DE102020129849A1

DE102020129849A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Schutz von Trinkwasser vor Mikroorganismen

Info

Publication number: DE102020129849A1
Application number: DE102020129849.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Johann; Katharina Weitgasser
Original assignee: BWT Holding GmbH
Current assignee: BWT Holding GmbH
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-05-12
Also published as: US20230398492A1; EP4243967A1; WO2022101084A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wasserfilter, umfassend einen Ultra- oder Mikrofilter, insbesondere ein Membranpaket zur Ultra- bzw. Mikrofiltration, welcher eine Durchströmungsrichtung (D) hat und ein alkalisierend und/oder oxidativ wirkendes Material aufweist, welches in Durchströmungsrichtung gesehen vor oder im Membranpaket positioniert ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Wasserfilter sowie ein Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser.
Hintergrund der Erfindung
Trinkwasser kann je nach Anwendungssituation aus unterschiedlichen Quellen bereitgestellt werden, unter anderem aus einem Tank oder einer Wasserleitung.
Insbesondere besteht die Gefahr, dass sich Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze oder Algen in Leitungen während Stagnationsphasen im Wasser vermehren. Eine Stagnationsphase ist ein Zeitraum, in welchem kein Wasser entnommen wird. Mit dem Begriff „Mikroorganismen“ werden im Folgenden sowohl Algen, als auch Organismen wie Bakterien und Pilze, die gesundheitsschädliche Abläufe verursachen können, bezeichnet.
Um der Vermehrung von Mikroorganismen entgegenzuwirken ist es aus der Praxis bekannt, das Wasser im Vorratsbehälter zu erhitzen, um so die Mikroorganismen abzutöten. Dies kann beispielsweise periodisch durch Erhitzen des gesamten Wasserbehälters erfolgen. Diese Vorgehensweise ist aufwendig und energieintensiv.
Weiter können sich insbesondere auch in der Nähe des Auslaufes eines Wasserspenders Mikroorganismen bilden, die naturgemäß von dem erhitzten Wasser nicht erreicht werden, aber beim Betätigen des Wasserspenders ausgespült werden.
Um Mikroorganismen aus Trinkwasser zu entfernen, sind Vorrichtungen und Verfahren zur Ultrafiltration bzw. Mikrofiltration bekannt. Beispielsweise können Bakterien in der Regel einen Ultrafilter nicht passieren. Die Mikrofiltration ist ein Verfahren zur Filtration durch Membranen mit einer Porengröße zwischen 0,1 µm und 1 µm, wodurch ein Großteil der Bakterien eine Mikrofiltrationsmembran ebenfalls nicht passieren kann. Dagegen liegt die Porengröße bei der Ultrafiltration unter 0,1 µm. Insbesondere sind als Filtermedium zur Ultrafiltration oder auch Mikrofiltration Kapillarmembranen bekannt, bei denen die Wand der Kapillare die Membran bildet.
Bei der Ultrafiltration bzw. Mikrofiltration kann es konzentratseitig zu erhöhtem bakteriellen Wachstum bzw. zur Bildung von Biofilmen kommen. Hierbei lagern sich Mikroorganismen während der Filtration auf der Membran an und betten sich in eine Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS). EPS werden von Mikroorganismen gebildet und an ihre Umgebung abgegeben. Die Zusammensetzung der EPS ist abhängig von der am Biofilm beteiligten Spezies. Die EPS sorgen für die Haftung der Mikroorganismen an der Membranoberfläche sowie für mechanische und chemische Stabilität des Biofilms. Mit zunehmender Dicke des Biofilms sinkt die Filtrationsleistung der Membran. Weiter kann es durch das konzentratseitig erhöhte Bakterienwachstum zu einer unkontrollierten Rückwärtsverkeimung in das Leitungsnetz kommen.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, möglichst keimfreies Trinkwasser zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Lebensdauer und Sicherheit eines Membranfilters, insbesondere Mikrofilters oder eines Ultrafilters, zu erhöhen und gleichzeitig das Leitungssystem vor bakterieller Rückverkeimung zu schützen.
Mit der Erfindung sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, mit welchen eine Entnahme von Trinkwasser ohne die Verunreinigung durch Mikroorganismen auch nach einer vorangegangenen Stagnation der Entnahme ermöglicht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch einen Wasserfilter und durch ein Verfahren zur Filtration von Trinkwasser nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Erfindung stellt einen Wasserfilter mit einer Filtrationsmembran zur Verfügung, insbesondere umfassend einen Ultrafilter, insbesondere mit einem Membranpaket zur Ultrafiltration, welcher eine Durchströmungsrichtung hat und ein alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material aufweist, welches in Durchströmungsrichtung gesehen direkt vor oder im Membranraum positioniert ist. Durch den direkten Kontakt des alkalisierenden und/oder oxidativ wirkenden Materials mit den Membranen wird der Bildung eines Biofilms direkt entgegengewirkt.
Über das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material kann z.B. eine Erhöhung des pH-Wertes über 9, insbesondere auf einen pH-Wert über 10, vorzugsweise aber unter 13, eine biozide Wirkung erreicht werden.
