Sellner, B.R. & Ramsch, B. 1996: Wie gut sind Umkehrosmoseanlagen mit niedrigem Abwasser-Reinwasser-Verhältnis. Meernachrichten - MarinLife 2 (21): 12 - 24.

Wie gut sind Umkehrosmoseanlagen mit niedrigem Abwasser-Reinwasser-Verhältnis

von Beate R. Sellner und Burkhard Ramsch

Prinzip der Umkehrosmosetechnik
Abwasser ist unvermeidbar!
Welches Abwasser-Reinwasserverhältnis ist das Richtige?
- Niedriges oder hohes Abwasser-Reinwasser-Verhältnis?
- Niedriges Abwasser-Reinwasser-Verhältnis verschlechtert die Reinwasserqualität
- Das Abwasser-Reinwasser-Verhältnis wird vom Arbeitsdruck beeinflusst
Zusammenfassung
Literatur


Prinzip der Umkehrosmosetechnik



Die Technik der Umkehrosmose oder Reverse Osmose (Abkürzung RO) hat ein natürliches Prinzip zum Vorbild: die Osmose. Bei zwei wässrigen Lösungen, die unterschiedliche Salzgehalte (Osmolarität) haben und durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran getrennt sind, entsteht spontan ein Wasserfluss von der niedrig konzentrierten Seite zur hochkonzentrierten, ohne jedoch die gelösten Stoffe (z.B. Salze) mitwandern zu lassen. Die Umkehrosmosetechnik dreht das Prinzip um, indem mit hohen Druck das Rohwasser (meist aus der Wasserleitung) durch eine halbdurchlässige Membran (Umkehrosmosemembran) gedrückt wird (Abb. 1). Da nur reines Wasser (Reinwasser, Permeat) die Membran passieren kann, müssen die gelösten Wasserinhaltsstoffe auf der Konzentratseite (Abwasserseite) bleiben. Die zurückgehaltenen Stoffe werden mit dem Abwasserstrom (Konzentrat) von der Membran abgeführt. Das Spülventil lässt im geschlossenen Zustand deshalb eine definierte Menge an Abwasser hindurch. So wird das Verhältnis von Abwasser zu Reinwasser festgelegt. (Ramsch 1994)

 

Abwasser ist unvermeidbar!

Weil die Umkehrosmosetechnik im Normalfall ohne Chemikalien arbeitet, müssen die zurückgehaltenen Stoffe mit Wasser fortgespült werden. Wenn sich nämlich die Stoffe auf der Konzentratseite zu sehr anreichern - pro Tag könnten sich bei einer 90 Liter-Anlage ohne weiteres 45 Gramm Salze anhäufen - besteht die Gefahr, das sie zu festen Salzkristallen ausfallen. Die Membran wird so mit einer undurchlässigen Schicht verblockt. Als Folge muss die Membran mit besonderen Chemikalien gespült oder gar ersetzt werden.
Der Abwasserstrom beim Betrieb einer Umkehrosmoseanlage ist deshalb unvermeidlich. Darin liegt der Nachteil der Umkehrosmosetechnik. Einige Hersteller versuchen aus dem Nachteil einen Verkaufsvorteil zu ziehen: sie bieten Anlagen mit niedrigem Abwasser-Reinwasser-Verhältnis an.
Das bedeutet für den Aquarianer niedrige Wasserkosten. Dieser Vorteil wird fast immer teuer eingekauft. Denn die Umkehrosmosemembran hält nur wenige Monate und muss mit hohen Kosten ersetzt werden.


Welches Abwasser-Reinwasser-Verhältnis ist das Richtige?

Auf diese Frage kann leider keine generelle Antwort gegeben werden. Mehrere Faktoren spielen dabei eine Rolle.

1. Die Rohwasserqualität ist entscheidend
Salzlösungen haben bei der Aufkonzentrierung das Bestreben, feste Salze zu bilden. Man sagt, das Löslichkeitsprodukt wird überschritten. Wann Salze ausfallen, hängt von deren Zusammensetzung und Konzentration ab. Auch die Temperatur beeinflusst die Fällung: bei tiefen Temperaturen fallen Salze leichter aus. Grob gesprochen gilt: je mehr Salze im Rohwasser, desto eher fallen die Salze aus. Bei salzarmem (meist weichem) Wasser ist die Gefahr der Membranverblockung geringer als bei elektrolytreichen (meist harten) Wässern.

