Ramsch, B. 1993: Möglichkeiten und Grenzen der Umkehrosmose in der Meerwasseraufbereitung. Begleitheft zum 2. Meerwassersymposium am 22.-24.10.1993 in Lünen.

Möglichkeiten und Grenzen der Umkehrosmose für die Wasseraufbereitung in der Meerwasseraquaristik

Dipl.-Bio. Burkhard Ramsch


 

Die Ziele der Aquarianer werden immer höher gesteckt. Besonders in der Meerwasseraquaristik steigt die Anzahl derjenigen Organismen, die besondere Ansprüche an die Pflege stellen, von Jahr zu Jahr. Selbst Nachzuchten, die früher als unmöglich galten, sind heute keine Seltenheit mehr.

Diese Erfolge liegen an einem steigenden Wissensstand und an der technischen Ausstattung, die immer weiter verbessert wird. Neben Beleuchtung, Heizung, Filterung und Nährstoffversorgung ist das Ausgangswasser als ein wichtiger Faktor zu nennen.

In letzter Zeit steigen Nitrat- und Pestizidwerte im Trinkwasser. Die Wasserwerke können ihrer Aufgabe, reines Wasser zu liefern, kaum noch nachkommen. Also muss das Trinkwasser für die im Vergleich zum Menschen i.a. empfindlicheren Meeresorganismen aufbereitet werden. Dabei hat sich Umkehrosmose als Stand der Technik durchgesetzt - gerade im Hinblick auf organische Spurenstoffe wie Pestizidrückstände, die mit Ionenaustauschern (Kationen-, Anionenaustauscher, Mischbett) nicht entfernt werden können.

Umkehrosmose ist eine Technik, die der Natur abgesehen wurde. Der Wasserleitungsdruck (normalerweise 3-5 bar) drückt das Rohwasser durch eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran. Das Wasser wird dadurch von durchschnittlich 95% aller Stoffe befreit. Diese konzentrieren sich auf der Rohwasserseite und müssen als Konzentrat abgeführt werden.

Wichtige Faktoren, die die Leistung einer Umkehrosmoseanlage beeinflussen sind:

1. Wasserleitungsdruck. Je höher der zur Verfügung stehende Druck ist, desto höher ist die Menge des Reinwassers (Permeatleistung): bei doppeltem Druck hat eine Umkehrosmoseanlage die doppelte Wasserleistung, bei halbem Druck nur die halbe Leistung. Mit steigendem Druck veränderte sich ebenfalls die Rückhalterate, also der Reinheitsgrad. Unter 3 bar liegt fällt die Rückhalterate rasch ab. Bei niedrigem Druck sollte man zusätzlich eine Druckerhöhungspumpe benutzen. Voraussetzung für den sinnvollen Einsatz einer Anlage ist, dass bei Wasserleistung und Rückhalterate der Wasserdruck angegeben wird: so sind z.B. eine 90 Liter-Anlage (getestet bei 6,5 bar) und eine 150er Anlage (getestet bei 4 bar) identisch in der Wasserleistung.

Wassertemperatur (°C)  1 10 15  20 25  30 35
Permeatleistung (l/d) 60 74  90 106  125 149 170 202

2. Temperatur. Je höher die Wassertemperatur ist, desto höher wird die produzierte Wassermenge (siehe Tabelle). Eine Anlage, die 90 Liter bei 10° leistet, produziert bei 30° schon über 200 Liter. Deshalb sollte man bei Leistungsangaben einer Umkehrosmoseanlage immer die Temperaturangaben beachten. Realistisch sind Temperaturen um 10°C, weil dies die durchschnittliche Leitungswassertemperatur ist. Man sollte nicht versuchen, die Wasserleistung durch Temperaturerhöhung zu steigern. Erstens sind die Energiekosten höher als die Mehrkosten einer Anlage mit höherer Leistung; zweitens kann es zu leicht passieren, daß das Wasser über die zulässige Maximaltemperatur der Membran (35°C bei Membranen aus Polyamid/Polysulfon) aufgeheizt wird.

3. Salzgehalt. Wasser mit hohen Salzgehalten besitzen einen hohen osmotischen Druck, der dem Umkehrosmoseprinzip entgegenwirkt. D.h. bei steigendem Salzgehalt fallen Wasserleistung und Rückhalterate der Umkehrosmoseanlage. Mit kleinen Anlagen, die nur mit Hilfe des Wasserleitungsdrucks betrieben werden, kann nur Süßwasser (bis ca. 1000 mg NaCl, ca. 2000 µS/cm) aufbereitet werden. Sowohl für Brackwasser als auch für Meerwasser werden wesentlich höhere Drücke (50 bis 100 bar) und hoch-druckfeste Membranen benötigt.

Das Herzstück einer Umkehrosmoseanlage ist die Membran. Sie kann aus unterschiedlichem Material bestehen. Jedes hat seine Vor- und Nachteile.