Weiter kann das Material oxidativ wirken, insbesondere einen oxidativ wirkenden Stoff, wie z.B. Wasserstoffperoxid, bilden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wasserfilter einen Mikrofilter, insbesondere mit einem Membranpaket zur Mikrofiltration, welcher eine Durchströmungsrichtung hat und alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material aufweist, welches in Durchströmungsrichtung gesehen direkt vor oder in einem Membranraum positioniert ist. Durch den direkten Kontakt des alkalisierenden und/oder oxidativ wirkenden Materials mit den Membranen wird der Bildung eines Biofilms entgegengewirkt.
Beim Durchströmen des erfindungsgemäßen Filters durchläuft das Eingangswasser eine Zone, in welcher durch das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material ein biozides Kontaktmaterial vorliegt. Unter einem „bioziden Kontaktmaterial“ werden Materialen verstanden, welche beim Kontakt mit Wasser eine bakterizide und/oder fungizide und/oder algizide Wirkung haben. Durch die Positionierung des alkalisierenden und/oder oxidativ wirkenden Materials am Membranpaket zur Ultrafiltration bzw. Mikrofiltration wird ein Wachsen von Biofilmen an der Einlaufseite des Membranpaketes verhindert.
Das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material verhindert das Einwachsen eines Biofilms in das Membranpacket bzw. das Durchwachsen des Membranpakets mit einem Biofilm.
Durch diesen Einsatz eines Membranpakets zur Ultrafiltration bzw. Mikrofiltration, ermöglicht es die Erfindung, auf keimtötende Maßnahmen wie beispielsweise ein Dosieren von Silberionen oder Chlor zur Unterbindung von Keimwachstum oder auch andere Techniken verzichten zu können, da diese Mikroorganismen die Membranen nicht passieren können und somit sauberes Wassers aus dem erfindungsgemäßen Filter austritt.
Der Wasserfilter kann also silberfrei ausgebildet sein und/oder chlorfrei betrieben werden.
Gemäß der Erfindung wird also in überraschend einfacher Weise ein Wasserfilter mit einer Wirkung gegen Mikroorganismen bereitgestellt. Seine biozide Wirkung beruht auf Erhöhung des pH-Wertes und/oder durch die oxidative Wirkung durch das vor bzw. direkt im Kontakt mit dem Membranpaket befindliche Material.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material unmittelbar mit dem Membranpaket in Berührung.
Durch das vor oder direkt am Membranpaket positionierte Material kann durch die Erfindung damit nahezu keimfreies Trinkwasser zur Verfügung gestellt werden. Mit der Filtration des Trinkwassers wird gemäß der Erfindung gleichzeitig dem Wachsen von Biofilmen an der Membran entgegengewirkt. Zudem ist eine Entnahme von Trinkwasser ohne die Verunreinigung durch Mikroorganismen gerade nach einer vorangegangenen Stagnation der Entnahme zuverlässig möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung enthält das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material zumindest ein Material, welches aus der Gruppe der Carbonate, Oxide oder Peroxide ausgewählt ist.
Besonders geeignet für die Verwendung im Rahmen der Erfindung sind Calciumcarbonat, Magnesiumcarbonat, Calciumoxid, Magnesiumoxid, Magnesiumperoxid, Calciumperoxid, Natriumperoxid, Kaliumperoxid und Zinkperoxid sowie Mischungen von zumindest zwei der genannten Materialien.
In einfacher Weise zu handhaben sind insbesondere agglomerierte Materialien, bei welchen eine Staubbildung weitestgehend unterbunden wird. Bevorzugt ist dabei ein alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material, welches Partikel aufweist, deren Partikelgröße unterhalb von 5 mm liegt, bevorzugt unterhalb von 3 mm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,2 und 10 mm, bevorzugt 0,5 Millimetern und 2,5 mm.
Die oben angegebenen Partikelgrößen beziehen sich auf den Ausgangszustand des jeweiligen alkalisierend und/oder oxidativ wirkenden Materials. Die obere Grenze für die Partikelgröße des Materials ergibt sich insbesondere aus der gewünschten Auflösungskinetik. Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung auch die Verwendung von Pulver möglich. Bevorzugt sind im Rahmen der Erfindung Materialien mit Partikeln größer als 20 Mikrometer, besonders bevorzugt größer als 100 Mikrometer, ganz besonders bevorzugt größer als 200 Mikrometer, so dass im Vergleich zu einer Schüttung kleinerer Partikel der Strömungswiderstand des Materials verringert ist.
Diese granulierten Materialien lösen sich in Wasser derart langsam, dass in dem im Wasserfilter befindlichen Wasser der pH-Wert, nur in der Stagnationsphase erhöht wird, damit sich die gewünschte biozide Wirkung einstellen kann. Damit kann mit Hilfe der Erfindung die Biofilmbildung und das Wachsen von Algen im Ultrafilter oder Mikrofilter, sowie der Austrag von Mikroorganismen in das gerade nach der Stagnationsphase entnommene Wasser gegenüber Vorrichtungen ohne ein erfindungsgemäß positioniertes Material reduziert bis hin zu nahezu vollständig unterbunden werden.
Einfluss des pH-Wert auf das Bakterienwachstum:
Alle Mikroorganismen haben einen pH-Wert Bereich innerhalb dem ein Wachstum möglich ist, bzw. einen optimalen pH-Wert Bereich. Die meisten natürlichen Umgebungen weisen einen pH-Wert zwischen 4 und 9 auf und es gibt sehr viele Mikroorganismen, deren pH-Wert-Optimum in genau diesem Bereich liegt. Die am häufigsten im Trinkwasser vorkommenden Bakterien wie: Legionellen, Pseudomonas, E.coli, Enterokokken haben ihr pH-Wert-Optimum in genau diesem Bereich.

