Ultrafiltration in drinking water: Function, strengths and limitations

Ultrafiltration wird häufig als vollständige Wasserreinigung verstanden: Partikel, Keime, Kalk und gelöste Schadstoffe sollen danach verschwunden sein. Technisch trifft das nur teilweise zu. Entscheidend ist, ob ein Stoff als Schwebstoff, Mikroorganismus, Molekül oder gelöstes Ion vorliegt. Wer Ultrafiltration mit Enthärtung, Desinfektion oder Umkehrosmose gleichsetzt, erwartet deshalb oft eine Wirkung, die eine reine UF-Membran nicht leisten kann.

Verbreitete Vorstellungen zur Ultrafiltration

Ultrafiltration ist eine physikalische Barriere. Wasser strömt unter Druck durch eine poröse Membran. Bestandteile, die unter den jeweiligen Bedingungen nicht durch die Membran gelangen, werden zurückgehalten.

Das Bild eines sehr feinen Siebs ist dabei hilfreich – allerdings nur für Partikel, Kolloide und bestimmte Mikroorganismen. Kolloide sind äußerst feine, im Wasser schwebende Teilchen. Sie sind nicht dasselbe wie gelöste Salze oder Ionen.

Die Siebvorstellung versagt bei gelösten Calcium-, Magnesium- oder Nitrationen sowie bei vielen kleinen organischen Molekülen. Auch der Rückhalt von Viren lässt sich nicht allein aus dem Begriff „Ultrafiltration“ ableiten. Dafür sind unter anderem Membrantyp, Trenngrenze, Anlagenzustand und Prüfbedingungen maßgeblich.

Wo die Siebwirkung zutrifft

Ultrafiltration ist ein druckgetriebenes Membranverfahren. Typische Angaben für die Poren- oder Trenngröße liegen ungefähr zwischen 0,01 und 0,1 µm. Fachquellen verwenden teilweise andere Grenzbereiche, weil Membranen nicht ausschließlich über einen einzigen Porendurchmesser beschrieben werden können.

Typischerweise können UF-Membranen folgende Bestandteile zurückhalten:

• Trübstoffe und feine Schwebstoffe,
• Rostpartikel,
• Kolloide,
• viele Bakterien,
• größere biologische Strukturen,
• partikulär vorliegende Anteile von Mikroplastik.

Das bedeutet nicht, dass jede Ultrafiltrationsanlage diese Stoffe unter allen Bedingungen in gleichem Umfang entfernt. Eine Porenangabe allein ist noch kein Leistungsnachweis. Das tatsächliche Ergebnis hängt unter anderem von der Porenverteilung, der Membranbauart, dem Druck, der Wasserbeschaffenheit, möglichen Schäden und dem Betriebszustand ab.

Auch die Form, in der ein Stoff vorliegt, ist wichtig. Ein Metall kann beispielsweise an Rost- oder Sedimentpartikel gebunden sein. Dieser partikuläre Anteil kann von einer UF-Membran erfasst werden. Liegt dasselbe Metall als gelöstes Ion vor, verhält es sich anders und kann die Membran passieren.

Warum „vollständige Reinigung“ irreführt

Nach einer Ultrafiltration kann Wasser optisch klarer aussehen, weil Trübstoffe und Schwebstoffe entfernt wurden. Daraus folgt jedoch nicht, dass es frei von gelösten chemischen Stoffen ist. Wasser, gelöste Mineralstoffe, Salze und viele kleine Moleküle gelangen im Allgemeinen durch die UF-Membran.

Auch der Ausdruck „UF-Wasserfilter“ ist zunächst eine technische Bezeichnung. Er sagt nicht automatisch aus, für welche Belastungen ein konkretes System geeignet ist. Aussagen über die Entfernung einzelner Stoffe benötigen einen belastbaren, systemspezifischen Nachweis unter festgelegten Prüfbedingungen.

Das gilt besonders für Schwermetalle, Pestizide, PFAS oder Arzneimittelrückstände. Ohne genaue Kenntnis der chemischen Form, zusätzlicher Filterstufen und der geprüften Leistung lässt sich aus dem Vorhandensein einer UF-Membran keine verlässliche Reduktionswirkung ableiten.