Cellulose-Acetat. Dieses preisgünstige Material ist sehr chlorresistent, wird aber von Bakterien zerfressen, weil viele Mikroorganismen Cellulose-Acetat für ihren Stoffwechsel benutzen können. Deshalb sind Cellulose-Acetat-Membranen in der Trinkwasseraufbereitung nur bei sehr stark gechlortem Wasser brauchbar; denn bei hohen Chlorkonzentrationen können Bakterien nicht überleben. Ein Nachteil: das Chlor gelangt fast ungehindert durch die Membran und muss mittels eines Aktivkohlefilters entfernt werden.

Polyvinylalkohol und seine Derivate. Dieses in der Umkehrosmosetechnik weniger bekannte Material ist wie alle Kunststoffe mehr oder weniger empfindlich gegenüber Chlor oder anderen Oxidationsmitteln. Eine Angabe, dass eine Membran bis z.B. 2,5 mg/l Chlor vertragen kann, ist unvollständig. Um eine Aussage über die Empfindlichkeit der Membran gegenüber eines Stoffe zu machen, muss erstens die Angabe in ppm*h (mg*h/l) und zweitens die bei dieser Belastung aufgetretene Schädigung der Membran angegeben werden. Die Belastung in ppm*h bedeutet, dass die Membran z.B. bei 1000 ppm*h für tausend Stunden mit 1 ppm (mg/l) belastet werden kann, um eine bestimmte Schädigung zu verursachen. Die gleiche Schädigung wird bei 0,1 ppm für 10.000 Stunden erreicht oder bei 10 ppm für 100 Stunden. Man sollte aber grundsätzlich beachten, dass ein Aktivkohlefilter zur Umkehrosmoseanlage gehört, weil auch geringe Spuren von Chlor die Membran schädigen und vor allem die Aquarienbewohner durch Verätzung oder Vergiftung durch Organochlorverbindungen schädigen. Chlor wird nicht von einer Umkehrosmosemembran zurückgehalten.

Polyamid/Polysulfon. Dieser Kunststoff zeichnet sich durch Bakterienfestigkeit aus. Ein kleiner Nachteil ist die Empfindlichkeit gegenüber Chlor und anderen starken Oxidationsmitteln (z.B. Ozon). Damit die Membran nicht zerstört wird, sollte ein Aktivkohlefilter bei Chlorkonzentrationen über 0,1 mg/l unbedingt vorgeschaltet werden. Bei einer Chlorbelastung von 1000 ppm*h verliert eine Polyamid/Polysulfon-Membran ca. 2%-Punkte an Rückhaltung. Wenn man annimmt, dass eine Membran durchschnittlich 4 Jahre benutzt werden kann und ca. 1 Tag pro Woche benutzt wird könnte die Anlage bei einer Chlorkonzentration von 0,2 mg/l betrieben werden, ohne dass die Membran nennenswert geschädigt wird. Bei Stoßchlorung, die von vielen Wasserwerken angewendet wird, ist die Schädigung als noch geringer anzusehen, weil die Membran zwar mit hohen Chlorkonzentrationen belastet wird, das aber nur für sehr kurze Zeiträume. - Polyamid/Polysulfon hat sich als Membranmaterial weltweit sowohl in hunderttausenden von Kleinanlagen zur Trinkwasseraufbereitung als auch in Großanlagen zur Reinstwasserherstellung oder Meerwasserentsalzung bewährt.

Die Umkehrosmosemembran, das bei Kleinanlagen mit Abstand teuerste Bauteil, muss effektiv geschützt werden. Man muss sich vorstellen, dass die eigentliche halbdurchlässige Membran nur 0,2 µm dick und damit sehr empfindlich ist (Ein "normales" Bakterium ist ca. 2-5 µm groß). Neben dem oben erwähnten Aktivkohlefilter bewahrt ein Feinfilter der Porengröße 5 µm oder darunter die Membran vor Partikeln, die sie verstopfen können. Beide Vorfilter müssen regelmäßig erneuert werden. Ebenso wichtig ist eine Einrichtung, mit der die Membran gespült werden kann. Eine regelmäßige Spülung mit Leitungswasser erhöht die Lebensdauer der Membran enorm. Beim Spülen werden Ablagerungen (Salze, organische Stoffe, Bakterien, kleinste Partikel) vom Wasserstrom mitgerissen, so dass die Membran wieder frei liegt. Wird nicht regelmäßig und kräftig gespült, können die Ablagerungen auf der Membran so dick sein, dass nur noch wenig und schlechtes Wasser produziert wird. Bei seltener oder unzureichender Spülung kann die Membran innerhalb weniger Monate vollkommen verblocken; sie muss dann ersetzt werden.

Rechnen Sie sich einmal aus, wie viel Wasser Sie verbrauchen könnten für den Neuanschaffungswert einer Membran. Sie werden schnell erkennen, dass beim Spülen Knausern mit Wasser fehl am Platze ist. Man kann allerdings Wasser während des Betriebs einsparen. Fortschrittliche Umkehrosmoseanlagen haben bereits ein Abwasser-Reinwasser-Verhältnis von 2:1 statt des üblichen 4:1.

