Osmosefilter
Themen
1. Allgemein
2. Aufbau
3. Betriebszustände
4. Leistungsfähigkeit
5. Verrohrung
6. Zubehör
7. Entkalken
Tipps
1. Allgemein
Das Wichtigste vorneweg: Der Osmosefilter ist nicht auf meinem Mist gewachsen! Ich habe lediglich den Gedanken übernommen. Dabei habe ich versucht, ihn auf meine Vorgaben zu optimieren.
Ein Osmosefilter ist nicht mit einer Osmoseanlage zu verwechseln. Denn letztere wird an den Wasserhahn oder eine Pumpe zur Druckerhöhung angeschlossen. Sie liefert mit einem erheblichen Verbrauch an Wasser eine vergleichsweise geringe Menge an „Osmosewasser“. Der Osmosefilter dagegen gehört zu den mechanischen Filtern. Weil er an das Aquarium angeschlossen wird und dem Aquarienwasser die darin enthaltenen Substanzen entzieht. Dabei beschränkt er sich nicht auf grobe Verunreinigungen wie Schwebeteilchen oder Bakterien. Denn er entzieht dem Wasser auch die darin gelösten Salze. Obwohl er dem Aquarium dadurch eine große Menge aufbereitetes Wasser (Osmosewasser) zuführt, ist der Verbrauch an Frischwasser sehr gering.
Ich habe bei den Bildern eine schematische Funktionsskizze beigefügt. Dabei entspricht der Aufbau exakt dem hier vorgestellten Osmosefilter.
Vor dem Bau dieses Aquariums habe ich ca. 12 Jahre lang mit etlichen Rückschlägen und auch ein paar Erfolgserlebnissen am Thema Osmosefilter experimentiert. Die Quintessenz ist eigentlich ganz einfach und genau deshalb frustrierend: Man darf auf gar keinen Fall an Material oder Aufwand sparen! Das habe ich aufs Neue erfahren, als ich feststellen musste, dass die verwendete Verschlauchung Mängel aufwies. Mein Lernprozess ist offensichtlich noch nicht beendet.
Außerdem wird der Osmosefilter von mir auch zur Jahreszeitensimulation eingesetzt. Weil ich damit beliebige Härtegrade einstellen und konstant halten kann.
2. Aufbau
Das antreibende Element ist eine luftgekühlte Hochdruckpumpe. Ich habe mich für eine Drehschieberpumpe aus Edelstahl entschieden. Denn die oft im Internet für solche Einsätze empfohlenen Diaphragma- oder Membranpumpen sind dagegen nicht für Dauerbetrieb geeignet. Ihre Membranen altern extrem schnell. Sie verlieren ihre Leistungsfähigkeit und die Pumpen werden bald undicht. Die Pumpe ist über eine Stahlflexleitung (Panzerschlauch) mit dem Osmosefilter verbunden. Diese flexible Art des Anschlusses verhindert, dass die starre Verrohrung durch die Vibrationen im Betrieb Schaden nimmt. Eine Entkopplung der betriebsbedingten Schwingungen also. Um keine unnötige Engstelle zu schaffen, habe ich einen ½-Zoll Panzerschlauch genommen. Die Ansaugleitung muß keinen Druck aushalten und besteht daher aus einem simplen PVC-Schlauch.
Ursprünglich war die Pumpe mit einem 640 Watt starken Motor ausgerüstet, der bei einer Drehzahl von 1.250 U/min eine Förderleistung von 1.050 Liter pro Stunde erbrachte. Nach sieben Jahren Betrieb ist der Motor kaputtgegangen. Weil mir aufgefallen war, dass der gemessene Strombedarf des Motors deutlich unter dem angegebenen Volllastwert lag, schlussfolgerte ich, dass ein Motor mit geringerer Anschlussleistung als Ersatz genügen sollte. Die Pumpe wird daher jetzt mit einem 550 Watt starken Motor betrieben, der bei der jetzt höheren Drehzahl von 1.430 U/min eine Förderleistung von 1.200 Liter pro Stunde erbringt. Ein höheres Pumpvolumen bei geringerem Stromverbrauch. Der gemessene Strombedarf hat sich um über 20 % reduziert. Der neue Motor scheint damit ebenfalls noch nicht an seiner Leistungsgrenze.