Die Salzanteile, die im Leitungswasser leicht ausfallen, stammen meist aus der Gruppe der Erdalkalimetalle, auch Härtebildner (GH) genannt. So wird z.B. Calcium zu Calciumcarbonat. Verhindert wird diese Fällung jedoch durch eine überhöhte Kohlensäurekonzentration im Wasser (aggressives Wasser).
Andere Verbindungen, wie zum Beispiel Eisen oder Mangan, fallen nicht nur bei überhöhter Konzentration aus. Maßgeblich ist auch das Redoxpotential, das wiederum durch den Sauerstoffgehalt des Wasser beeinflusst wird. Sobald Eisen- oder Mangankonzentrationen von über 0,1 mg/l im Rohwasser vorhanden sind und das Wasser mit Sauerstoff in Verbindung kommt, fallen Eisen- und Manganhydroxide aus und verblocken die Membran. Bei hohen Eisen- und Mangenkonzentrationen (Wasserwerk fragen oder selber messen!) muss das Wasser enteisent bzw. entmangant werden. Hat das Leitungswasser Trinkwasserqualität, liegen die Konzentrationen an Eisen und Mangan unter den kritischen Werten.

2. Enthärtung als Vorbehandlung
Um das Risiko von Kalkausfällungen am Leitungssystem und an den Sanitärarmaturen zu vermindern, sind in einigen Haushalten Enthärtungsanlagen installiert. Diese Anlagen tauschen die "gefährlichen" Erdalkalimetalle gegen das Alkalimetall Natrium aus. Eine Verblockung (Ausfällung) wird somit verhindert. Bei großen Umkehrosmoseanlagen - ab 1.000 bis 10.000 Liter pro Tag - wird diese Enthärtung ebenfalls vorgenommen, um die Ausbeute zu erhöhen bzw. das Abwasser-Reinwasser-Verhältnis zu erniedrigen. Für kleine Umkehrosmoseanlagen lohnt sich der Aufwand im Allgemeinen nicht.

3. Der Umkehrosmosemodultyp
In der Aquaristik und zur Trinkwasseraufbereitung werden fast ausschließlich Wickelmodule benutzt. Diese Typen sind gegenüber Hohlfasermodulen wesentlich preiswerter, robuster bei der Handhabung, allerdings auch ein wenig empfindlicher gegenüber Ausfällungen. Hohlfasermodule können aufgrund der höheren Packungsdichte mit einem niedrigeren Abwasser-Reinwasser-Verhältnis betrieben werden. Allerdings ist eine Konzentratrückführung in diesem Fall unabdingbar (s.u.).

4. Die Fließgeschwindigkeit an der Membran
Wässer, die bewegt werden (turbulente Strömungen), neigen nicht so schnell zum Ausfällen, wie unbewegte wässrige Lösungen. So gilt, je mehr Wasser an der Membran entlang strömt, desto geringer ist die Gefahr der Ausfällung. Bei Umkehrosmoseanlagen, die mit einer Druckerhöhungspumpe ausgestattet sind - ab ca. 400 bis 600 Liter pro Tag je nach Hersteller und Anlagentyp - gibt es die Möglichkeit, das Konzentrat, welches das Umkehrosmosemodul verlässt, teilweise wieder in den Zulauf zu pumpen. Diese Konzentratrückführung erhöht die Wasserfließgeschwindigkeit an der Membran.

