Zur Aufbereitung von Wasser kommen häufig Membrantrennverfahren wie Mikrofiltration und Ultrafiltration zum Einsatz. Filterverfahren wie diese nutzen eine semipermeable Membran, also ein flächiges, teildurchlässiges Material, dessen Poren zwar das Wasser, nicht aber die zu entfernenden Verschmutzungen passieren lassen. Welche gelösten oder ungelösten Stoffe dabei separiert werden, hängt von der Porengröße der verwendeten Membran ab. Weil diese Poren bei der Mikro- und Ultrafiltration sehr klein sind, braucht es hinreichend Druck, um die Flüssigkeit durch den Filter zu zwingen.
Als druckgetriebene Trennverfahren machen sich Mikro- und Ultrafiltration also physikalische Prinzipien zunutze. Daher verwundert es nicht, dass sie nicht nur im Rahmen der Trinkwasseraufbereitung, sondern auch in der Lebensmittelindustrie, Biotechnologie und pharmazeutischen Produktion genutzt werden.
Der bei Mikro- und Ultrafiltration eingesetzte Membranfilter kann als Dead-End- oder Cross-Flow- Filter konstruiert sein. Während Dead-End-Filter den Zulauf vollständig durch die Membran drücken, fließt der Zulauf bei Cross-Flow-Filtern über die Membran, wodurch er nicht komplett gefiltert wird. Am häufigsten werden bei der Wasseraufbereitung Dead-End-Filter genutzt. Cross- Flow-Filter sind vor allem bei der Separation von Flüssigkeiten mit hohem Partikelaufkommen beziehungsweise hohem Konzentrationsgradienten sinnvoll. In diesen Fällen würde sich am Dead-End-Filter schnell ein Filterkuchen bilden, mit dem Cross-Flow-Prinzip lässt sich dies vermeiden.
Das Kernstück jeder Ultrafiltrationsanlage sind die Membranmodule. Sie bestehen in der Regel aus kleinen, fadenförmigen Polymer-Hohlfasern, die aufgrund ihrer hohen Packungsdichte (je nach Anlagentyp 2.000–15.000 Quadratmeter/Kubukmeter) in zylindrischen Behältern oder Tanks montiert werden. Die meisten Dead-End-Ultrafiltrationsanlagen laufen mit konstantem Durchfluss und einem Transmembrandruck im Bereich von 0,5 bis 1 bar. Einige Systeme (wie auch der SkyHydrant) sind für den Betrieb mit Schwerkraft ausgelegt, arbeiten also mit konstantem Druck und variablem Durchfluss.
Neben der Membran gehört zu einer Ultrafiltrationsanlage für gewöhnlich ein Steuersystem, das die Betriebsbedingungen regelt, darunter auch die regelmäßige Rückspülung. Bei diesem Prozess wird in einem Abstand von 20 bis 30 Minuten gefiltertes Wasser durch die Membran zurückgeführt. Die während der Filtration auf der Membranoberfläche angesammelten Partikel werden dabei aus dem Filtersystem entfernt, ebenso wie der Filterkuchen. Während dieses circa zwei bis drei Minuten andauernden Prozesses produziert die Anlage kein Filtrat. Die Durchführung beziehungsweise Überwachung der Rückspülung verlangt bei den meisten Anlagen nach entsprechend geschultem Fachpersonal. Und auch die Entsorgung des Retentats muss sorgfältig bedacht werden, da es die aus dem Wasser gefilterten Verunreinigungen enthält. Je nach Zusammensetzung und örtlichen Vorschriften kann das Retentat zurück zur Quelle geleitet, in die kommunale Kanalisation entsorgt, verdünnt und zur Bewässerung verwendet oder vor der Entsorgung vor Ort behandelt werden.
Dank ihrer modularen Funktionsweise lassen sich Ultrafiltrationsanlagen in verschiedenen Kontexten einsetzen – als einstufige Filtration, aber auch als Vorbehandlungsschritt zur Reduzierung der Trübung für die Umkehrosmose.
Ultrafiltration in der humanitären Hilfe
Bei der Nutzung der Ultrafiltration zur Trinkwasseraufbereitung in der humanitären Hilfe braucht es transportable Anlagen. Denn die Regionen, in denen es keinen oder erschwerten Zugang zu sicherem Trinkwasser gibt, sind oft abgelegen und nicht leicht zu erreichen. In solchen Anwendungsszenarien nutzt arche noVa kompakte Technologien wie den SkyHydrant von SkyJuice – eine innovative Ultrafiltrationslösung, die für exakt solche Anwendungsszenarien entwickelt wurde.