In Haushaltsanlagen kann Ultrafiltration außerdem mit anderen Filtermedien kombiniert sein. Die Übersicht zu Untertisch-Wasserfiltern beschreibt daher eine Gerätekategorie, nicht automatisch die alleinige Wirkung einer UF-Membran. Eine mögliche Adsorption durch zusätzliche Filtermaterialien darf nicht der Ultrafiltration selbst zugeschrieben werden.

Wo das einfache Filterbild an Grenzen stößt

Partikel sind keine gelösten Stoffe

Für ein korrektes Verständnis hilft die Trennung in drei Bereiche:

Ein Rostpartikel ist ein fester Körper im Wasser. Ein Calciumion ist dagegen auf molekularer Ebene gelöst. Es handelt sich nicht um ein besonders kleines Kalkkörnchen, das lediglich durch ein feineres Sieb aufgefangen werden müsste.

Neben der Größe können auch Ladung, Bindungsform und Wechselwirkungen mit der Membran eine Rolle spielen. Solche Effekte sind jedoch stoff- und membranspezifisch. Sie erlauben keine pauschale Aussage, dass Ultrafiltration gelöste Stoffe zuverlässig entfernt.

Die Mikrofiltration arbeitet nach einem ähnlichen Grundprinzip, besitzt aber üblicherweise gröbere Trenngrenzen. Sie eignet sich ebenfalls zur Partikelabscheidung, erreicht jedoch nicht denselben Bereich wie die Ultrafiltration. Die Übergänge sind nicht in jeder Fachquelle identisch definiert. Deshalb sollte eine Verfahrensbezeichnung nie als alleiniger Beleg für einen bestimmten Stoffrückhalt dienen.

Warum Kalkflecken bleiben können

Wasserhärte beruht vor allem auf gelösten Calcium- und Magnesiumionen. Diese Ionen passieren eine reine UF-Membran normalerweise. Die Konzentration der Härtebildner und damit die Wasserhärte verändern sich durch Ultrafiltration daher üblicherweise nicht wesentlich.

Das hat praktische Folgen:

• Kalkflecken an Armaturen können weiterhin auftreten.
• Beim Erwärmen kann sich weiterhin Kesselstein bilden.
• Eine UF-Membran ist kein Enthärtungsverfahren.

Die Formulierung „Mineralien bleiben erhalten“ beschreibt lediglich, dass viele gelöste Ionen die Membran passieren. Sie ist weder eine umfassende Aussage zur Wasserqualität noch ein Beleg dafür, dass andere gelöste Stoffe entfernt werden.

Ebenso lässt sich aus einer Ultrafiltration nicht pauschal auf Geschmack oder Korrosionsverhalten schließen. Beides hängt von der gesamten Wasserchemie ab, etwa vom Mineralstoffgehalt, pH-Wert und weiteren gelösten Bestandteilen.

Was geschieht mit Nitrat, PFAS und Schwermetallen?

Nitrat ist ein anschauliches Beispiel für einen gelösten Stoff. Nitrationen schwimmen nicht als sichtbare Teilchen im Wasser und werden daher nicht wie Rost oder Trübstoffe ausgesiebt. Von einer reinen Ultrafiltration ist grundsätzlich kein umfassender Nitratrückhalt zu erwarten.

Für weitere Stoffgruppen gilt:

• PFAS und Pestizide: Die Wirkung einer reinen UF-Membran lässt sich nicht pauschal angeben. Viele dieser Stoffe können gelöst und molekular klein vorliegen.
• Arzneimittelrückstände: Auch hier ist ohne systemspezifische Prüfung kein umfassender Rückhalt anzunehmen.
• Schwermetalle: Partikelgebundene Anteile können anders reagieren als gelöste Metallionen.
• Organische Stoffe: Große Moleküle oder an Partikel gebundene Stoffe können teilweise zurückgehalten werden. Kleine gelöste Moleküle können dagegen passieren.

Zusätzliche Stufen wie Adsorption oder andere Membranverfahren können das Ergebnis verändern. Dann muss jedoch klar getrennt werden, welcher Aufbereitungsschritt für die jeweilige Wirkung verantwortlich ist. Der Begriff „Ultrafiltrationsanlage“ allein reicht dafür nicht aus.