Die Drehschieberpumpe entnimmt das Wasser dem Sammelbehälter. Das erste Bauteil nach der Pumpe ist ein 10″-Feinfilter mit Porengröße 5 µm. Mit den beiden Manometern vor und nach dem Filter lässt sich ein durch Verschmutzung bedingter Druckabfall leicht ermitteln. Der Wechsel des Filters erfolgt dann nach Bedarf und nicht nach starren Zeitintervallen.
Vom Filter kommend teilt sich der weitere Verlauf des Wassers auf zwei Volumenströme auf. Jeder davon versorgt zwei in Reihe geschaltete Membranen. Die Permeatströme werden dann über zwei Durchflußmesser ins Aquarium geleitet. So kann ich die aktuelle Leistung für jedes in Reihe geschaltete Membranpaar separat kontrollieren. Der Konzentratstrom wird je nach aktuellem Betriebszustand auf verschiedene Weise in den Sammelbehälter zurückgeleitet.
Die beiden Permeatleitungen vom Osmosefilter zum Aquarium sind mit je einem Rückschlagventil versehen. Anderenfalls würde nach dem Ausschalten das Wasser wieder Richtung Keller zurücklaufen. Dabei gelangt Luft in die Membrangehäuse, die beim nächsten Einschalten lautstark wieder ausgestoßen wird. Durch die Rückschlagventile bleiben die Leitungen gefüllt und der nächste Start des Osmosefilters erfolgt ohne Technikrülpser. Sehr zur Zufriedenheit meiner Frau, die sich bereits über die merkwürdigen Geräusche mokierte.
Durch das eingeleitete Permeat steigt der Wasserspiegel im Aquarium. Das überschüssige Wasser läuft durch einen Überlauf zurück in die Sammelbehälter. Dabei muss es einen kleinen Vliesfilter passieren. Hier werden Schwebstoffe zurückgehalten, was die Standzeit der Patronen im Feinfilter deutlich verlängert.
3. Betriebszustände
3.1 Normalbetrieb
Der Konzentratstrom verlässt die beiden Membranpaare und fließt über ein Drosselventil und einen Durchflußmesser zurück in den Sammelbehälter. Mit dem Drosselventil und den drei Durchflußmessern kann das Verhältnis Permeat zu Konzentrat eingestellt werden. Der Membran-Hersteller hat ein Verhältnis von 1:1 freigegeben. Trotz meiner paarweisen Reihenschaltung liege ich in der Summe eher bei etwa 1:2. Also auf der sicheren Seite.
3.2 Spülbetrieb
Um das vorzeitige Verblocken der Membranen zu verhindern, werden diese regelmäßig automatisch gespült. Hierzu öffnet sich unmittelbar am Konzentratausgang der beiden Membranpaare, also noch vor dem Drosselventil, ein Magnetventil. Der komplette Volumenstrom kann jetzt druckfrei in den Sammelbehälter zurückfließen. Dadurch entsteht eine starke Strömung. Sie streicht über die Oberfläche der Membranen und spült diese ab, ohne dass nennenswert Wasser durch sie hindurchgedrückt wird. Der Spülbetrieb wird von einem asymmetrischen Taktgeber für die ersten 20 Sekunden beim Einschalten der Hochdruckpumpe aktiviert. Danach alle 15 Minuten einmal für ebenfalls 20 Sekunden.
4. Leistungsfähigkeit
Die theoretische Permeatmenge pro Membran von 2.270 Liter pro Tag (600 gpd) gilt für den eingestellten Betriebsdruck von 8 bar. Der Wert gilt allerdings nur für fabrikneue Membranen. Im Laufe der ersten Monate reduziert sich dieser Wert, bleibt dann aber konstant. Mit den im Osmosefilter eingesetzten vier Membranen ergibt sich also eine theorotische Gesamtleistung von maximal 9.080 Liter Osmosewasser pro Tag. Ich könnte damit völlig problemlos einen täglichen Wasserwechsel von 100 % des Beckenvolumens durchführen. Das macht allerdings nur dann einen Sinn, wenn es darum geht Krankheitserreger heraus zu schwemmen. Im Alltagsbetrieb bleibt die tägliche Einschaltdauer deutlich niedriger. Sie beträgt normalerweise lediglich zwei bis drei Stunden pro Tag. Das verringert gleichermaßen den Stromverbrauch und den Verschleiß der Pumpe.