Der Filtrationsprozess
Im ersten Schritt des Filterprozesses fließt das zu reinigende Wasser mit niedrigem Druck in den SkyHydrant. Um den Druck zu erzeugen, kann entweder der Schwerkraftdruck aus einem oben liegenden Tank oder eine kleine Pumpe mit Druckminderer genutzt werden. Befindet sich das Wasser im Inneren des SkyHydrant, passiert es die antihaftbeschichteten Filterfasern. Dort werden die Verschmutzungen in mikroskopisch kleinen Poren gefangen, sodass ausschließlich gereinigtes Wasser den Filter verlassen kann.
Damit das System kontinuierlich arbeiten kann und nicht verstopft, kombiniert der Hersteller die Passive-Membrane-Technologie mit der Shake & Flush Reinigung. Dabei werden die eingeschlossenen Verunreinigungen regelmäßig aus der Membran herausgeschüttelt und abgeleitet. Das Besondere an dieser Art der Rückspülung: Sie kann (im Vergleich zu den meisten anderen Anlagen) ohne zusätzliche Fachkenntnisse durchgeführt werden. Das Lösen der Verunreinigungen aus dem Inneren des Geräts erfolgt manuell durch ein Hin- und Herbewegen der Griffe am SkyHydrant. Anschließend sinken die Verunreinigungen auf den Boden und werden durch einen Entsorgungsablauf hinausgespült. Der Prozess nimmt nur wenige Minuten pro Tag in Anspruch und hat so keinen nennenswerten Einfluss auf den Durchsatz. Der kombinierte Einsatz von Shake & Flush und der Passive-Membrane-Technologie ist vom Hersteller patentiert.
Um sicherzustellen, dass der SkyHydrant nicht durch übermäßigen Druck beschädigt wird, muss der Wasserdruck kontrolliert werden.
Sofern im Trinkwasser Verunreinigungen enthalten sind, die der SkyHydrant nicht entfernen kann, sind zusätzliche Behandlungsverfahren notwendig.
Der SkyHydrant kann in verschiedene Setups integriert werden: als reines Schwerkraft- oder Pumpen-System, kombiniertes Pumpen-Schwerkraft-System oder Solarpumpen- System. Für Notfälle gibt es darüber hinaus spezielle Setups, die binnen kürzester Zeit einsatzbereit sind.
Trotz seiner kompakten Maße kann der SkyHydrant große Mengen an gefiltertem Wasser erzeugen. Er ist in der Lage, täglich 10.000 Liter Wasser zu reinigen und so den Bedarf von 500 bis 1.000 Menschen zu sichern. Für die Nutzung in ländlichen, schwer zugänglichen Gebieten ist er damit gut geeignet. Für größere Bedarfe ist auch eine Nutzung in Form von Mehrfachanlagen möglich.
Der SkyHydrant kann sowohl für die Filterung von Grundwasser aus Brunnen oder Zisternen als auch für nicht-salzhaltiges Oberflächenwasser – also in Seen, Dämmen, Flüssen oder Wasserlöchern – eingesetzt werden. Die Zuverlässigkeit der Entfernung von Krankheitserregern, Schmutz und Trübungen durch den SkyHydrant ist durch die WHO bestätigt. arche noVa nutzt die Technologie zur Deckung des kurz- und langfristigen Trinkwasserbedarfs.
Der SkyHydrant lässt sich schnell und einfach einrichten und produziert sofort sauberes Wasser. Für die Einrichtung, den Betrieb und die Wartung des Geräts sind keine technischen Fähigkeiten oder besonderen Kenntnisse erforderlich.
Auf einen Blick: Vorteile der Ultrafiltration mit dem SkyHydrant
Hohes Filtervolumen von bis zu 10.000 Litern pro Tag
Einfache Einrichtung in 20 Minuten
Problemloser manueller Betrieb, keine zusätzliche Stromzufuhr nötig
Einfache und schnelle Reinigung
Filter hält bis zu 10 Jahre oder länger ohne Austausch
Keine technischen Kenntnisse für Einrichtung oder Wartung erforderlich
Freistehend oder an der Wand montierbar
Kein Strom oder Chemikalien für die Filtration erforderlich
Effektive Filterung von Grund- und Nicht-Salzwasser
Technische Eckdaten des Systems:
Material der Membran: PVdF
Maximal empfohlene Trübung des Zulaufs (NTU): 500
Trübung des gefilterten Wassers (NTU): <0,1
Log-Reduktionswert für Partikel 2–5 m (LRV): >4
Empfohlener Mindestdifferenzdruck: 0,5 m
Maximal empfohlener Differenzdruck (m): 4,0 m
Minimale Nennleistung (Liter/Stunde): 400
Maximale Nennkapazität (Liter/Stunde): 500 GEM &1000 MAX