5. Zusatzmittel: Antiscallants, Säure
Es gibt einige Chemikalien, die den Niederschlag bestimmter Stoffe verhindern. So kann zum Beispiel Polyphosphat eine Ausfällung von Erdalkalimetallen verhindern (Kalkblocker). Bei großen Umkehrosmoseanlagen werden deshalb sogenannte Anitscallants zugesetzt oder wird das Wasser vor der Umkehrosmoseanlage enthärtet. Ebenfalls wird bei einigen Problemverbindungen Säure in das Rohwasser dosiert. Aber alle diese Maßnahmen sind aufwendig und lohnen sich nicht bei Kleinanlagen; es sei denn, es handelt sich um sehr kalkhaltige Wässer, die zusätzlich zu wenig Gleichgewichtskohlensäure enthalten. Bei diesen schlecht eingestellten Wässern können Hersteller von Qualitätsanlagen in den meisten Fällen weiterhelfen.

6. Die Wartung
Die Wartung einer Umkehrosmoseanlage hat nicht nur Einfluss auf die Reinwasserqualität (Ramsch & Sellner 1995, Sellner & Ramsch 1996), sondern auch auf das Verblockungsrisiko. Wird eine Anlage in Intervallen betrieben (das heißt öfter ein- und ausgeschaltet), befindet sich nach dem Abstellen auf der Konzentratseite der Membran aufkonzentriertes Leitungswasser. Weil keine Wasserbewegung vorhanden ist, können Salze ausfallen und sogenannte Kristallisationskerne bilden. An diesen Kernen fallen weitere Salze besonders gut aus. Wird vor dem Abstellen für ca. 2-3 Minuten gespült (Spülventil öffnen), befindet sich hingegen nichtaufkonzentriertes Leitungswasser auf der Konzentratseite. Zusätzlich wird dieses noch durch Wasser aus der Reinwasserseite verdünnt, denn ohne Wasserdruck gleichen sich die Konzentrationen auf der Rein- und Abwasserseite aus. Wenn die Anlage wieder eingeschaltet wird, sollte ebenfalls kurz gespült werden (2-3 min), damit Bakterien, die sich in der Zwischenzeit vermehrt haben könnten, fortgespült werden.

Niedriges oder hohes Abwasser-Reinwasser-Verhältnis?

Ob eine Umkehrosmoseanlage mit niedrigem oder hohem Abwasser-Reinwasser-Verhältnis betrieben wird, ist keine Frage von Technologie oder Fähigkeit des Herstellers. Das Verhältnis kann leicht durch den Einbau eines anderen Spülventils (Spülvorrichtung, Druckhalteventil) verändert werden. Die verwendeten Wickelmembranen sind alle auf dem Stand der Technik und können in puncto Verblockung wohl kaum verbessert werden. Die verwendeten Spacer - das sind die Abstandhalter zwischen den Membranlagen - sind optimiert. Die unterschiedlichen Kunststoffmaterialien der Membranen haben keinen Einfluss auf die Verblockungsgefahr.
So bleibt das eingestellte Abwasser-Reinwasser-Verhältnis bei Kleinumkehrosmoseanlagen mit Wickelmodulen zunächst einmal reine Philosophie. Jeder Aquarianer muss sich zwischen zwei Extremen entscheiden:
Entweder wird Wasser eingespart oder die Membran hält länger.
Eine Membran funktioniert nur lange bei hohem Abwasser-Reinwasser-Verhältnis. Nachteilig sind die damit verbundenen Wasserkosten. Für Aquarianer, die nicht auf den Wasserpreis sehen müssen (z.B. Eigenversorger), sollte das Abwasser-Reinwasser-Verhältnis prinzipiell bei mindestens 6:1 eingestellt sein.
Verhältnisse unter 3:1 sind sehr problematisch. Zwar wird viel Wasser eingespart (bei einer 2:1-Anlage 57% gegenüber einer 6:1-Anlage), jedoch steigt die Gefahr der Verblockung. Berücksichtigt muss auch werden, das die eingestellten Verhältnisse großen Schwankungen unterworfen sind. Bei einer Membran mit höherer Leistung können mehrere ungünstige Faktoren zusammentreffen:

  • die Reinwasserleistung der Membran liegt besonders hoch (bei allen Herstellern schwankt die Leistung der Membran um ca. ±15%),
  • das Spülventil liegt zufällig am unteren Ende der Toleranz,
  • die Anlage wird bei höherem Druck als dem Standarddruck (bei den meisten Herstellern 4 bar) betrieben,
  • im Sommer liegen die Wassertemperaturen höher.

