Fortschrittliche Abwasseraufbereitung zur Wiederverwendung

Der Klimawandel und das stetige Wachstum der Weltbevölkerung setzen die Süßwasservorräte zunehmend unter Druck und machen ein besseres Management dieser lebenswichtigen Ressource immer dringlicher. Neben Maßnahmen zum Wassersparen entwickeln sich Verfahren zur Wasserwiederverwendung als neue und wichtige Strategie, um die Süßwasservorräte zu erweitern. Dazu wird Abwasser so aufbereitet, dass es die Qualitätsstandards für die weitere Nutzung erfüllt.

Seit mehr als zehn Jahren sind Anwendungen zur Wasserwiederverwendung in industriellen Kühlprozessen, für Toilettenspülungen und zur Bewässerung von Grünflächen durchaus üblich. Fortschrittliche Aufbereitungsverfahren haben jedoch in den letzten Jahren die Praxistauglichkeit und Wirtschaftlichkeit sowie die Sicherheit der Wiederverwendung als Trinkwasser deutlich verbessert. Dies gilt sowohl für die direkte als auch die indirekte Wiederverwendung als Trinkwasser, und dieser Trend nimmt gerade im kommunalen Bereich rasch Fahrt auf.

Nachdem größere Feststoffpartikel und Mikroorganismen durch konventionelle Behandlungsverfahren aus dem ankommenden, zur Wiederverwendung bestimmten Abwasserstrom entfernt wurden, dienen fortschrittliche Aufbereitungstechniken dazu, das Wasser von den verbliebenen kleineren Partikeln sowie von Verunreinigungen durch Viren zu reinigen. Verfahren wie Filtration, Umkehrosmose und Entkeimung ermöglichen, die strengen Qualitätsstandards für die Wiederverwendung des Wassers als Trinkwasser einzuhalten.

Filtration wird häufig eingesetzt, um Schwebstoffe, Bakterien und einige größere organische Moleküle zu entfernen. Als Filtermaterialien können Sand, Granulate und feine Membranen verwendet werden.

Membranfiltration ist seit langem ein fester Bestandteil der Trinkwasseraufbereitung. Dabei wird Wasser unter Druck durch feine Membranen gepresst, die Verunreinigungen zurückhalten. Die Porengröße der Membran ist je nach Anforderung unterschiedlich. Oft werden mehrere Membranen verwendet, wobei die Porengröße in diesem Prozess schrittweise verringert wird.

Mikrofiltration kommt in der Aufbereitung regelmäßig zu Beginn der Tertiärstufe zum Einsatz. Die Porengrößen reichen hier von 0,1 bis 10 Mikron. Durch Ultrafiltration mit Poren mit einem Durchmesser von 0,01 bis 0,1 Mikron lassen sich Schwebstoffe, Bakterien und viele Viren effektiv entfernen. Beide Membrantypen wirken als physische Barrieren, die Verunreinigungen auf der Membranoberfläche zurückhalten, sauberes Wasser jedoch durchlassen. Da sich mit der Zeit Verunreinigungen auf der Membranoberfläche ansammeln, ist regelmäßiges Rückspülen erforderlich, um die Filtereffizienz aufrechtzuerhalten und ein Zusetzen der Poren zu verhindern, damit Wasser weiter durchfließen kann.

Für eine noch feinere Filterung werden bei der Nanofiltration Membranen mit Porendurchmessern von 0,001 Mikron verwendet. Dank dieser extrem feinen Öffnungen ist die Nanofiltration in der Lage, ein breiteres Spektrum an Verunreinigungen zu entfernen, beispielsweise gelöste organische Stoffe, härtebildende Ionen wie Calcium und Magnesium, Pestizide und einige Schwermetalle. Sie wird regelmäßig als Zwischenschritt zwischen Ultrafiltration und Umkehrosmose (UO) eingesetzt und erzielt einen hohen Reinigungsgrad, benötigt aber deutlich weniger Energie als die Umkehrosmose, mit der gelöste Salze entfernt werden.