Bakterium pH-Optimum pH-Bereich in dem Wachstum möglich ist

E.coli 7-7,5 5, 5-9

Enterokokken 7,5 4,6-9,9

Legionellen 7 5-8, 1

Pseudomonas ae. 7,0-7,5 4,5-9,5
Während der extrazelluläre pH-Wert Einfluss auf das Wachstum der Bakterien hat, muss der intrazelluläre pH-Wert nahe der Neutralität bleiben (Ausnahme extrem acidophile bzw. alkaliphile Bakterien) da es sich bei DNA um säurelabile und RNA um alkalilabile Strukturen handelt. Liegt der extrazelluläre pH-Wert außerhalb des pH-Optimums bzw. außerhalb des Bereiches in dem Wachstum noch möglich ist (siehe Tabelle), sind die Bakterien nicht mehr in der Lage den intrazellulären pH-Wert zu stabilisieren. Dadurch wird das bakterielle Wachstum verlangsamt bzw. gestoppt bzw. führt es zum Absterben der Bakterien.
Sobald Wasser durch den erfindungsgemäßen Wasserfilter entnommen wird, wird das im Filter stehende Wasser mit Frischwasser durchmischt und der pH-Wert des entnommenen Wassers gesenkt.
Insbesondere ist das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material derart konfiguriert, dass nach einer Stagnationsphase von 5 Stunden die OH- Konzentration derart ansteigt, dass sich der pH-Wert auf 10 bis 13 erhöht.
Weiter kann dem alkalisierenden und/oder oxidativ wirkenden Material ein amorphes Silikatmaterial beigemischt werden. Durch die in Wasser gelöste Kieselsäure wird der pH-Wert auf der Seite des Filtrats stabilisiert.
Bei einer Ultrafiltration liegt die Porengröße im Bereich zwischen 0,01 µm und 0,1 µm. Abgetrennt werden hier z.B. Makromoleküle, Proteine und z.T. Viren. Bei der Mikrofiltration liegt die Porengröße bei > 0,1 µm. Abgetrennt werden hier z.B. Bakterien, Hefen, Partikel usw.
Es wird in der Regel eine Membran verwendet, welche die gesamte Menge an Rohwasser beziehungsweise Eingangswasser in Filtrat beziehungsweise Ausgangswasser umsetzt. Ein Vorteil dieser Methode ist die Keimfreiheit des erzeugten Filtrats sowie auch die Entfernung von Mikroplastik.
Das Filtermaterial ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Hohlmembranmaterial ausgebildet. Durch die spezielle Anordnung der Membranen und die Größe und Form der Poren in diesen Membranen wird eine Filterung der Feinstpartikel auf der Oberfläche erreicht, ohne die Membran dabei merklich zu verblocken, wodurch eine kontinuierliche Fließgeschwindigkeit in der Vorrichtung erreicht und dadurch eine mögliche Druckdifferenz nach der Vorrichtung vermieden wird.
Die Membranen des Membranpakets sind bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Kapillarmembranen ausgebildet. Bei derartigen Kapillarmembranen wird durch die Wände der Kapillarmembranen eine große Oberfläche bereitgestellt, durch die das zu filternde Medium den Ultrafilter bzw. Mikrofilter passieren kann. In einer Ausführungsform bildet das offene Ende der Membranen die Permeatseite. Das heißt, dass die Kapillarmembranen umgebogen sind, so dass die offenen Enden der Membranen den Auslauf bilden. Das zu filternde Wasser läuft mithin von außen in die Membranen ein und tritt über das offene Ende der Kapillarmembranen aus. In einer weiteren Ausführungsform kann die Kapillarmembran auch in Gegenrichtung betrieben werden.
