Trinkwasser

Die Forschungsgruppe Trinkwasser ist in verschiedenen Projekten tätig, von der Wasserressource bis zum Konsumenten. Einige aktuelle Projekte werden unten vorgestellt.

Trinkwasseraufbereitung mit Membranen für „Point-of-Use“ Anwendungen

In vielen Ländern ist die zentrale Trinkwasserversorgung nicht zuverlässig oder gar nicht vorhanden. In solchen Situationen ist eine dezentrale Aufbereitung meistens sinnvoll. Mit Membrantechnologie kann das Wasser desinfiziert und Trübstoffe entfernt werden. Die auf dem Markt vorhandenen Systeme sind aber meistens zu teuer für Entwicklungs- und Schwellenländer und benötigen Hilfsstoffe (Reinigungsmittel) und Energie. Ein Ziel unserer Forschung ist die Entwicklung von Membransystemen, welche unter diesen Bedingungen geeigneter sind.

Ein Vorteil von Schwerkraft getriebenen Membrananlagen ist, dass sie keine Pumpen und externe Energieversorgung benötigen. Die Resultate zeigen, dass solche Systeme auch während sehr langen Betriebsperioden (über 16 Monate) ohne Rückspülung oder chemische Reinigung zuverlässig funktionieren.

Dieses Prinzip kennt verschiedene Anwendungen. Für Entwicklungs- und Schwellenländer ist die Anwendung attraktiv, weil die Systeme kostengünstig gebaut werden können und kaum Unterhalt oder Bedienung benötigen. Im Rahmen vom EU Trinkwasserprojekt „TECHNEAU“ wurden erfolgreiche Pilotversuche in Frankreich und Südafrika durchgeführt. Im Rahmen eines internen Projektes wird die Anwendung im Haushaltbereich in Kenia im Moment weiterentwickelt und geprüft. Mehr Details zu diesem Projekt finden Sie hier

Mit Unterstützung eines privaten Sponsors wird ab Juni 2011 auch die Implementierung in grossem Massstab vorangetrieben. Dies beinhaltet u.a. das industrielle Design, die Anfertigung, die Verteilungskette sowie soziale und ökonomische Aspekte.

Wissenschaftliche Publikationen zu dieser Technologie finden Sie hier:

Link zu Papers Point-of-Use Trinkwasser

Das gleiche Prinzip kann aber auch für dezentrale Anwendungen in Industrieländern benutzt werden. In Zusammenarbeit mit Empa wird ein Wasser- und Energie-autarkes Wohnmodul entwickelt („SELF“). In diesem Wohnmodule wird Regenwasser auf dem Dach gesammelt und mittels Schwerkraft-getriebene Ultrafiltration zu Trinkwasser umgewandelt. Um zu verhindern dass in Trockenperioden das Trinkwasser zu schnell ausgeht, wird Grauwasser wiederverwertet und als Dusch- und Spülwasser eingesetzt.

Eine ausführliche Beschreibung des Wasser-Konzepts im Wohnmodul finden Sie hier
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Membranfouling

Um den Mechanismen des Membranfoulings auf die Spur zu kommen, werden Studien mit Modellsystemen praxisnah und mit Pilotanlagen durchgeführt. Die bisherigen Ergebnisse haben gezeigt, dass Trübstoffe an sich (anorganische Partikel) eigentlich keine wichtigen Foulingkomponenten sind. Wenn ein Rohwasser eine hohe Trübung aufweist, ist dies aber meistens auch mit einem hohen Gehalt an natürlichem organischen Material (NOM) verbunden, welches eine Schlüsselrolle beim Membranfouling spielt. Die Wasserinhaltstoffe können mit der Technik des SEC-OCD (siehe unten) in verschiedene Fraktionen aufgetrennt werden. Die Fraktion mit dem höchsten Molekulargewicht (Biopolymere, vor allem Polysaccharide) führt zwar zur Deckschichtbildung auf der Membran, wird aber durch Spülung relativ gut entfernt. Die Fraktion der Huminstoffe hingegen adsorbiert relativ stark an die Membran und ist deshalb ohne Chemikalien nicht gut entfernbar. Eine Kombination von Huminstoffen, Polysacchariden und Calcium führt zu einer Art Fouling, welche sowohl einen hohen Widerstand als auch eine schlechte Rückspülbarkeit aufweist.

Link zu Papers Membranfouling

Charakterisierung von NOM mit SEC-OCD

Natürliche Wasserinhaltsstoffe (NOM) sind Substanzen die als Ab- und Umbauprodukte von pflanzlichem und mikrobiologischem Material ubiquitär im Wasser und im Boden vorhanden sind. Unterschiedliche Gewässer haben unterschiedliche NOM- Zusammensetzungen.