Wenn höchste Anforderungen an die Wasserreinheit gestellt werden, z. B. bei der direkten Wiederverwendung als Trinkwasser und bei vielen industriellen Anwendungen, können mithilfe von UO-Membranen selbst feinste Verunreinigungen entfernt werden. Die Poren dieser Membranen haben einen Durchmesser von ca. 0,0001 Mikron und können Salze, Minerale, Spurenschadstoffe, Bakterien und Viren auffangen. Aufgrund dieser winzigen Porengröße sowie zur Überwindung des osmotischen Drucks erfordert die Umkehrosmose einen hohen Energieeinsatz, um Wasser unter Druck durch die Membranen zu pumpen.

Da die Poren so klein sind, arbeiten UO-Anlagen normalerweise mit Tangentialflussfiltration (auch als Querstrom- oder Cross-Flow-Filtration bezeichnet). Dabei wird gefiltertes Permeatwasser in eine Richtung geleitet, während verunreinigtes Konzentratwasser einen anderen Weg durch den Behälter nimmt. Bei der Tangentialflussfiltration kann der Konzentratstrom die Verunreinigungen, die sich auf der Membran ansammeln, wegspülen und für eine ausreichende turbulente Strömung sorgen, um ein Verstopfen der Oberfläche zu verhindern.

Der Konzentratstrom besteht aus Sole und anderen Verbindungen, die nicht durch die Membran hindurchtreten können. Um die Wasserrückgewinnung zu erhöhen, bestehen UO-Anlagen oft aus mehreren Stufen. Dabei wird das Konzentrat aus einer Stufe durch eine UO-Membran der zweiten Stufe gepresst oder durch die erste Membran in den Kreislauf zurückgeleitet.

Nach der Filtration ist die Entkeimung üblicherweise der letzte Schritt der tertiären Aufbereitung. Gängige Entkeimungsverfahren sind beispielsweise Chlorierung und erweiterte Oxidation (Advanced Oxidation Processes, AOP) wie UV-Bestrahlung und Ozonierung. Durch diese Verfahren werden verbliebene Krankheitserreger wie Bakterien, Viren und Protozoen inaktiviert, um sicherzustellen, dass strenge Anforderungen an die Wasserqualität erfüllt werden.

Der Erfolg von Programmen zur Wasserwiederverwendung hängt nicht nur davon ab, ob sie technologisch ausgereift sind. Sie erfordern vielmehr auch hochgenaue Prozesssteuerung, strenge Überwachung der Speisewasserqualität und ein konsequentes Wartungsprogramm. Prozessleitsysteme müssen so konzipiert sein, dass sie die Aufbereitungsparameter kontinuierlich überwachen und anpassen, um eine gleichbleibende Wasserqualität zu gewährleisten. Darüber hinaus wird ein Umweltmanagement benötigt, das durch geeignete Maßnahmen das Eindringen von Schadstoffen verhindert, die die Aufbereitung gefährden könnten.

Da Regierungen die wachsende Bedeutung der Wasserwiederverwendung für die Gewährleistung der Wassersicherheit erkennen, entwickeln sich die rechtlichen Rahmenbedingungen rasch weiter. In vielen Regionen werden insbesondere Genehmigungsverfahren für die indirekte und direkte Wiederverwendung als Trinkwasser eingeführt. Sie legen die Anforderungen an Projekte zur Wasserwiederverwendung fest und gehen auf Bedenken in der Bevölkerung im Hinblick auf die Sicherheit dieser Systeme ein. Im Zuge der Fortschritte bei Aufbereitungstechnologien sollten die rechtlichen Rahmenbedingungen weiter angepasst werden, um Innovationen zu fördern und gleichzeitig die Gesundheit der Bevölkerung und eine intakte Umwelt zu schützen.

Die Zukunft der Wassersicherheit hängt von der Bereitschaft zur Akzeptanz nachhaltiger Verfahren ab. Kontinuierliche Investitionen in Forschung, Infrastruktur und die Aufklärung der Öffentlichkeit werden ihren Teil dazu beitragen, eine nachhaltige Wasserversorgung für künftige Generationen zu gewährleisten.