5. Verrohrung:
Nach fünf Jahren Betrieb habe ich feststellen müssen, dass die von mir verwendete Verschlauchung über Laborfittings den Belastungen offensichtlich nicht mehr gewachsen war. An einigen Fittings wuchs eine Kruste, die mit Sicherheit eines Tages in eine Undichtigkeit gemündet wäre.
Natürlich hätte man die betreffenden Fittings ersetzen und das Problem damit kurzfristig zurückdrängen können. Bis am nächsten Fitting eine Kruste aufgetaucht wäre. Eine dauerhafte Lösung sieht hingegen anders aus: Sämtliche Schläuche und Fittings wurden durch eine verklebte und verschraubte Verrohrung aus PVC ersetzt. Das bedeutete natürlich einen deutlich höheren Aufwand. Ich bin jedoch überzeugt, dass die Vorteile den Umbau rechtfertigen.
Um jederzeit einen leichten Austausch oder Ausbau der einzelnen Komponenten zu ermöglichen, sind an allen relevanten Stellen Schraubverbindungen eingebaut. Diese sind ohne Werkzeug einfach zu lösen.
Der Umbau hat noch einen weiteren Vorteil. Der Innenquerschnitt der alten Verschlauchung betrug 6,35 mm (= 1/4 Zoll). Bei der aktuellen Verrohrung beträgt er hingegen 10 mm. Daraus ergibt sich eine Querschnittsfläche von 31,7 mm² (alt) zu 78,5 mm² (neu).
Weil die Querschnittsfläche der Rohre mehr als doppelt so groß ist wie bei den Schläuchen, reduziert sich die notwendige Strömungsgeschwindigkeit auf weniger als die Hälfte. Nämlich von 10,5 m/s auf 4,2 m/s bezogen auf eine Fördermenge von jeweils 1.200 l/h. Eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit hat natürlich einen geringeren Strömungswiderstand und damit einen geringeren Druckabfall über die Leitungslänge zur Folge. Das Wasser fließt nicht nur leichter, auch der Eingangsdruck an den Membrangehäusen ist höher. Ein klares Indiz dafür ist die Tatsache, dass ich das Drosselventil erheblich stärker zudrehen muss, um den erforderlichen Betriebsdruck zu erreichen. Mit der alten Verschlauchung war es nur wenig zugedreht. Dieser positive Effekt ist weit höher als erwartet ausgefallen.
Einen direkten Vergleichswert bezüglich der Permeatleistung zwischen Schläuchen und Rohren habe ich nicht. Da ich mit dem Umbau gleichzeitig auf leistungsfähigere Membranen gewechselt habe. Das war ursprünglich eigentlich nicht so geplant. Allerdings hatte ich durch mein persönliches Ungeschick zwei der vier Membrangehäuse beschädigt, so dass diese nicht mehr dicht waren. Das hatte mich auf die Idee gebracht, statt nur zwei neue Gehäuse alter Bauart zu bestellen, gleich auf vier leistungsstärkere Membranen in vier neuen Gehäusen zu wechseln. Die Gesamtleistung an Permeat ist dadurch um 50 % von vormals 6.050 l/d (1.600 gpd) auf nunmehr 9.080 l/d (2.400 gpd) angestiegen.
Da die vier neuen Gehäuse etwas größere Abmessungen haben, musste ich sie gestaffelt auf der Montageplatte befestigen. Sonst hätten sie nicht drauf gepasst. Weil die Permeatmenge deutlich höher ist, verringert sich die tägliche Laufzeit der Pumpe und damit der Stromverbrauch um etwa 1/3. Auch nicht zu verachten.