NOM kann aufgrund ihres Molekulargewichts in verschiedenen Fraktionen aufgetrennt werden mit der Flüssigkeitschromatografie, in Kombination mit einer Grössenausschluss-säule (SEC) und einem Online-Kohlenstoffdetektor (OCD). In diesem Analysesystem sind zusätzlich Detektoren für UV (254 nm), sowie für organischen Stickstoff zugeschaltet. Nachdem die einzelnen Fraktionen die Säule, sowie den UV-Detektor passiert haben, werden sie in einem Dünnfilmreaktor vollständig zu CO2 oxidiert, welcher dann in einem Infrarotdetektor quantifiziert wird. Aufgrund ihrer Grösse (MW) und ihrer Chemie werden die Fraktionen wie folgt benannt: Biopolymere (Gemisch aus Polysacchariden und Proteinen mit MW >20’000D), Huminstoffe (Huminsäuren und Fulvinsäuren mit MW’s um ca. 1’000D), Building Blocks (Abbauprodukte von Hunminstoffen mit MW’s 300-500D), Low Molecular Weight (LMW)- Organics (Gemisch aus LMW-Humics and LMW-acids mit MW < 350 D und Neutralstoffen (meist Zucker mit MW < 350 D).

SEC-OCD ist eine relativ schnelle und leistungsfähige Methode um die organische Zusammensetzung von Gewässer, Trinkwasser und Abwasser zu charakterisieren. Dank der tiefen Detektionsgrenze kann sogar die NOM Zusammensetzung in sauberem, gereinigtem Trinkwasser gemessen werden.

In-line Flockung zur Optimierung der Ultrafiltration

Membranprozesse kommen auch in der Schweiz immer mehr zum Einsatz an Stelle von bestehenden Sandfiltrationsanlagen, weil Membranen Keime viel besser zurückhalten. Dann ist auch der Platzbedarf von Membrananlagen viel geringer als von herkömmlichen Aufbereitungsverfahren. Es gibt aber gewisse Wasserinhaltsstoffe, welche zu starkem Fouling von Membranen und damit verbundenen Leistungseinbussen führen können. In einer grundlegenden Studie haben wir nachweisen können, dass dieses Foulingverhalten mit spezifischen Fraktionen der im Wasser vorkommenden, natürlichen organischen Stoffe (NOM) verbunden ist (siehe auch oben: „Membranfouling“)

Membranfouling kann auch in der Schweiz problematisch sein, zum Beispiel bei Karstquellen während der Scheeschmelze und nach starken Regenereignissen, oder während der Umschichtung von Seen. Eine mögliche Lösung ist die „in-line“ Dosierung von Flockungsmitteln und/oder Pulver-Aktivkohle vor der Ultrafiltration. In einer von der Technologieförderung des BAFU unterstützten Studie wird der Einfluss solcher Hilfsmittel auf die Zusammensetzung von NOM und auf die Membranleistung untersucht. Basierend darauf werden Regelmechanismen für den möglichst sparsamen und bedarfsgesteuerten Einsatz der in-line Flockung entwickelt. Im Vergleich zu den früheren Sandfilter-Anlagen kann damit Flockungsmitteleinsatz um 60 bis 70% vermindert werden. Die Studie wird in enger Zusammenarbeit mit der Schweizer Membrantechnik-Firma Membratec durchgeführt

Trinkwasser Expertisenzentrum

Bei der Behandlung von Oberflächenwasser wird in der Schweiz und im Ausland üblicherweise eine Kombination von Verfahrensstufen eingesetzt. Oft wird eine physikalische Trennung (z.B. Membranfiltration) mit einer adsorptiven Behandlungsstufe (z.B. Aktivkohle) und einer Oxidationsstufe (z.B. Ozonung) kombiniert. Um ein besseres Verständnis von solchen Verfahrensketten zu erhalten und Optimierungen durchführen zu können ist ein tiefergehendes Prozessverständnis notwendig. Dabei sind nicht nur verfahrenstechnische, sondern auch chemische, mikrobiologische und analytische Expertisen von grosser Bedeutung.

Im Eawag Trinkwasser Kompetenzzentrum sind diese Expertisen vertreten, siehe wave21

Die Trinkwassergruppe ist eingebunden im Kompetenzzentrum mit Expertise auf dem Gebiet der Membrantechnologie und Trinkwasserverfahrenstechnik.

Publikationsliste

Eine Liste von neuen Publikationen findet man hier