Optimierung des Membranhybridverfahrens Flockung-Ultrafiltration zur Huminstoffentfernung bei der Trinkwasseraufbereitung

In den letzten drei Jahrzehnten wurde vielerorts ein Anstieg der Konzentration gelöster organischer Kohlenstoffverbindungen, von denen Huminstoffe einen Großteil ausmachen, in zur Trinkwassergewinnung genutzten Wässern beobachtet. Ein hoher Huminstoffgehalt ist sowohl aus praktischen und ästhetischen Gründen als auch aufgrund gesetzlich vorgegebener Grenzwerte im Trinkwasser unerwünscht. Da Huminstoffe durch die herkömmlichen Verfahren der Grundwasseraufbereitung (Belüftung und Schnellfiltration) nur geringfügig zurückgehalten werden, ist die Erforschung geeigneter Verfahren zur Verringerung des Huminstoffgehaltes relevant, um in Zukunft eine weiterhin hohe Trinkwasserqualität gewährleisten zu können. Ziel dieser Arbeit war es, das Potenzial des kombinierten Verfahrens von In-line-Flockung und Ultrafiltration zur Verringerung der durch Huminstoffe verursachten Färbung in Ergänzung zur bestehenden Aufbereitung in einem norddeutschen Wasserwerk zu untersuchen. Dazu wurden über einen Zeitraum von zehn Wochen Pilotversuche vor Ort durchgeführt, in denen die Einflüsse verschiedener Betriebsparameter und der stufenweisen Dosierung des Flockungsmittels Eisen(III)-chlorid auf die Permeatqualität und das Filtrationsverhalten getestet wurden. Insgesamt erwies sich das Membranhybridverfahren zur Verringerung des Huminstoffgehaltes und somit der Färbung des behandelten Wassers als geeignet. Die im Permeat erzielte UV-Absorption und Färbung konnten in Abhängigkeit der Flockungsmitteldosierung und der Rohwasserqualität durch ein einfaches empirisches Modell beschrieben werden. In den Versuchen wurde bereits innerhalb der ersten 21 Stunden ein Nachlassen der Permeabilität beobachtet, das durch die Rückspülung mit Permeat nur teilweise reversibel war. Es zeigte sich, dass das Gesamtfouling von dem durch die kompressible Deckschicht hervorgerufenen Druckverlust bestimmt wird und die Darcy-Gleichung, trotz der inhomogenen Verteilung der Deckschicht über die Länge der Kapillarmembran, im untersuchten Bereich gültig ist. Als Einflüsse auf das hydraulisch irreversible Fouling wurden sowohl die Konzentration ungeflockt vorliegender organischer Stoffe als auch die Flockungsmitteldosierung und die Betriebsparameter der Ultrafiltration identifiziert. Es scheint eine von den Betriebsbedingungen abhängige kritische dosierte Flockungsmittelmasse zu geben, ab der die Deckschicht bei der Rückspülung nur unvollständig aus dem Membranmodul ausgetragen wird. Unterhalb dieses kritischen Wertes dominiert der Einfluss der organischen Stoffe das hydraulisch irreversible Fouling. Durch die stufenweise Dosierung des Flockungsmittels konnte im vorliegenden Anwendungsfall keine wesentliche Verbesserung der Färbungsverringerung und des Filtrationsverhaltens erzielt werden. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse konnten Empfehlungen für den Anlagenbetrieb ausgesprochen und weitere Ansätze für die Verfahrensoptimierung aufgezeigt werden.Over the past three decades increasing concentrations of natural organic matter, which is in large part composed of humic substances, in drinking water reservoirs have been obeserved. High contents of humic substances in drinking water are undesirable for practical and aesthetical resaons as well as due to statutory limits. As their removal by common processes in drinking water treatment, such as aeration and rapid filtration, is low, research into efficient methods for the reduction of the humic content is important to ensure the supply of high quality drinking water in the future. This thesis is aimed at exploring the potential of the hybrid process in-line coagulation-ultrafiltration for the reduction of colour caused by humic substances as an additional treatment step in a Northern German water supply facility. In pilot-scale experiments on site the influence of several operational parameters and of a stepwise decrease of coagulant dosing (ferric chloride) was investigated. Overall, the membrane hybrid process proved to be suitable to reduce the content of humic substances and hence the colour of the treated water. The resulting UV absorption and colour in the permeate could be described as a function of coagulant concentration and raw water quality by a simple empirical model. A loss of permeability, which was only partly reversible by hydraulic backwashing, occured already during the first 21 hours of filtration. Total fouling was dominated by the compressible cake layer deposited on the membrane. The associated pressure drop could be estimated by Darcy’s law inspite of the inhomogenous distribution of the cake layer along the length of the capillary membrane. Main influences on the hydraulically irreversible fouling turned out to be the concentration of uncoagulated natural organic matter as well as the dosed amount of coagulant and the operational parameters of the ultrafiltration. It seems that beyond a certain mass of coagulant, which depends on the operating conditions, the removal of the cake layer by hydraulic backwashing is incomplete. Below this critical value the extent of hydraulically irreversible fouling was presumably determined by the concentration of organic substances. The stepwise decrease of coagulant dosing provided no signicant advantage in terms of the removal of colour and the mitigation of membrane fouling for the investigated application. Based on the insights gained during the ten weeks of pilot plant operation recommendations were given and approaches for further optimization developed