Die Kapillarmembranen haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser (Außendurchmesser) von 0,5 bis 5 mm. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser, insbesondere unter Verwendung eines oben beschriebenen Wasserfilters, wobei das Trinkwasser in einer Wasserquelle, insbesondere einer Wasserleitung oder einem Wassertank, bereitgestellt wird. Das Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser hat eine Stagnationsphase, in welcher das Trinkwasser nicht aus der Wasserquelle austritt, und eine Entnahmephase, in welcher das Trinkwasser entnommen und aus der Wasserquelle nachgeliefert wird.
Während der Entnahmephase passiert das Trinkwasser gemäß der Erfindung ein alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material und einen Membranfilter, insbesondere ein Membranpaket zur Ultrafiltration oder Mikrofiltration. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise neben der Bereitstellung von im Wesentlichen keimfreien Trinkwasser zur Herstellung eines Heiß- oder Kaltgetränkes durchgeführt werden.
Figurenliste
Die Erfindung ist anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen auf den Zeichnungen 1 und 2 näher dargestellt.

1 zeigt eine Ausführungsform eines Wasserfilters 1, welcher als Ultrafilter ausgebildet ist.

Dieser umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass 8 und einem Auslass 7, wodurch eine Strömungsrichtung D definiert ist.
Im Gehäuseinneren ist ein Membranpaket 5 mit einer Vielzahl von Hohlfasermembranen 4 angeordnet.
Das Membranpaket 5 ist gefaltet und die offenen Enden der Hohlfasermembranen 4 sind auslassseitig in einer Vergussmasse 6 gehalten. Das Wasser fließt also nach dem Einlass 8 von außen ein und tritt aus den offenen Enden der Hohlfasermembranen 4 aus.
Ein granulares alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material 3, liegt direkt vor dem Membranpaket 5 bzw. kontaktiert das Membranpaket 5.
Einlassseitig hält ein Sieb bzw. Rückhaltegitter 2 das granulare Material zurück.
Das zu filternde Wasser läuft über das alkalisierendeund/oder oxidativ wirkende Material 3, tritt anschließend von außen in die Membranen 4 ein und tritt über das offene Ende der Kapillarmembranen aus.
In Stagnationsphasen werden die Membranen 4 einlassseitig durch das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material 3 vor einer Verkeimung geschützt. Insbesondere wird der Bildung eines Biofilms durch Wachsen der von den Membranen 4 zurückgehaltenen Keimen entgegengewirkt.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material 3 vor dem offenen Ende des Membranpakets 5 liegt bzw. dieses kontaktiert. Das zu filternde Wasser läuft über das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material 3 und tritt über das offene Ende der Kapillarmembranen 4 in die Membranen ein und tritt über die Außenseite der Kapillarmembranen 4 aus.
Die Ausführungsform gemäß 2 stimmt also mit der in 1 dargestellten Ausführungsform überein, wobei der Wasserfilter 1 in umgekehrter Strömungsrichtung betrieben wird.
Auch bei dieser Ausführungsform befindet sich einlassseitig ein Rückhaltegitter 2.
Bezugszeichenliste