So kann es schnell dazu kommen, das eine als 2:1 hergestellte Anlage nur noch Abwasser im gleichen Verhältnis zum Reinwasser (1:1) oder sogar darunter produziert. Als dann ist mit hoher Wahrscheinlichkeit die Membran in weniger als einem halben Jahr unbrauchbar. Die Kosten einer Ersatzmembran stehen in keinem vernünftigen Verhältnis zur Wasserersparnis.

Das belegt eine kleine Rechnung:
Für die wöchentliche Produktion von 50 Litern Reinwasser verbraucht bei eine 4:1 Anlage pro Jahr 13,0 m3 Wasser, eine 1:1 Anlage lediglich 5,2 m3, mithin 7,8 m3 weniger. Das ergibt bei einem Wasserpreis von angenommen 6 DM pro m3 eine Ersparnis von 46,80 DM im Jahr oder von 187,20 DM in vier Jahren. Angenommen, die Membran der 4:1 Anlage hält 4 Jahre, die der 1:1 Anlage jeweils nur ein Jahr, so ergibt das bei einem Membranpreis von vielleicht 200 DM für die 1:1 Anlage bei 4 neuen Membranen aber bereits 800 DM. Zieht man die Wasserersparnis - 187 DM - von den Mehrkosten für Membranen - 600 DM - ab, verbleiben zu Lasten der 1:1-Anlage Mehrkosten von 412,80 DM. Umgerechnet kostet (ohne Anschaffungskosten der Gesamtanlage) ein Liter Reinwasser der 1:1-Anlage dann 8,9 Pfennige - gegenüber 4,9 Pfennig der 4:1-Anlage - Ersparnis: 45%.

Nur in ganz wenigen Fällen hat es Sinn, das Abwasser-Reinwasser-Verhältnis auf 1:1 zu senken. Auf jeden Fall sollte das nur nach Absprache mit dem Hersteller geschehen! Garantieansprüche - bei seriösen Herstellern wird auch auf die Membran Garantie gewährt - werden dann aber meist ausgeschlossen.

Niedriges Abwasser-Reinwasser-Verhältnis verschlechtert die Reinwasserqualität

Ein zweites Argument, das gegen niedrige Abwasser-Reinwasser-Verhältnisse spricht, ist die schlechter werdende Qualität des Reinwassers. Die Membran kann bei konstanten Bedingungen immer nur etwa. 95-98% der Konzentrationen von Wasserinhaltsstoffen zurückhalten. Ausschlaggebend ist nicht die Belastung des Rohwassers, sondern die der Konzentratseite. Je weiter die Inhaltsstoffe aufkonzentriert werden, je niedriger also das Abwasser-Reinwasser-Verhältnis eingestellt ist, desto höher wird die Membran belastet. Hält die Membran 95% zurück, so bezieht sich dieser Wert nicht auf das Rohwassers sondern auf das Konzentrat!


Abbildung 2 zeigt, wie die Reinwasserqualität sich bei sinkenden Abwasser-Reinwasser-Verhältnissen aber bei gleicher Rohwasserqualität verschlechtert. Bei 500 µS/cm Leitfähigkeit (ein Summenparameter für die Konzentrationen der Salze im Wasser) und einem eingestellten Abwasser-Reinwasser-Verhältnis von 4:1 beträgt die Leitfähigkeit der Konzentratseite 625 µS/cm. Wenn angenommen wird, das die Membran 95% zurückhält, hat das Reinwasser eine Leitfähigkeit von 31,25 µS/cm. Die gleiche Membran wird bei einem Konzentrat-Permeat-Verhältnis von 1:1 bereits mit 1000 µS/cm belastet - folglich befinden sich im Reinwasser noch Salze, die eine Leitfähigkeit von 50 µS/cm verursachen. Die Wasserqualität des Permeats wurde nur durch die Erniedrigung des Abwasser-Reinwasser-Verhältnisses von 4:1 auf 1:1 um 60% verschlechtert.
Wenn es ausschließlich um die Enthärtung von Wasser geht (eine gewisse Resthärte von 1-2°dH ist für die meisten Zwecke von Vorteil), kann die Verschlechterung des Reinwassers von 60% in Kauf genommen werden. Aber Vorsicht: sollen Problemstoffe wie Nitrat und Kieselsäure aus dem Wasser entfernt werden, können 60% mehr oder weniger den Ausschlag für den Erfolg der Fischhälterung und -zucht geben.