Die Umkehrosmosetechnik ist eine leicht zu beherrschende und umweltfreundliche Technik (keine Chemikalien, kein Energieverbrauch). Im Hobbybereich jedoch können die Grenzen dieser Technik erreicht werden, wenn der Leitungswasserdruck zu niedrig ist; dann langen Wasserleistung und Rückhalterate nicht (s.o.). Das Problem kann aber mit kleinen Druckerhöhungspumpen (ca. 15 Watt) gelöst werden.

Auch bei optimalen Druckvoraussetzungen können einige Problemstoffe wie z.B. Nitrat oder Kieselsäure, sofern sie im Rohwasser hoch konzentriert vorkommen, nicht genügend herausgefiltert werden. Die EG erlaubt Nitrat bis zu 25 mg/l. Für Deutschland gilt per Ausnahmegenehmigung ein Grenzwert von 50 mg/l, der aber teilweise weit überschritten wird. Nicht selten werden erhöhte Kieselsäurekonzentrationen von 20 mg/l gemessen. Festzustellen ist also, dass selbst Umkehrosmosewasser noch höhere Werte als die für ein Meerwasseraquarium kritischen 1 mg/l SiO und für einige Organismen kritischen 5 mg Nitrat pro Liter enthalten kann. Um auch diese problematischen Stoffe auf unbedenkliche Werte zu senken, kann ein guter Vollentsalzer (stark basisch bzw. stark sauer) nachgeschaltet werden. Dieses Harz entfernt zuverlässig Nitrat, Kieselsäure und andere Restsalze, so dass Leitwerte von unter 1 µS/cm erreicht werden können. Die Kombination von Umkehrosmoseanlagen mit nachgeschaltetem Hochleistungsmischbett hat gegenüber der Wasseraufbereitung nur mit Ionenaustauschern folgende Vorteile: zum einen werden mit Hilfe der Umkehrosmoseanlage auch nicht geladene Stoffe (Pestizide, organische Lösemittel) zurückgehalten, und zum anderen wird der teuere Hochleistungsaustauscher durch die Umkehrosmosemembran zu 95% entlastet. Das Mischbett erhält dadurch eine ca. 20mal längere Standzeit.

Eine weitere Problemgruppe der Wasserinhaltsstoffe sind organische Substanzen. Ob und wie stark diese Stoffe von einer Umkehrosmosemembran zurückgehalten werden, hängt von mehreren Dingen ab. Erstens ist das Molekulargewicht, also die Größe des Moleküls, zu nennen: Je größer ein Stoff ist, desto besser wird er zurückgehalten. Zweitens spielt die Ladung (nicht geladen, Teilladungen, einwertig oder mehrwertig geladen) des Stoffes eine Rolle: je höher der Stoff geladen ist, desto besser wird er zurückgehalten. Alkohol (Ethanol) wird von einer Umkehrosmosemembran nur sehr schlecht zurückgehalten, Pestizidrückstände hingegen zu sehr hohen Anteilen: z.B. Atrazin >99%, Lindan >99%, Chlortoluron >96% (bei Polyamid/Polysulfon-Membranen, 4 bar Druck, 10°C, 500 mg/l Salzgehalt). Außerdem kann es bei intakten Umkehrosmosemembranen nicht wie bei Aktivkohlefiltern zu Durchbrüchen von Pestiziden kommen. Ebenso ist es nicht möglich, dass die Rückhalterate für einen bestimmten Stoff nachlässt, aber für andere Stoffe konstant bleibt. Wenn z.B. die Rückhalterate der Leitfähigkeit in Ordnung ist, kann die Rückhalterate für Nitrat nicht sinken. Oft täuschen überlagerte oder ungenaue Nitrattests dieses Phänomen vor. Organische Stoffe, die leicht durch die Umkehrosmosemembran gelangen (aber nur sehr selten im Trinkwasser vorhanden sind), können effektiv entweder von einer Aktivkohle, die für diesen Zweck entwickelt wurde, oder durch ein Hochleistungsadsorberharz gebunden werden.

Das mit einer Umkehrosmoseanlage aufbereitete Reinwasser wird nunmehr für das Meerwasseraquarium genutzt. Werden Verdunstungsverluste des Aquariums mit Umkehrosmosewasser ausgeglichen, sollte das Wasser sehr hart (Gesamt- und Karbonathärte) sein, damit kalkabscheidenden Organismen genügend Calcium zur Verfügung steht und die Pufferkapazität ausreicht. Praktisch und absolut ungefährlich ist ein mit Kohlendioxid betriebener Aufhärtungsfilter (Kalkreaktor), der hinter die Umkehrosmoseanlagen geschaltet wird. Mit ihm sind vollautomatisch ohne weiteres Härtegrade bis 20°GH und KH zu erreichen.

Wasser, das mit Hilfe einer Umkehrosmoseanlage aufbereitet wurde, ist der erste Schritt zu einem erfolgreichen und sicheren Meerwasseraquarium. Denn nur bei sehr guter und gleichmäßiger Wasserqualität können empfindliche Meerwasserorganismen langfristig überleben.