Mit der Membranfiltration kann Trinkwasser ohne Verwendung von Chemie aufbereitet werden. Ihre Stärken spielt sie vor allem in Karstgebieten oder bei der Aufbereitung von Seewasser aus. Gute Erfahrungen hat unter anderem die Gemeinde Frutigen BE gemacht: Seit die Chlorgasdesinfektion durch eine Membranfiltration ersetzt wurde, ist ein Betrieb der Wasserfassung bei jedem Wetter möglich. 

Von Beat Jordi und Andri Bryner*

Seit bald zwei Jahren kann die Wasserversorgungsgenossenschaft Frutigen ihr Quellwasser bei jedem Wetter fassen. Möglich macht dies eine Anlage zur Membran-Ultrafiltration, die im Reservoir Fuchschrummen eingebaut wurde. Mit ihr werden alle Trübstoffe aus dem Rohwasser entfernt, was auch nach heftigen Gewittern oder während der Schneeschmelze funktioniert. Bis Ende 2007 war in Frutigen eine Chlorgasaufbereitung zur Entkeimung des Rohwassers im Einsatz. Doch gegen die witterungsbedingte Verunreinigung mit Trübstoffen vermochte dieses klassische Desinfektionsverfahren nichts auszurichten.

Der Grund für diese unbefriedigende Situation liegt in der Geologie: Die ob Frutigen gefassten Karstquellen entspringen an den Flanken der Niesenkette, wo die Niederschläge aufgrund der geologischen Gegebenheiten rasch versickern und während der natürlichen Bodenpassage nur mangelhaft gefiltert werden. Mit dem unfiltrierten Rohwasser war die Chlorgasanlage überfordert. Als Folge musste das Quellwasser oft tagelang ungenutzt in den Leimbach einleiten.

Diese Situation ist typisch für eine Vielzahl von Karstquellen in den Schweizer Voralpen, im Jura sowie in den Gebirgskantonen Wallis und Graubünden. Wie in Frutigen kämpfen die Wasserversorgungen auch an diesen Orten häufig mit dem Problem der stark schwankenden Rohwasserqualität. Dabei gehen erhöhte Trübungswerte oft mit einer übermässigen mikrobiologischen Belastung durch Parasiten, Bakterien und Viren einher.
Mit Ultrafiltration konnte die Wasserversorgung Frutigen die Versorgungssicherheit erhöhen. Die Erschliessung von weiteren Rohwasservorkommen und der Bau zusätzlicher Reservoirs wurden mit der Umrüstung der Technologie hinfällig: Die Membranfiltration funktioniert bei jedem Wetter. Nach einem Vorfilter, der grobe Partikel entfernt, gelangt das Karstwasser in die aus 40 Zylindern bestehende Membranfilteranlage, welche stündlich bis zu 108 Kubikmeter Trinkwasser produziert. Die nur Bruchteile eines Mikrometers grossen Membranporen wirken dabei als physikalische Barriere. Sie lassen das Wasser und die gelösten Mineralsalze passieren, halten aber Trübstoffe, Keime, Parasiten und Viren wirkungsvoll zurück. Damit hat die mechanische Reinigung des Quellwassers gleichzeitig auch die Funktion einer Desinfektion, ohne dass dazu weitere chemische Hilfsmittel wie Chlor oder Ozon nötig wären.

Periodische Reinigung

In Frutigen steigen die Trübungswerte des Rohwassers nach intensiven Niederschlägen bis auf den Wert von 100 Nephelometric Turbidity Units (NTU) an. Dieser Wert entspricht der Verschlammung von schwach belastetem Abwasser. Dies liess Bedenken aufkommen, die hohe Partikelfracht könnte die Durchlässigkeit der ultrafeinen Membranporen stark beeinträchtigen. Um allfälligen Verstopfungen vorzubeugen, wird deshalb der Wasserzulauf zu den Filtern computergesteuert bis zu drei Mal täglich unterbrochen. Dann werden die Membranen mit Javelwasser desinfiziert und mit Frischwasser gespült. Auch mit dieser zusätzlichen Sicherheitsmassnahme benötigt die Aufbereitungsanlage nur wenig Fremdenergie, denn das Quellwasser besitzt einen ausreichenden hydraulischen Druck für die Ultrafiltration.

Angesichts der vielfältigen Vorteile ersetzen immer mehr Wasserwerke im Inland bestehende Verfahren für die Aufbereitung ihres Quellwassers durch die Ultrafiltration. Vor allem in den Karstregionen sind in den letzten Jahren etliche Anlagen mit Leistungen zwischen 1 und 480 Kubikmetern pro Stunde entstanden. Von Anbeginn weg hat die Eawag diese Entwicklung mit ihrer Grundlagenforschung, der Begleitung von Pilotprojekten und konkreten Lösungsvorschlägen für die Optimierung der Trinkwasseraufbereitung mit Membrantechnologie wesentlich mitgestaltet.