Das Abwasser-Reinwasser-Verhältnis wird vom Arbeitsdruck beeinflusst

Die Reinwasserleistung steigt mit steigendem Druck linear an. Wird also der Wasserdruck verdoppelt, verdoppelt sich ebenfalls die Reinwassermenge; bei halbem Druck kann die Membran nur die Hälfte an Permeat produzieren. Für die Abwassermenge gilt diese Beziehung nicht: bei z.B. doppeltem Druck steigt die Konzentratmenge nicht ganz doppelt an. So erniedrigt sich bei steigendem Druck das Abwasser-Reinwasserverhältnis. Dementsprechend verändert sich die Konzentration der Wasserinhaltsstoffe auf der Konzentratseite und damit auch die der Reinwasserseite (Abb. 2). Positiv ist jedoch zu vermerken, das bei steigendem Druck die Rückhalteraten der Umkehrosmosemembranen sich verbessern. Darum kann die Verschlechterung durch das erniedrigte Konzentrat-Permeat-Verhältnis vernachlässigt werden.

Zusammenfassung

Nach allem bleibt für jeden Aquarianer die Frage, welches Verhältnis nun das richtige sei. Objektiv kann die Frage nicht beantwortet werden. Jeder kann ausrechnen, ob seine Wasserersparnis den Mehraufwand an Membranen rechtfertigt. Unserer Meinung nach, hat der Schutz der Membran fast stets Vorrang. Ebenso wichtig wie die Ausstattung der Anlage mit Aktivkohlefilter, Feinfilter und Spülventil ist folglich ein realistisches Abwasser-Reinwasser-Verhältnis. Verhältnisse unter 3:1 empfehlen wir nicht.
Variable Verhältnisse, die einige Herstellern anbieten, werden nur durch das mehr oder weniger weit geschlossene Drosselventil erreicht. Für den Betrieb bedeutet das, nach jedem Spülvorgang (Ventil geöffnet) das Ventil so weit zu schließen, Dabei kann es schon mal passieren, das zu niedrig eingestellt wird mit dem Erfolg: beschädigte Membran. Nach unseren Erfahrungen werden Anlagen mit variabel einstellbaren Verhältnissen entweder aus Sicherheitsgründen mit zu hohem Verhältnis betrieben oder aber die Membran verblockt schnell "aus Versehen".
Nur in Ausnahmen können niedrige Verhältnisse von Vorteil sein. Bei geringen Leitfähigkeiten des Rohwassers (kleiner 200 µS/cm) kann der Versuch gestartet werden, eine Anlage mit niedrigem Verhältnis zu betreiben. Auf jeden Fall müssen Reinwasserleistung und -qualität über mehrere Monate beobachtet werden. Sobald die Werte abfallen, ist die Anlage sofort auf ein höheres Verhältnis umzustellen, um eine Verblockung zu verhindern. Ist die Leistung bereits unter ca. 80% abgefallen, sollte eine Spezialspülung beim Hersteller vorgenommen werden. Unter 50% Reinwasserleistung ist die Membran wahrscheinlich irreparabel zerstört und muss ersetzt werden.


Literatur

AquaCare Informationsschrift "Das Prinzip der Umkehrosmosetechnik".

Ramsch, B. 1994: Wasseraufbereitung als Basis für die Pflege und Zucht von Aquarienfischen. D. Aqu. u. Terr. Z. (DATZ) 12: 802 - 807.

Ramsch, B. & Sellner, B.R. 1995: Wie wichtig ist der Aktivkohlefilter bei Umkehrosmoseanlagen? DISKUS BRIEF 4: 134-138.

Sellner, B.R. & Ramsch, B. 1996: Umkehrosmosetechnik - wie wichtig ist die Wartung? Das Aquarium 1 (319): 40-48.