Ganz nebenbei hat der Osmosefilter auch optisch ein wenig gewonnen. Die vorher doch eher etwas konfus und planlos anmutende Verschlauchung ist zugunsten einer deutlich robusteren, geradlinigeren Konstruktion gewichen. Der Kostenunterschied zwischen Verschlauchung und Verrohrung war übrigens geringer als gedacht.
Als Nachteil ist der doch erhebliche Material- und vor allem Zeitaufwand bei der Erstellung zu nennen. Alleine der Bedarf von insgesamt 16 m geradem PVC-Rohr nötigte mich zu einer diesbezüglichen Nachbestellung. Jedes einzelne Teilstück musste genau ausgemessen werden. Die alte Weisheit: „abgeschnitten ist abgeschnitten“ besitzt erbarmungslose Gültigkeit. Deshalb habe ich mir zur Sicherheit viel Zeit gelassen. Und das war gut.
Weiterhin hat sich mal wieder bewährt, dass ich mir vor Arbeitsbeginn gründlich überlegt habe, wie und wo die einzelnen Leitungen verlaufen sollen. Die PVC-Rohre sind nicht nur deutlich dicker als die Verschlauchung, sie sind auch konstruktionsbedingt leidlich unflexibel und ändern ihre Richtung ausnahmslos in 90°-Winkeln. Dadurch wird alles ziemlich sperrig. Auch deshalb hat die Planung einige Zeit benötigt.
Eine Verschlauchung hat jetzt nur noch die Entkalkungspumpe. Weil diese höchstens 1-2 Mal pro Jahr in Anspruch genommen wird, und dabei nur rund 10 Liter Wasser im Kreis pumpt, ist das Risiko einer Leckage recht überschaubar.
6. Zubehör:
Vorfilter:
Um zu verhindern, dass sich die Membranen nach kurzer Zeit mit Schwebeteilchen zusetzen, ist ihnen ein Feinfilter mit einer 5 µm Filterkerze vorgeschaltet. Diese Filterkerze hält zwar zuverlässig die unerwünschten Schwebeteilchen von den Membranen fern, allerdings geschieht dies unter Verlust ihrer Durchlässigkeit. Sie verstopft und muß ausgetauscht werden. An und für sich keine wilde Sache, aber durch die Häufigkeit der Notwendigkeit lästig.
Deshalb hatte ich vor den Osmosesumpf einen Eigenbau-Vorfilter geschaltet, der zuoberst eine Lage feinporiges Vlies trug. Das Wasser, das in den Osmosesumpf floss, war damit bereits vom größten Teil der Schwebeteilchen befreit und die Standzeit der Filterkerze verlängerte sich erheblich. Leider habe ich aus Nachlässigkeit immer mal wieder vergessen, das Vlies im Vorfilter rechtzeitig zu erneuern bevor es sich zusetzte. Dann lief das Wasser durch den Notüberlauf des Vorfilters in den Osmosesumpf, ohne vorher auf seine Schwebeteilchen zu verzichten. Die Filterkerze des Feinfilters war wieder alleine auf sich gestellt und setzte sich wieder zu. Die Folge: Mehr Arbeit und eine weitere Filterkerze verbraucht.
Bei meiner Suche nach einer Lösung bekam ich zufälligerweise einen kleinen Vliesfilter zum Schnäppchenpreis. Die Aufgabe eines Vliesfilters besteht darin, normalerweise den kompletten Wasserstrom des Filters von Schwebeteilchen zu befreien. Große Vliesfilter für Teiche können ohne weiteres 50 Kubikmeter Wasser pro Stunde „entstauben“.
Das kleine Modell, das jetzt bei mir zum Einsatz kommt verkraftet laut Hersteller maximal 2.000 Liter Wasser pro Stunde, also 48 m³ pro Tag. Das reicht im Filterstrom nur für kleine bis bestenfalls mittlere Aquarien. Das ist aber immer noch viel mehr, als für meine Anwendung erforderlich ist. Real fließt pro Tag nur rund ein Kubikmeter in den Osmosefilter. Das sollte einen großen Vorteil haben. Die eingesetzten Vliesrollen sind nämlich auch nicht unendlich lang und verbrauchen sich laut Hersteller in 3 – 6 Monaten. Theoretisch. Wenn man sich mit anderen Aquarianern unterhält, erfährt man, dass es wohl eher 3 – 6 Wochen sind. Wo soll denn da ein Vorteil sein? Nun, weil meine tägliche Durchflussmenge nur etwa 1/48 der vom Hersteller genannten Menge beträgt, sollte die Rolle rund 48-mal so lange halten. Das wäre auf jeden Fall länger als ein Jahr. Theoretisch. Die Realität kann manchmal ganz schön fies sein. Ich werde also abwarten und beobachten. Länger als der alte Vorfilter wird es aber auf jeden Fall halten.