Trennung, Desinfektion und Membrangrenzen

Abscheidung ist keine Keimabtötung

Ultrafiltration kann Mikroorganismen physikalisch aus dem Wasser abtrennen. Die zurückgehaltenen Organismen werden dabei nicht automatisch abgetötet. Fachlich sollten drei Ebenen unterschieden werden:

1. Abtrennung: Eine Membran hält Mikroorganismen zurück.
2. Inaktivierung: Ein Desinfektionsverfahren nimmt ihnen ihre Vermehrungs- oder Infektionsfähigkeit.
3. Überwachung: Kontrollen prüfen, ob Anlage und Wasserqualität die vorgesehenen Anforderungen erfüllen.

Eine hohe Abscheideleistung ist daher nicht automatisch mit einer rechtlich oder betrieblich abgesicherten Desinfektion gleichzusetzen. Der DVGW ordnet Ultrafiltration als Partikelentfernungsverfahren ein. Bei mikrobiell belastetem Rohwasser kann im Rahmen eines Mehrbarrierenkonzepts trotz Ultrafiltration eine abschließende Desinfektion erforderlich sein.

Das bedeutet nicht, dass jede UF-Anlage zwingend dieselbe zusätzliche Stufe benötigt. Entscheidend sind Rohwasserqualität, Anlagenkonzept, nachgewiesene Leistung, Membranintegrität, Überwachung und Einsatzort.

In einem kommunalen Wasserwerk ist eine Membranstufe Teil eines geplanten und kontrollierten Aufbereitungsprozesses. Eine Anlage in einem Gebäude arbeitet dagegen innerhalb der jeweiligen Trinkwasserinstallation. Technische Machbarkeit und die Einhaltung der für den konkreten Einsatz geltenden Anforderungen sind dabei getrennt zu beurteilen. Die beim Umweltbundesamt geführte Liste zulässiger Aufbereitungsstoffe und Desinfektionsverfahren ist daher von der bloßen technischen Bezeichnung „Ultrafiltration“ zu unterscheiden.

Warum Viren eine besondere Einordnung brauchen

Die Aussage „Ultrafiltration entfernt Viren“ ist zu allgemein. Viren unterscheiden sich deutlich in ihrer Größe. Kleinere Viren können nahe an der Trenngrenze einer UF-Membran liegen. Außerdem bestehen Membranen nicht aus vollkommen identischen Poren.

Ob ein definierter Virenrückhalt erreicht wird, hängt unter anderem ab von:

• der Membran und ihrer Trenngrenze,
• dem untersuchten Virustyp,
• der Integrität des Membranmoduls,
• den Prüf- und Betriebsbedingungen,
• möglichen Undichtigkeiten oder Membranschäden,
• zusätzlichen Barrieren im Gesamtsystem.

Eine nominelle Porengröße ist deshalb kein Ersatz für einen systemspezifischen Leistungsnachweis. Selbst wenn eine Membran unter Prüfbedingungen einen hohen Rückhalt erreicht, muss die Anlage im Betrieb intakt bleiben. Verbindungen, Dichtungen, Umgehungsströmungen und Fehler bei der Betriebsführung können das Gesamtergebnis beeinflussen.

„Teilweiser Virenrückhalt“ ist daher die sachgerechtere allgemeine Aussage. Eine weitergehende Bewertung setzt konkrete Prüfdaten für die jeweilige Membran oder Anlage voraus.

Warum Betrieb und Zustand mitentscheiden

Während der Filtration sammeln sich zurückgehaltene Stoffe an der Membranoberfläche. Es entsteht eine Deckschicht, die den Wasserdurchfluss verringern kann. Diese Ablagerung wird häufig als Fouling bezeichnet. Je nach Anlagenkonzept werden Rückspülungen oder Reinigungen eingesetzt, um Ablagerungen zu entfernen.

Ein sinkender Durchfluss kann auf zunehmende Verschmutzung hindeuten. Er beweist aber weder eine bessere noch eine schlechtere hygienische Abscheidung. Umgekehrt kann ein normaler Durchfluss nicht bestätigen, dass die Membran frei von Schäden ist.

Für die Beurteilung einer Ultrafiltrationsanlage sind deshalb mehrere Punkte relevant:

• Rohwasserbeschaffenheit und Trübung,
• Membrantyp und Anlagenkonzept,
• vorgesehener Druckbereich,
• Rückspül- und Reinigungsbetrieb,
• Membranintegrität,
• hygienischer Zustand der nachgeschalteten Leitungen.

