert in der Größenordnung von 30.000–45.000 ppm ausgelegt und hat eine dicke, widerstandsfähige Struktur, um den hohen osmotischen Druck zu überwinden. Der typische Betriebsdruck beträgt 55–70 bar, der Salzrückhalt etwa 99,6–99,8 Prozent. Die SW-Membran arbeitet auch in Brackwasser, benötigt dort aber mehr Druck und Energie als nötig; deshalb wird sie nur bei wirklich salzhaltigen Quellen bevorzugt.

LP- und XLP-Membranen (Niederdruck und Extra-Niederdruck) arbeiten im gleichen Salzgehaltsbereich wie BW, erzeugen aber dank einer Schicht mit höherer Durchlässigkeit denselben Volumenstrom bei einem niedrigeren Druck von 5–10 bar. Das senkt die Pumpenenergie; in städtischem Wasser mit niedrigem TDS liefert die LP-Membran denselben Volumenstrom mit weniger kWh als BW. Im Gegenzug sinkt der Salzrückhalt etwas (etwa 98,5–99,3 Prozent), und die Verwendung von LP in stark salzhaltigem Wasser ist bedenklich.

• BW (Brackwasser) — Speisewasser-TDS: 500–10.000 ppm; Druck: 8–15 bar; Salzrückhalt: 99,0–99,7 Prozent; Einsatz: Brunnen, Leitungsnetz, gewerblich/industriell
• SW (Meerwasser) — Speisewasser-TDS: 30.000–45.000 ppm; Druck: 55–70 bar; Salzrückhalt: 99,6–99,8 Prozent; Einsatz: Meerwasserentsalzung
• LP / XLP (Niederdruck) — Speisewasser-TDS: 500–3.000 ppm; Druck: 5–10 bar; Salzrückhalt: 98,5–99,3 Prozent; Einsatz: städtisches Wasser mit niedrigem TDS, Anlagen mit Priorität auf Energieeinsparung
• Gemeinsamer Punkt — Alle drei Typen werden sowohl im 4040- als auch im 8040-Gehäuse gefertigt; die Typentscheidung folgt dem Speisewasser, die Größenentscheidung dem Volumenstrom

Der einzig richtige Ausgangspunkt der Typauswahl ist die Speisewasseranalyse. Eine Typauswahl, bei der TDS, Temperatur, Wasserhärte, Eisen, Mangan und SDI (Silt-Density-Index) nicht bekannt sind, ist eine Schätzung. Zeigt die Analyse ein Brunnenwasser mit 1.500 ppm TDS, ist BW oder LP die richtige Wahl; SW zu wählen, bedeutet hier unnötigen Energie- und Kostenaufwand. Für die Charakterisierung des Speisewassers ist unser Einstiegsratgeber zur industriellen Wasseraufbereitung ein guter Ausgangspunkt. (Details: Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken)

Der Salzrückhalt ist das Verhältnis, das angibt, wie viel Prozent der im Speisewasser gelösten Salze die Membran zurückhält, und wird in Prozent angegeben; im technischen Katalog heißt er Membran-Salzrückhalt oder salt rejection. Ein Salzrückhalt der Membran von 99 Prozent bedeutet, dass nur 1 Prozent des Salzes im Speisewasser ins Permeat übergeht. Die Formel ist einfach: Salzrückhalt in Prozent gleich (1 minus Permeat-TDS geteilt durch Speisewasser-TDS) mal 100. Diese eine Zahl bestimmt unmittelbar die Qualität des erzeugten Wassers.

Sehen wir uns ein Beispiel an. Beträgt der TDS des Speisewassers 1.500 ppm und die Membran liefert 99,5 Prozent Salzrückhalt, ergibt sich ein Permeat-TDS von etwa 1.500 mal (1 minus 0,995) gleich 7,5 ppm. Läuft dasselbe Wasser durch eine LP-Membran mit 98,5 Prozent Rückhalt, beträgt das Permeat 1.500 mal 0,015 gleich 22,5 ppm. Für Trinkwasser genügen beide; bei Anwendungen, die eine sehr niedrige Leitfähigkeit verlangen, etwa Kesselspeisewasser oder Reinwasser für die Pharmaindustrie, ist dieser Unterschied jedoch entscheidend.