Auf jeden Fall kann ich also von einer deutlich verlängerten Standzeit des Vorfilters und auch der Filterkerzen im Feinfilter ausgehen. Der Osmosefilter hat damit ein neues Level der Wartungsarmut erreicht. Was meiner persönlichen Faulheit Vorschub leistet.
Wasserstandskontrolle:
In manchen Ausnahmesituationen kann es erforderlich sein, eine sehr große Menge an Osmosewasser einzuleiten. Das kommt zum Glück nur sehr selten vor und war das letzte Mal bei der Wiederbefüllung nach der Renovierung erforderlich. Wenn durch so eine Aktion der Leitwert in wenigen Stunden um einen größeren Betrag gesenkt wird, steigt die Salzkonzentration im Osmosesumpf schnell an. Dabei versuche ich, die Leitfähigkeit in den Sammelbehältern auch in diesen Fällen unter 1.000 µS/cm zu halten. Denn das schont die Membranen. Ich erreiche das durch manuelle Zuleitung von Leitungswasser mit Hilfe einer Gartenwasseruhr in die Sammelbehälter. Überschüssiges Wasser fließt dabei durch den Überlauf ab. Dabei besteht natürlich die Gefahr, dass das Wasser vom Wasserhahn schneller einströmt, als es über den Überlauf abfließt. Weil ich nicht die ganze Zeit danebenstehen will, wird der Pegel in den beiden Behältern elektronisch überwacht. Beim Überschreiten des an der Füllstandskontrolle eingestellten Niveaus wird über eine Tauchpumpe im Osmosesumpf Wasser direkt in die Kanalisation abgepumpt. Wenn das Niveau wieder stimmt, schaltet sich die Pumpe ab. Natürlich kann die Pumpe aus Sicherheitsgründen das Wasser schneller abpumpen, als es durch den Wasserhahn zulaufen kann.
7. Entkalken:
Mindestens einmal jährlich sollten die Membranen entkalkt werden. Dazu lasse ich alle Zu- und Ablaufleitungen des Osmosefilters in das unter der Montageplatte angebrachte Waschbecken münden. Im Waschbecken befindet sich dann eine vorher angerührte Zitronensäurelösung. Die Konzentration beträgt etwa 100 Gramm Zitronensäurepulver auf 10 Liter. Durch simples Umstellen der Absperrhähne wird die Drehschieberpumpe abgeklemmt und die Lösung mit einer kleinen Diaphragmapumpe im Kreislauf gefahren. So wird vermieden, dass die Edelstahlpumpe durch die Säure einen erhöhten Verschleiß erfährt. Nebenbei ist auch der Stromverbrauch der kleinen Pumpe deutlich niedriger.
Während der Entkalkung wird mit einem Druck von weit unter einem bar gearbeitet. Nach etwa 30 Minuten wird die Zitronensäure durch Stöpselziehen abgelassen, das ganze System mit Leitungswasser gründlich gespült und dann wieder in den normalen Betrieb übernommen. Dafür wird durch erneutes Umlegen der Absperrhähne die Diaphragmapumpe wieder gegen die Drehschieberpumpe getauscht. Bei Bedarf kann der ganze Vorgang noch einmal wiederholt werden. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit der Membranen deutlich messbar regeneriert und die zu erwartende gesamte Nutzungsdauer verlängert.
Bei besonders hartnäckigen Fällen kann man die Entkalkung auch mit etwa 0,5 bis 1 %-iger Salzsäure vornehmen. Aber noch höhere Konzentrationen möchte ich den Osmosemembranen sicherheitshalber nicht zumuten. In jedem Fall sind die Verwendung von Schutzbrille und Schutzhandschuhen Pflicht!