«Die Ultrafiltration ist eine zuverlässige Alternative zu gängigen Verfahrensketten», sagt Wouter Pronk, Leiter der Gruppe Membrantechnologie in der Eawag-Abteilung Siedlungswasserwirtschaft. Die Membrantechnologie könne mit Verfahren wie Flockung, Sandfiltration, Ozondosierung, Aktivkohlefilter und Chlorzugabe für den Netzschutz durchaus mithalten. «Die Ultrafiltration bietet zwei Vorteile, die für Gemeinden interessant sind», sagt Pronk. «Sie stellt weniger hohe fachliche Anforderungen an die Betreiber der Wasserversorgungen. Zudem garantiert sie eine verlässliche Eliminierung der Mikroorganismen und ist im Betrieb vergleichsweise günstig.» Trotz dieser Vorteile müsse das Rohwasser je nach Qualität nach der Filtration noch zusätzlichen Aufbereitungen unterzogen werden: «Manchmal enthält das Rohwasser Schadstoffe oder Geschmacks- und Geruchsstoffe. Auch der assimilierbare organische Kohlenstoff (AOC) ist zuweilen ein Problem. In diesen Fällen muss das Rohwasser nicht nur ultrafiltriert, sondern zusätzlich mit einer Ozonung und einem Aktivkohlefilter gereinigt werden.»

Auch für Seewasser geeignet

Karstquellen sind nicht das einzige Einsatzgebiet von Ultrafiltrationen. Das Verfahren eignet sich auch für viele der 30 Schweizer Seewasserwerke. Diese liefern insgesamt knapp ein Fünftel des Trinkwassers. Bei Neubauten oder Sanierungen setzen die Seewasserwerke zunehmend auf die Ultrafiltration. Meist kommt sie im Anschluss an eine Ozonbehandlung und Aktivkohlefiltration zum Einsatz. Der Vorteil der Membranen: Sie beanspruchen deutlich weniger Platz als die klassischen Sandfilterbecken. Zudem erfordern im Vergleich zu den gängigen Aufbereitungsprozessen weniger Chemikalien und Energie. Das führt zu tieferen Kosten und sogar einer höheren Rohwasserqualität. Das zeigen Analysen des Trinkwassers aus dem Ende 2005 eröffneten Seewasserwerk Männedorf ZH. Pro Tag werden hier bis zu 6000 Kubikmeter Rohwasser gereinigt. Die Filterfläche umfasst 7380 Quadratmeter. Sie eliminiert aus dem Rohwasser Feststoffe, Mikroorganismen, Bakterien und Viren.
Um die Gewinnung von Trinkwasser aus Oberflächengewässern weiter zu optimieren, arbeitet die Eawag eng mit der Wasserversorgung Zürich zusammen. Unter Einbezug modernster Analytikmethoden testet die Eawag für das schweizweit grösste Seewasserwerk Lengg verschiedene Aufbereitungstechnologien und Verfahrenskombinationen im Labor- und Pilotmassstab. Das Ziel ist es, die jeweils besten Aufbereitungsmethoden zu definieren, und zwar ausgehend von der Rohwasserqualität. Dazu wird die Wasserbeschaffenheit sehr genau untersucht. Geprüft werden auch Parameter, die normalerweise nicht berücksichtigt werden, für das Produktwasser jedoch entscheidend sind: Nanopartikel, natürliches organisches Material (NOM), Geruchs- und Geschmacksstoffe, verwertbarer organischer Kohlenstoff (AOC) sowie Zellzahl und pathogene Mikroorganismen.

* Beat Jordi ist Wissenschaftsjournalist; Andri Bryner ist Redaktor am Wasserforschungsinstitut Eawag.

Keine Luxustechnologie

Die Schweizer Trinkwassernetze sind auf einem sehr hohen Ausbaustandard – gerade im internationalen Vergleich. Vor allem in den ärmeren Ländern Asiens und Afrikas gibt es entweder gar keine oder nur unzuverlässig funktionierende Versorgungsnetze. Die Membrantechnologie kann selbst unter schwierigen Bedingungen viel zur Problemlösung beitragen. So beteiligt sich die Eawag an der Entwicklung von einfachen Filteranlagen für den dezentralen Einsatz, die mit der Schwerkraft betrieben werden. Dadurch sind weder Pumpen noch eine externe Energieversorgung oder Reinigungschemikalien nötig. Wie die bisherigen Forschungsresultate zeigen, garantieren solche Systeme – unter bestimmten Voraussetzungen – erstaunlicherweise auch ohne Rückspülung oder chemische Reinigung der Membranen während Monaten eine sichere Desinfektion des mikrobiologisch belasteten Rohwassers. Wenn eine Membrane nur mir Niederdruck betrieben wird, sorgt der sich bildende Biofilm nach einem anfänglichen Leistungsabfall für eine Stabilisierung der gefilterten Durchflussmenge. Spült man die Filter gelegentlich mit sauberem Wasser, können solche Anlagen sogar jahrelang ihre Funktion erfüllen. Die günstige Technologie eignet sich für Betriebe, Haushalte und Quartiere ebenso wie für den Einsatz in Krisen- oder Katastrophengebieten. Dafür hat die Eawag in Zusammenarbeit mit Veolia, einem der weltweit grössten Umweltkonzerne, eine Pilotanlage für die Niederdruck-Ultrafiltration in einem Frachtcontainer entwickelt.