Der Salzrückhalt hat auch eine Seite, die mit der Zeit nachlässt. Der Nennrückhalt einer neuen Membran kann 99,5 Prozent betragen; durch Verschmutzung, chemischen Verschleiß und Alterung sinkt dieser Wert jedoch im Laufe der Jahre. Deshalb wird bei der Auswahl ein Sicherheitszuschlag eingeplant: Liegt die angestrebte Permeatqualität an der Grenze, wählt man keine Membran, deren Nennrückhalt knapp über dieser Grenze liegt, sondern eine, die deutlich darüber liegt. Zur Wartung, die Lebensdauer und Rückhalt der Membran erhält, lesen Sie unseren eigenen Ratgeber. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Salzrückhalt und Ausbeute (Recovery) müssen gemeinsam betrachtet werden. Die Ausbeute gibt an, wie viel Prozent des Speisewasservolumenstroms zu Permeat werden; 50 Prozent Ausbeute bedeuten, dass die Hälfte des eintretenden Wassers Reinwasser und die Hälfte Konzentrat ist. Mit steigender Ausbeute nimmt die Salzkonzentration an der Membranoberfläche zu, der osmotische Druck steigt, und der tatsächliche Salzrückhalt sinkt etwas. Deshalb wird das Ziel für den Salzrückhalt zusammen mit der gewählten Ausbeute bewertet.

Eine weitere Variable, die die Permeatqualität bestimmt, ist die Ionenzusammensetzung des Speisewassers. Eine Membran mit demselben Nennrückhalt von 99,5 Prozent hält einwertige Natrium- und Chloridionen schwerer zurück als mehrwertiges Calcium und Sulfat; deshalb kann der Permeat-TDS in einem natriumreichen Wasser höher ausfallen als erwartet. Da der Nennrückhalt in einer Standard-Natriumchloridlösung gemessen wird, führt die Zusammensetzung des realen Speisewassers zu einer Abweichung vom Katalogwert. Bei Anwendungen mit kritischen Qualitätsanforderungen ist es daher die sichere Seite, einen Rückhaltewert deutlich über dem Ziel zu wählen und das Permeat bei Bedarf durch eine zweite Passage (Double Pass) zu führen.

Das Druckrohr (Membrangehäuse) ist das GFK- oder Edelstahlgehäuse, in das die Membranelemente eingesetzt werden und das so gefertigt ist, dass es dem Betriebsdruck standhält. Wie viele Elemente in ein Rohr passen, bestimmt die Länge des Rohrs: Da die Elemente 40 Zoll lang sind, wird die Rohrkapazität mit der Elementanzahl bezeichnet. Auf dem Markt gibt es Druckrohre für 1, 2, 3, 4, 6 und 7 Elemente; ein Druckrohr für 6 Elemente nimmt sechs hintereinander angeordnete 8040- oder 4040-Elemente auf.

Die Elementanzahl im Rohr beeinflusst den Wirkungsgrad der Anlage. Die Elemente sind in Reihe geschaltet: Das Konzentrat eines Elements wird zum Speisewasser des nächsten. Je mehr Elemente im Rohr sind, desto höher steigt die Gesamtausbeute, aber auch die Salzkonzentration und das Verschmutzungsrisiko am letzten Element nehmen zu. Deshalb werden in einem Rohr nicht mehr als 6–7 Elemente bevorzugt; ist eine höhere Kapazität erforderlich, werden die Rohre parallel vervielfacht. Die Auswahl von GFK-Druckrohren und -Behältern haben wir in einem eigenen Ratgeber behandelt, den Sie lesen können. (Details: Was ist ein GFK-Behälter? Wie wählt man einen Polyglass-Behälter für Wasseraufbereitungsanlagen aus?)