1: Wasserfilter
2: Rückhaltegitter
3: alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material
4: Kapillarmembran
5: Membranpaket
6: Vergussmasse
7: Auslass
8: Einlass
D: Durchströmungsrichtung

Claims

Wasserfilter (1) umfassend einen Membranfilter mit einer Filtrationsmembran, welcher eine Durchströmungsrichtung (D) hat und ein alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material (3) umfasst.
Wasserfilter nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material (3) in Durchströmungsrichtung gesehen vor dem Ultrafilter bzw. Mikrofilter positioniert ist und/oder die Ultrafilter- bzw. Mikrofiltermembran kontaktiert, insbesondere, dass das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material (3) unmittelbar vor oder in einem Membranpaket (5) positioniert ist und dieses kontaktiert.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfilter als Ultrafilter oder Mikrofilter, insbesondere als ein Membranpaket (5) zur Ultrafiltration oder Mikrofiltration ausgebildet ist.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material (3) zumindest ein Material enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die Oxide und/oder Carbonate und/oder Peroxide umfasst.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peroxid zumindest teilweise als Magnesiumperoxid, Calciumperoxid, Natriumperoxid, Kaliumperoxid und/oder Zinkperoxid, sowie als Mischungen von zumindest zwei der genannten Materialien vorliegt.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonat zumindest teilweise als Calciumcarbonat und/oder Magnesiumcarbonat vorliegt.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Oxidmaterial zumindest teilweise als Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid vorliegt.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material (3) Partikel aufweist, deren Partikelgröße unterhalb von 5 Millimetern liegt, bevorzugt unterhalb von 3 Millimetern, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 Millimetern und 2,5 Millimetern.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das alkalisierende und/oder oxidativ wirkende Material (3) als lose Schüttung vor oder im Membranpaket (5) angeordnet ist und dieses kontaktiert.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserfilter eine lose Schüttung alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material (3) und ein Membranpaket (5) umfasst.
Wasserfilter (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserfilter eine Einlassseite (8) und eine Auslassseite (7) aufweist, wobei die Einlassseite zur Befestigung zum Anschluss an eine Wasserleitung oder einen Wassertank ausgebildet ist.
Wasserfilter (1) nach einem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wasserfilter zur Verwendung als Filterkartusche für eine Maschine zur Zubereitung von Heiß- und/oder Kaltgetränken und/oder für einen Untertischwasserfilter ausgebildet ist.
Verfahren zur Aufbereitung von Trinkwasser, insbesondere unter Verwendung eines Wasserfilters (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Trinkwasser in einer Wasserquelle, insbesondere einer Wasserleitung oder einem Wassertank, bereitgestellt wird, mit einer Stagnationsphase, in welcher das Trinkwasser nicht aus der Wasserquelle austritt, und mit einer Entnahmephase, in welcher das Trinkwasser entnommen und aus der Wasserquelle nachgeliefert wird, und wobei das Trinkwasser während der Entnahmephase ein alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material (3) und danach einen Membranfilter, insbesondere Ultra- oder Mikrofilter, insbesondere ein Membranpaket (5) zur Ultra- bzw. Mikrofiltration, passiert.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei als alkalisierendes und/oder oxidativ wirkendes Material (3) ein Material verwendet wird, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die Oxide und/oder Carbonate und/oder Peroxide umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstellung eines Heiß- oder Kaltgetränk durchgeführt wird.