Osmosefilter

Themen

1. Allgemein
2. Aufbau
3. Betriebszustände
4. Leistungsfähigkeit
5. Verrohrung
6. Zubehör
7. Entkalken
Tipp

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.

Technikecke mit Osmosesumpf im Keller
Technikecke mit Osmosesumpf im Keller

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.

Osmosefilter Aquarium Wolfgang Engel Funktionsskizze Membran Feinfilter Pumpe Wasserwechsel
Osmosefilter Funktionsskizze

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!

Außerdem wird der Osmosefilter von mir auch zur Jahreszeitensimulation eingesetzt. Weil ich damit beliebige Härtegrade einstellen und konstant halten kann.

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2. Aufbau
Drehschieberpumpe mit Stahlflexleitung
Drehschieberpumpe mit Stahlflexleitung

Das antreibende Element ist eine luftgekühlte Hochdruckpumpe. Sie schafft laut Datenblatt etwa 1.050 Liter pro Stunde bei einem Druck von maximal 17 bar. Ich habe mich für eine Drehschieberpumpe aus Edelstahl mit einer Anschlußleistung von 640 Watt 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 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.

Membrangehäuse und Durchflussmesser
Membrangehäuse und Durchflussmesser

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 Watte gefüllten Vorfilter passieren. Hier werden Schwebstoffe zurückgehalten, was die Standzeit der Patronen im Feinfilter deutlich verlängert.

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3. Betriebszustände
3.1 Normalbetrieb
Osmosesumpf
Osmosesumpf

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 bis 1:3. Also auf der sicheren Seite.

3.2 Spülbetrieb
Asymmetrischer Taktgeber und Niveaukontrolle
Asymmetrischer Taktgeber und Niveaukontrolle

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.

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4. Leistungsfähigkeit
Durchflussmesser zur Kontrolle der Volumenströme
Durchflussmesser zur Kontrolle der Volumenströme

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.

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5. Verrohrung:
Krustenbildung an T-Stück
Krustenbildung an T-Stück

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.

Ein Teil der Bauteile für die Verrohrung
Ein Teil der Bauteile für die Verrohrung

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/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).

Ursprüngliche Verschlauchung
Ursprüngliche Verschlauchung

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 8,8 m/s auf 3,5 m/s bezogen auf eine Fördermenge von jeweils 1.000 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 habe ich durch mein persönliches Ungeschick zwei der vier Membrangehäuse beschädigt, so dass diese nicht mehr dicht waren. Das hat 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.

Osmosefilter mit aktueller Verrohrung
Osmosefilter mit aktueller Verrohrung

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.

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6. Zubehör:

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 in den Sammelbehältern 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. 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 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.

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7. Entkalken:
Spülarmaturen für Entkalkung
Spülarmaturen für Entkalkung

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.

Vorfilter mit Magnetventil und Spülarmaturen
Vorfilter mit Magnetventil und Spülarmaturen

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!

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Tipp:

Die Permeatausbeute durch stärkeres Zudrehen des Drosselventils 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.

Magnetventil
Magnetventil

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.

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 wattegefüllten Vorfilter in den Osmosesumpf geleitet. Weil sich die Standzeit der Feinfilterpatronen  verlängert, wenn bereits das Wasser im Sammelbehälter möglichst frei von Schwebeteilchen ist.

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Letzte Änderung: 21. Juni 2020

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