Bei großen Anlagen werden die Anordnungen stufenweise aufgebaut. Eine 2:1-Anordnung bedeutet beispielsweise zwei parallele Rohre in der ersten Stufe und ein Rohr in der zweiten Stufe; das Konzentrat der ersten Stufe speist die zweite Stufe, und die Gesamtausbeute steigt. Diese Anordnung ist insbesondere bei 8040-Anlagen Standard und hält sowohl den Volumenstrom als auch die Ausbeute der Anlage auf dem angestrebten Wert. Bei kleinen 4040-Anlagen genügen meistens eine Stufe und ein einzelnes Rohr.

• Druckrohr für 1 Element — 1 Element; einzelne Haushalts-/Laboranlagen
• Druckrohr für 2 Elemente — 2 Elemente in Reihe; kleine gewerbliche Anlagen
• Druckrohr für 3 Elemente — 3 Elemente in Reihe; mittelgroße gewerbliche Anlagen
• Druckrohr für 4 Elemente — 4 Elemente in Reihe; gewerblich/leicht industriell
• Druckrohr für 6 Elemente — 6 Elemente in Reihe; industrieller Standard, meist 8040
• Druckrohr für 7 Elemente — 7 Elemente in Reihe; große industrielle Anordnung

Die Beziehung zwischen Membranfläche und Volumenstrom wird über die Flux-Berechnung der Membran hergestellt. Der Flux ist die Menge an Permeat, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit der Membran tritt, und wird in l/m²/h (LMH) angegeben. Die Flux-Berechnung der Membran läuft auf eine einzige Beziehung hinaus: Volumenstrom gleich Flux mal Fläche; mit dieser Beziehung lässt sich unmittelbar ermitteln, wie viel eine Membran erzeugt. In BW-Brackwasseranlagen wird der Auslegungs-Flux typischerweise im Bereich von 17–27 LMH gehalten; ein Überschreiten dieses Bereichs beschleunigt die Verschmutzung.

Rechnen wir ein Beispiel. Ein 8040-BW-Element habe eine aktive Fläche von 37 m² je Element und einen Auslegungs-Flux von 20 LMH. Der Permeatvolumenstrom dieses Elements beträgt dann 20 mal 37 gleich 740 l/h; das entspricht täglich 740 mal 24 gleich etwa 17,8 m³/Tag. Bei gleichem Flux erzeugt ein 4040-BW-Element mit 7,5 m² je Element Fläche 20 mal 7,5 gleich 150 l/h, also etwa 3,6 m³/Tag. Das Flächenverhältnis bestimmt den Volumenstrom unmittelbar.

Die Wahl des Flux hängt unmittelbar mit dem Verschmutzungsrisiko zusammen. Eine Membran, die bei hohem Flux arbeitet, zieht mehr Wasser je Flächeneinheit und transportiert dadurch mehr Salz und Partikel an ihre Oberfläche; das beschleunigt Verschmutzung und Scaling. Deshalb wird bei schwierigem Speisewasser (hoher SDI, hohe Wasserhärte) der Flux bewusst niedrig gehalten und die Elementanzahl erhöht. Zu den Ursachen der Membranverschmutzung und dem Zusammenhang zwischen Flux und Verschmutzung lesen Sie unseren eigenen Ratgeber. (Details: Warum verstopft eine RO-Membran? 10 Wege, die Membranlebensdauer zu verlängern)

Auch die Temperatur ist eine verborgene Variable, die den Volumenstrom bestimmt. Der Permeatvolumenstrom der Membran steigt mit der Temperatur; als grobe Faustregel sinkt der Volumenstrom um etwa 3 Prozent, wenn die Temperatur um 1 °C fällt. Die Katalogwerte gelten für 25 °C; bei einem Brunnenwasser, das im Winter auf 10 °C absinkt, erzeugt dieselbe Membran etwa 45 Prozent weniger. Deshalb muss die Auslegung nach der kältesten Speisewassertemperatur des Jahres erfolgen, sonst bleibt die Anlage im Winter leistungsschwach.