Tipps:
Ausbeute steigern:
Die Permeatausbeute durch ein niedriges Konzentrat zu Permeat Verhältnis (kleiner als 1:1) zu steigern, ist eine schlechte Idee. Denn das führt das nur vorübergehend zu einer höheren Ausbeute. Bereits nach wenigen Tagen wird eine rasant fortschreitende Verblockung einsetzen. Das wird die Ausbeute wieder reduzieren und schon bald die Membranen ruinieren.
Eine Steigerung der Tagesleistung durch Druckerhöhung hingegen wird nach meinen Erfahrungen durch die Membranen toleriert. Zumindest wenn eine regelmäßige automatische Spülung vorgenommen wird, was ohnehin dringend empfehlenswert ist. Sinnigerweise verwendet man dafür ein Magnetventil, welches durch regelmäßiges Ein- und Ausschalten die Spülvorgänge durchführt.
Vorfilter:
Ein Betrieb mit Feinfilter vor den Membranen ist zwingende Grundvoraussetzung. Ich verwende hierzu eine Porenweite von 5 µm. Zusätzlich wird das vom Aquarium kommende Wasser über einen Vliesfilter in den Osmosesumpf geleitet. Weil sich die Standzeit der Feinfilterpatronen verlängert, wenn bereits das Wasser im Sammelbehälter möglichst frei von Schwebeteilchen ist.
Wirtschaftlichkeit:
Die Frage, ob sich der ganze Aufwand auch finanziell lohnt, kann ich guten Gewissens mit „Ja“ beantworten. Mein Osmosefilter benötigt täglich etwa eine kWh Strom und produziert damit rund einen Kubikmeter Permeat. Zur Verdeutlichung: Das sind 365 m³ Wasser im Jahr. Der Leser mag selbst errechnen, welcher Betrag auflaufen würde, wenn dieses Wasser aus dem Wasserhahn käme. Und das wäre „nur“ stark kalkhaltiges Leitungswasser. Die 365 kWh Strom sind da schon erheblich günstiger. Für diesen Preis erhält das Aquarium täglich einen vollautomatischen Wasserwechsel mit rund einem Kubikmeter Osmosewasser, ohne dass ich etwas tun muss. Es lohnt sich bei meiner Beckengröße sowohl finanziell, als auch durch die Zeitersparnis.
Dimensionierung:
Zu glauben, dass mein Osmosefilter überdimensioniert wäre, ist ein schwerer Fehler! Zwar benötige ich pro Tag lediglich einen Kubikmeter Permeat und der Filter ist die meiste Zeit ausgeschaltet, aber das macht durchaus Sinn. Der Grund ist rein wirtschaftlich. Membranen und Hochdruckpumpe haben eine durch die Anzahl der Betriebsstunden vorgegebene Lebensdauer. Ein Filter, der 24/7 läuft, wird erheblich früher Ersatzteile benötigen, als eine Betriebseinheit, die gerade mal ein Zehntel der Laufzeit aufweist.
Hinzu kommt, dass ein zehnmal größerer Osmosefilter zwar die zehnfache Menge Permeat liefert, aber keinesfalls das zehnfache kostet und auch nicht den zehnfachen Strom verbraucht. Im Gegenteil: Die laufenden Kosten (Strom + Ersatzteile) pro Kubikmeter bei einem kleineren Modell werden die des größeren Modells deutlich überschreiten und den Vorteil eines niedrigeren Anschaffungspreises schnell zerstören. Diese Erfahrung musste ich auch machen. Ein gutes Kosten/Nutzen-Verhältnis erzielt man, wenn die Tagesleistung des Osmosefilters mindestens dem Beckenvolumen entspricht. Ein Osmosefilter für ein 1.000 Liter-Aquarium sollte am Tag also mindestens 1.000 Liter Permeat liefern. Mehr ist hier ausnahmsweise tatsächlich besser.
Deshalb zum Schluss noch mal meine bereits oben erwähnte Erkenntnis: Man darf auf gar keinen Fall an Material oder Aufwand sparen!
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