Die Membran schützt außerdem nicht automatisch vor einer Verunreinigung hinter der Filterstufe. Stagnation, Biofilme oder ungeeignete Betriebsbedingungen in nachfolgenden Leitungsabschnitten bleiben eigenständige Themen.

Ultrafiltration und Umkehrosmose

Ultrafiltration und Umkehrosmose gehören zur Membrantechnik, sind aber keine gleichwertigen Varianten desselben Feinfilters.

Eine UF-Membran ist porös und trennt vor allem nach Größe. Gelöste Salze und viele kleine Moleküle passieren sie. Die Umkehrosmose arbeitet dagegen mit einer dichten, semipermeablen Membran und trennt auf molekularer Ebene. Dadurch kann sie auch viele gelöste Ionen und Salze reduzieren.

Wer sich mit den technischen Unterschieden beschäftigt, findet Umkehrosmose als eigene Verfahrenskategorie bei den Osmoseanlagen. Aus den allgemeinen Eigenschaften der Umkehrosmose lässt sich jedoch keine garantierte Reduktion eines bestimmten Stoffes durch jedes einzelne System ableiten.

Häufige Fragen

Wie funktioniert Ultrafiltration?

Wasser wird unter Druck durch eine poröse Membran geleitet. Größere Partikel, Kolloide und viele Mikroorganismen bleiben auf der Rohwasserseite zurück, während Wasser und kleinere gelöste Stoffe die Membran passieren. Das gefilterte Wasser wird als Permeat oder Filtrat bezeichnet. Die zurückgehaltenen Stoffe sammeln sich an der Membran und müssen je nach Anlagenkonzept durch Rückspülung oder Reinigung entfernt werden.

Was filtert eine UF-Membran?

Eine UF-Membran hält typischerweise Trübstoffe, Rostpartikel, Kolloide, viele Bakterien und bestimmte größere organische Strukturen zurück. Auch partikulär vorliegende Anteile von Mikroplastik können erfasst werden. Bei Viren ist keine pauschale Aussage möglich. Gelöste Mineralstoffe, Härtebildner, Salze, Nitrat und viele kleine organische Moleküle passieren eine reine UF-Membran im Allgemeinen.

Was ist der Unterschied zur Umkehrosmose?

Ultrafiltration arbeitet mit einer porösen Membran und trennt vor allem Partikel nach ihrer Größe. Umkehrosmose verwendet eine dichte, semipermeable Membran und kann dadurch auch viele gelöste Ionen und Salze reduzieren. Deshalb verändert reine Ultrafiltration die Wasserhärte normalerweise kaum, während Umkehrosmose sie deutlich senken kann. Die konkrete Stoffreduktion muss bei beiden Verfahren systemspezifisch belegt sein.

Entfernt Ultrafiltration Bakterien und Viren?

Viele Bakterien können aufgrund ihrer Größe von geeigneten UF-Membranen zurückgehalten werden. Bei Viren hängt der Rückhalt stärker von Virusgröße, Membran, Porenverteilung, Anlagenzustand und Prüfbedingungen ab. Ultrafiltration scheidet Mikroorganismen physikalisch ab, sie inaktiviert sie aber nicht automatisch. Bei mikrobiell belastetem Rohwasser wird die hygienische Sicherheit deshalb im Gesamtkonzept aus Barrieren, Betrieb und Überwachung beurteilt.

Macht Ultrafiltration hartes Wasser weich?

Nein, eine reine Ultrafiltration ist üblicherweise kein Enthärtungsverfahren. Wasserhärte entsteht hauptsächlich durch gelöste Calcium- und Magnesiumionen. Diese sind wesentlich kleiner als typische Partikel und passieren die UF-Membran. Kalkflecken und Kesselstein können daher weiterhin entstehen. Soll beurteilt werden, ob sich die Wasserhärte tatsächlich verändert hat, ist eine Messung vor und nach der Aufbereitung erforderlich.

Quellen

https://www.dvgw.de/medien/dvgw/wasser/aufbereitung/dvgw-information-sicherheit-trinkwasseraufbereitung.pdf

https://www.dvgw.de/themen/wasser/wasserwerk-und-aufbereitung/aufbereitungsverfahren

https://www.umweltbundesamt.de/themen/wasser/trinkwasser/rechtliche-grundlagen-empfehlungen-regelwerk/aufbereitungsstoffe-desinfektionsverfahren-ss-20

https://application.wiley-vch.de/books/sample/3527345396_c01.pdf