Die erforderliche Membrananzahl ergibt sich, indem der angestrebte Permeatvolumenstrom durch den Volumenstrom eines einzelnen Elements geteilt wird. Die Schritte sind folgende: Zuerst wird der Tagesbedarf in m³/Tag bestimmt, dann wird der Volumenstrom eines einzelnen Elements nach Speisewasser und Flux berechnet, anschließend wird geteilt und mit Sicherheitszuschlag aufgerundet. Diese Berechnung zeigt auch von selbst, ob 4040 oder 8040 zu wählen ist.

Die Bedarfsermittlung ist der erste Schritt. Angenommen, ein Betrieb läuft 20 Stunden am Tag und benötigt 2 m³ Reinwasser pro Stunde; der Tagesbedarf beträgt dann 2 mal 20 gleich 40 m³/Tag. Für unterbrechungsfreie Produktion und Bevorratung werden diesem Wert etwa 15 Prozent hinzugefügt; der Auslegungsvolumenstrom beträgt dann etwa 46 m³/Tag. Der richtige Ausgangspunkt ist nicht die Spitze pro Stunde, sondern der Tagesdurchschnitt plus Sicherheitszuschlag.

Der zweite Schritt ist der Volumenstrom eines einzelnen Elements. Bei 25 °C, 1.500 ppm Speisewasser und 20 LMH Flux erzeugt ein 8040 (37 m²) etwa 17,8 m³/Tag und ein 4040 (7,5 m²) etwa 3,6 m³/Tag (aus der obigen Flux-Berechnung). Wird für die Wintertemperatur und die Alterung auf diese Werte ein Abschlag von etwa 20 Prozent angesetzt, so werden in der Auslegung als Elementvolumenstrom etwa 14,2 m³/Tag für 8040 und etwa 2,9 m³/Tag für 4040 verwendet.

Der dritte Schritt ist das Teilen und Runden. Für einen Bedarf von 46 m³/Tag ergibt sich die Anzahl der 8040 aus 46 geteilt durch 14,2 gleich etwa 3,2, aufgerundet also 4 Stück 8040-Elemente; diese passen in ein einzelnes Druckrohr für 4 oder 6 Elemente. Wollen Sie denselben Bedarf mit 4040 decken, sind es 46 geteilt durch 2,9 gleich etwa 15,9, also 16 Stück 4040-Elemente. 16 Elemente bedeuten viele Druckrohre und Anschlüsse; in dieser Größenordnung ist 8040 mit deutlichem Abstand die richtige Wahl.

Der vierte Schritt ist die Überprüfung der Ausbeute. In einer 8040-Anordnung mit 4 Elementen sind im Single-Pass-Betrieb 40–50 Prozent Ausbeute typisch; für eine höhere Ausbeute werden die Elemente in einem einzigen Rohr hintereinander angeordnet oder eine zweistufige Anordnung aufgebaut. Mit steigender Ausbeute nimmt das Konzentrat ab, aber das Scaling-Risiko steigt; an dieser Stelle kommt die Antiscalant-Dosierung ins Spiel. Wozu Antiscalant dient und wie es ausgewählt wird, haben wir in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Was ist Antiscalant? Warum wird es in Umkehrosmoseanlagen eingesetzt?)

Der fünfte Schritt ist die Überprüfung von Pumpe und Energie. Nachdem die Membrananzahl feststeht, wird eine Hochdruckpumpe ausgewählt, die den für diese Elemente erforderlichen Speisedruck liefert. In einer BW-Brackwasseranlage liegt der Betriebsdruck im Bereich von 8–15 bar; das wird mit einer mehrstufigen Vertikal-Kreiselpumpe abgedeckt. Der spezifische Energiebedarf wird in kWh je erzeugtem m³ Permeat gemessen und liegt bei einer korrekt dimensionierten BW-Anlage typischerweise in der Größenordnung von 0,5–1,5 kWh/m³. In einer SW-Meerwasseranlage steigt der spezifische Energiebedarf wegen des Drucks von 55–70 bar auf 3–6 kWh/m³; dieser Unterschied ist ein weiterer Grund, die SW-Membran nur dann zu wählen, wenn es wirklich erforderlich ist.

Die Schwelle der Größenentscheidung liegt bei etwa 5 m³/Tag: Für Volumenströme unter diesem Wert wählt man 4040, für Volumenströme darüber 8040. Die einzeilige Antwort auf die Frage, bei welchem Volumenstrom 4040 und bei welchem 8040, ist also, auf welcher Seite der Schwelle von 5 m³/Tag Sie liegen. Die Regel ist eindeutig, denn einen sehr kleinen Volumenstrom mit 8040 abzudecken, bedeutet, das Element bei niedrigem Flux und mit einem unnötig großen Druckrohr zu betreiben, einen sehr großen Volumenstrom mit 4040 abzudecken dagegen, sich mit Dutzenden von Elementen und Anschlüssen herumzuschlagen. An beiden Enden erhöht die falsche Größe sowohl die Kosten als auch den Wartungsaufwand.

• 0,05–0,5 m³/Tag (Haushalt) — Element: kleine 1812/2012/2521 oder einzelnes 4040; Anordnung: einzelnes Rohr; Grund: Volumenstrom sehr niedrig, 8040 bleibt ineffizient
• 0,5–3 m³/Tag (gewerblich: Café, Klinik, Kleinproduktion) — Element: 1–3 Stück 4040; Anordnung: einzelnes Rohr in Reihe; Grund: 4040 ist praktisch, Austausch durch eine Person
• 3–5 m³/Tag (Übergangsbereich) — Element: 4–6 Stück 4040 oder 1–2 Stück 8040; Anordnung: nach Speisewasser und Platzangebot; Grund: beide Optionen sind sinnvoll, Platz und Wartungspräferenz entscheiden
• 5–30 m³/Tag (klein bis mittel, industriell) — Element: 2–8 Stück 8040; Anordnung: Druckrohr für 4 oder 6 Elemente, ein- oder zweistufig; Grund: 8040 bedeutet weniger Elemente, niedrigeren spezifischen Energiebedarf
• 30 m³/Tag und mehr (groß, industriell) — Element: viele 8040; Anordnung: stufenweise Druckrohranordnung (2:1, 3:2:1); Grund: nur 8040 löst es mit einer vertretbaren Elementanzahl

Im Übergangsbereich (3–5 m³/Tag) läuft die Entscheidung auf zwei praktische Kriterien hinaus. Das erste ist die Aufstellfläche: Ein 8040-Druckrohr benötigt einen längeren Serviceabstand, und der Austausch eines 8040-Elements ist Arbeit für zwei Personen; in einem engen Heizraum lässt sich 4040 leichter aufstellen. Das zweite ist die erwartete Größenentwicklung: Wird der Volumenstrom in naher Zukunft steigen, ist es günstiger, gleich auf ein 8040-Skid zu gehen, als später die komplette Anlage auszutauschen. Die Antworten auf diese beiden Fragen bestimmen die Wahl im Übergangsbereich.

Ein drittes Kriterium sind Ersatzteile und Servicelogistik. Da 4040-Elemente sowohl einen niedrigeren Stückpreis haben als auch ein Lagerartikel für eine einzelne Person sind, ist es bei einer nicht kritischen gewerblichen Anlage leicht, Ersatzelemente vorzuhalten, und ein Elementwechsel legt die Produktion nicht lange still. Bei 8040 erfordert ein Ersatzelement eine größere Investition und Lagerfläche; da die 8040-Anordnung in einer Industrieanlage jedoch weniger Elemente hat, sinken die Anzahl der Wechsel pro Jahr und damit die Häufigkeit geplanter Stillstände. Deshalb sollte die Entscheidung im Übergangsbereich nicht nur nach der Anfangsinvestition, sondern nach einem Fünf-Jahres-Szenario für Betrieb und Wartung getroffen werden.

Bei einem Projekt für eine gewerbliche Wäscherei in Istanbul-Kadıköy, die wir betreut haben, war das Speisewasser städtisches Wasser mit 1.200 ppm TDS, und der Tagesbedarf war mit 4,2 m³/Tag gemessen worden; das lag genau im Übergangsbereich. Weil der Heizraum eng war und kurzfristig keine Kapazitätserweiterung geplant war, wurde die Aufgabe mit 4 Stück 4040-BW-Elementen gelöst, die in einem einzigen Rohr in Reihe angeordnet wurden. Derselbe Volumenstrom hätte mit 8040 in 1 Element gepasst, aber ein 8040-Druckrohr passte nicht in die vorhandene Fläche; bei der Größenentscheidung sind die Bedingungen vor Ort stets ebenso maßgeblich wie der Katalog.

Die 4040-Anlage ist eine Lösung, die sich bei Anwendungen mit niedrigem und mittlerem Volumenstrom durch Praktikabilität und niedrige Anfangskosten auszeichnet. Ihr größter Vorteil ist das geringe Gewicht des Elements: Ein 4040-Element mit einem Gewicht von etwa 3–4 kg lässt sich von einer einzelnen Person tragen und austauschen, was die Wartungsarbeit erleichtert. Kleine Rohre und geringer Platzbedarf lassen 4040 auch in enge technische Räume passen.

Der zweite Vorteil ist die Modularität. Steigt der Volumenstrombedarf, lassen sich Element für Element und Rohr für Rohr leicht ergänzen; ein gewerblicher Betrieb, der in kleinen Schritten wächst, kann seine Anlage stufenweise erweitern. Außerdem sind 4040-Elemente und -Rohre gängige Lagerartikel, ihre Beschaffung geht schnell. Diese Flexibilität senkt das Risiko bei Projekten mit unklarem Bedarf.

Auf der Nachteilsseite ist die Ineffizienz bei größerer Anlagengröße am deutlichsten. Bei Volumenströmen über 5 m³/Tag sind mit 4040 viele Elemente erforderlich; jedes zusätzliche Element bedeutet ein Rohr, einen Satz Dichtungen und einen Anschlusssatz. Mit der Anzahl der Anschlüsse nehmen Leckagerisiko, Druckverlust und Montagezeit zu. Außerdem ist der spezifische Energieverbrauch je Einheit Wasser höher als bei einer 8040-Anlage, die denselben Volumenstrom deckt, denn es gibt mehr Oberfläche, mehr Strömungswiderstand und mehr Hilfsausrüstung.

Die 8040-Anlage ist bei industriellen Anwendungen mit hohem Volumenstrom wegen ihrer Kompaktheit und ihres niedrigen spezifischen Energiebedarfs die Standardlösung. Ihr größter Vorteil ist, dass sie denselben Gesamtvolumenstrom mit weit weniger Elementen deckt; ein 8040 leistet in einem einzigen Gehäuse die Arbeit von vier bis fünf 4040-Elementen. Das bedeutet weniger Elemente, weniger Anschlüsse, weniger Dichtungen und weniger Druckverlust; daraus ergeben sich Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit der Anlage.

Der zweite Vorteil sind die Stückkosten. Im großen Maßstab sinken die auf den m³ entfallenden Kosten für Membran und Skid mit 8040 deutlich; zugleich arbeiten auch Pumpen- und Energieeffizienz bei hohem Volumenstrom zugunsten von 8040. In einer Industrieanlage ist der spezifische Energiebedarf in kWh/m³ pro Jahr bei einer korrekt dimensionierten 8040-Anordnung niedriger als bei der 4040-Entsprechung. Zur Auswahl industrieller Wasseraufbereitungsanlagen finden Sie in unserem Ratgeber, der das Thema ganzheitlich behandelt. (Details: Wie wählt man eine industrielle Wasseraufbereitungsanlage aus? Einstiegsratgeber für Fabriken)

Auf der Nachteilsseite stehen an erster Stelle Gewicht und Handarbeit. Der Austausch eines 8040-Elements, das etwa 15–18 kg wiegt, ist Arbeit für zwei Personen und auf engem Raum mühsam; der Serviceabstand muss von Anfang an eingeplant werden. Der zweite Nachteil ist die Ineffizienz bei kleinen Volumenströmen: Einen niedrigen Bedarf wie 2 m³/Tag mit 8040 zu decken, bedeutet, das Element bei sehr niedrigem Flux zu betreiben und ein unnötig großes Druckrohr bzw. eine unnötig große Pumpe zu kaufen. Drittens liegt die Anfangsinvestition höher als bei einer kleinen 4040-Anlage; deshalb ist 8040 erst wirtschaftlich, wenn die Anlagengröße wirklich groß ist.

Das Speisewasser ist die eigentliche Eingangsgröße, die den Membrantyp, den Bedarf an Vorbehandlung und auch den tatsächlich erzielten Volumenstrom bestimmt. Auch wenn die Membranauswahl auf dem Papier mit dem Volumenstrom zu beginnen scheint, hängt der Erfolg vor Ort von der Speisewasseranalyse ab. Eine Auswahl ohne Analyse endet damit, dass eine Membran in der richtigen Größe, aber falsch geschützt, innerhalb von Monaten verstopft. Deshalb ist das erste Dokument der Auswahl der Wasseranalysebericht.

TDS und Leitfähigkeit entscheiden über den Typ. Der Bereich 500–10.000 ppm bedeutet BW oder LP, über 30.000 ppm bedeutet SW. Wasserhärte und Alkalität bestimmen das Scaling-Risiko; bei hoher Wasserhärte sind eine Antiscalant-Dosierung oder eine vorgeschaltete Enthärtung erforderlich. Die Rolle und Auswahl der Wasserenthärtungsanlage vor der RO haben wir in einem eigenen Ratgeber behandelt. (Details: Wie wählt man eine Wasserenthärtungsanlage für Haus und Betrieb aus? Ratgeber zur Kapazitätsberechnung)

Partikel- und organische Fracht bestimmen die Vorbehandlung. Der SDI (Silt-Density-Index), der die Verblockungsneigung des Speisewassers misst, muss unter 5 liegen; bei hohem SDI verstopft die Membran rasch. Eisen und Mangan fallen aus und überziehen die Membran; Chlor dagegen verbrennt die Polyamidschicht dauerhaft und senkt den Salzrückhalt. Deshalb sind vor der RO ein Sedimentfilter, Aktivkohle (zur Chlorentfernung) und bei Bedarf eine Enthärtung zwingend. Welche der Filtrationsstufen vor der RO welche Aufgabe hat, haben wir in einem eigenen Ratgeber zusammengestellt. (Details: Sandfilter oder Aktivkohlefilter? Was leistet welcher Filter in der Wasseraufbereitung?)

Die Temperatur beeinflusst sowohl den Volumenstrom als auch die Leistung des Typs. Kaltes Wasser senkt den Volumenstrom, warmes Wasser (über 35–40 °C) dagegen beansprucht die Polyamidschicht und verkürzt die Lebensdauer. Die Auslegung berücksichtigt den Volumenstrom stets nach der kältesten Speisetemperatur und die Membranfestigkeit nach der wärmsten Temperatur. Eine Auswahl, die diese beiden Extreme nicht gemeinsam bewertet, bleibt entweder im Winter leistungsschwach oder im Sommer kurzlebig.

Auch pH-Wert und Alkalität sind Werte, die vor der Auswahl gelesen werden müssen. Die meisten Polyamidmembranen arbeiten in einem breiten pH-Bereich (etwa 2–11), aber der für den Dauerbetrieb empfohlene Bereich liegt zwischen 4 und 8; an den Rändern verkürzt sich die Lebensdauer. Treffen hohe Alkalität und hoher Calciumgehalt zusammen, steigt das Risiko von Calciumcarbonat-Scaling, und dieses Risiko wird mit dem Langelier-Sättigungsindex (LSI) bewertet. Ist der LSI positiv, besteht eine Scaling-Neigung, und entweder wird die Ausbeute gesenkt oder die Antiscalant-Dosierung erhöht. Sobald das Speisewasser einmal vollständig charakterisiert ist, ergeben sich Typ, Größe und Vorbehandlungskette von selbst; deshalb ist die Analyse der erste und günstigste Schritt der Membranauswahl.

Der Unterschied zwischen RO-Membran, Nanofiltration (NF) und Ultrafiltration (UF) liegt in der Porengröße und in den Stoffen, die sie zurückhalten. RO ist die dichteste Membran; mit einer Durchlässigkeit in der Größenordnung von etwa 0,0001 Mikron hält sie gelöste Salze und Ionen zurück. NF ist lockerer (etwa 0,001 Mikron) und hält mehrwertige Ionen zurück, während sie einen Teil der einwertigen Salze durchlässt. UF hält dagegen nur Schwebstoffe, Bakterien und große Moleküle zurück (etwa 0,01–0,1 Mikron) und lässt Salz durch.

Die Auswahl erfolgt nach der angestrebten Wasserqualität. Muss die Leitfähigkeit erheblich gesenkt werden oder sollen Kesselspeisewasser oder Trinkwasser erzeugt werden, ist RO die einzige Option. Genügt es, nur die Wasserhärte zu verringern und Salz teilweise zurückzuhalten, kann NF sowohl hinsichtlich Energie als auch Abwasser wirtschaftlicher sein als RO. Sollen nur Trübung und mikrobielle Fracht entfernt werden, genügt UF, und sie arbeitet bei einem sehr viel niedrigeren Druck.

In denselben 4040- und 8040-Gehäusen werden auch NF- und UF-Elemente gefertigt; die Größenlogik gilt also auch bei diesen Membranen. RO darf nicht mit einem Ionenaustauscher auf Harzbasis verwechselt werden; während das Harz Ionen chemisch austauscht, ist RO eine physikalische Barriere. Wie das Harz funktioniert und wann es eingesetzt wird, haben wir in einem eigenen Ratgeber erläutert. (Details: Was ist ein Ionenaustauscherharz für die Wasseraufbereitung? Wann sollte das Harz ausgetauscht werden?)

In der Praxis werden diese drei Membranen meistens gemeinsam in einer einzigen Aufbereitungskette eingesetzt. Bei einem Oberflächenwasser mit hoher Trübung arbeitet die UF vor der RO als Schutzstufe und senkt den SDI des Speisewassers auf einen sicheren Bereich; dadurch verlangsamt sich die Verschmutzung der RO-Membran, und ihre Lebensdauer verlängert sich. NF kann dagegen zum Enthärten, als Alternative zur RO oder als Stufe vor der RO eingesetzt werden. Die richtige Architektur besteht nicht darin, einen einzigen Membrantyp für jede Aufgabe einzuspannen, sondern jeder Stufe die für ihre Aufgabe am besten geeignete Membran zuzuweisen; dieser Ansatz optimiert sowohl die Wasserqualität als auch die Betriebskosten.

Die letzte Entscheidung, die die Membranauswahl abschließt, ist die Wahl der Marke, die sie trägt. Auf dem Markt sind polyamidgewickelte 4040- und 8040-Elemente von verschiedenen Herstellern erhältlich; entscheidend ist, dass Nennvolumenstrom, Salzrückhalt und maximaler Betriebsdruck der gewählten Marke zum Projekt passen und dass die Lieferung von Ersatzelementen dauerhaft gesichert ist. Das Markenspektrum, mit dem Pomeka Mekanik arbeitet, und die Produktfamilien im Bereich der Wasseraufbereitung können Sie sich auf unserer Seite „Marken“ ansehen. (Details: unsere Markenseite)