Je feiner die Membran, desto sauberer das Wasser – diese Vorstellung klingt logisch. Sie ist aber nur teilweise richtig. Ein Sandkorn, ein Bakterium, ein Nitrat-Ion und ein organischer Spurenstoff unterscheiden sich grundlegend. Deshalb können sie nicht mit jedem Membranverfahren gleich gut zurückgehalten werden. Entscheidend sind das Aufbereitungsziel, die Stoffklasse, die Membran und die tatsächlichen Betriebsbedingungen.
Der Mythos vom sauberen Wasser
Die richtige Vorstellung von einer Membran
Membranfiltration ist ein physikalisches Trennverfahren. Wasser strömt unter einem Druckgefälle an oder durch eine selektive Membran. Ein Teil passiert die Membran als Permeat. Zurückgehaltene Bestandteile verbleiben auf der Zulaufseite oder werden mit einem zweiten Wasserstrom als Retentat abgeführt.
Das Bild eines sehr feinen Siebs hilft bei größeren Partikeln, Kolloiden und manchen Mikroorganismen. Es wird jedoch ungenau, sobald kleine Moleküle oder gelöste Ionen betrachtet werden. Dann beeinflussen auch das Membranmaterial, elektrische Ladungen, Wechselwirkungen mit der Membran und die Wasserzusammensetzung das Ergebnis.
Ein „Membran-Wasserfilter“ bezeichnet daher zunächst nur eine Oberkategorie. Ohne Angabe des Verfahrens und der wirksamen Trenngrenze lässt sich daraus keine verlässliche Rückhalteleistung ableiten.
Der universelle Membranfilter
Die Aussage „Membranfiltration holt alles Unerwünschte aus dem Wasser“ scheitert bereits am Wort „unerwünscht“. Technisch handelt es sich dabei um sehr verschiedene Stoffklassen:
- Trübstoffe und Sand liegen als Partikel vor.
- Kolloide sind sehr kleine, fein verteilte Teilchen.
- Bakterien und Viren sind Mikroorganismen unterschiedlicher Größe und Struktur.
- Eiweiße und andere Makromoleküle bestehen aus großen Molekülen.
- Natrium, Nitrat und Härtebildner liegen im Wasser als gelöste Ionen vor.
- Organische Spurenstoffe unterscheiden sich stark in Größe, Ladung und chemischen Eigenschaften.
Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose bearbeiten deshalb unterschiedliche Trennaufgaben. Begriffe wie Feinstfilter, Mikrofilter, Ultrafiltration und Umkehrosmose sollten nicht austauschbar verwendet werden.
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Verbreitete Annahme |
Sachlich treffendere Einordnung |
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Jede Membran entfernt gelöste Schadstoffe. |
Mikro- und Ultrafiltration sind vor allem für Partikel, Kolloide und bestimmte Mikroorganismen ausgelegt. Viele kleine gelöste Stoffe passieren sie. |
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Eine kleinere Porengröße garantiert reines Wasser. |
Die wirksame Rückhaltung hängt zusätzlich von Membranmaterial, Stoffeigenschaften, Druck, Temperatur und Betriebszustand ab. |
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Eine Membran desinfiziert das Wasser. |
Eine geeignete Membranfiltration kann Mikroorganismen zurückhalten; Desinfektion inaktiviert oder tötet sie ab. Das sind unterschiedliche Vorgänge. |
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Umkehrosmose entfernt unter allen Bedingungen alles. |
Sie kann viele gelöste Stoffe deutlich reduzieren, aber die Wirkung ist stoff-, anlagen- und betriebsabhängig. |
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Rückhaltung bedeutet vollständige Entfernung. |
Rückhalteraten sind keine pauschale Garantie. Undichte Stellen, Membrandefekte oder ungeeignete Betriebsbedingungen können das Ergebnis verändern. |
Tatsächliche Grenzen erkennen
Stoffe unterhalb der wirksamen Trenngrenze können eine Membran passieren. Das gilt insbesondere für kleine gelöste Moleküle und Ionen, wenn das eingesetzte Verfahren hauptsächlich nach Partikelgröße trennt.
Mikrofiltration und Ultrafiltration halten gelöste Salze wie Natriumchlorid typischerweise nicht direkt zurück. Auch Nitrat und gelöste Härtebildner werden nicht allein deshalb reduziert, weil ein Filter eine sehr kleine Porengröße besitzt. Für solche Aufgaben kommen eher Nanofiltration oder Umkehrosmose infrage.
Selbst bei grundsätzlich geeigneten Membranen ist „vollständig entfernt“ meist zu pauschal. Rückhaltung und Durchsatz können sich durch das Rohwasser, die Konzentration eines Stoffes, Ablagerungen auf der Membran, Alterung oder schwankende Betriebsbedingungen verändern. Belastbare Aussagen für einen konkreten Fall benötigen daher Angaben zur Membran, zum Zielstoff und zu den Prüfbedingungen.
Wo das Siebmodell scheitert
Porengröße und Trenngrenze
Die Porengröße beschreibt vereinfacht, wie groß die Öffnungen einer porösen Membran sind. Bei der Ultrafiltration wird häufig zusätzlich eine molekulare Ausschlussgrenze angegeben. Sie beschreibt näherungsweise, ab welcher Molekülgröße ein Stoff überwiegend zurückgehalten wird.
Die Übergänge zwischen den Verfahren sind nicht überall identisch definiert. Je nach Fachquelle und Membrantyp werden ungefähr folgende Größenordnungen genannt:
- Mikrofiltration: etwa 0,02 bis 10 µm
- Ultrafiltration: ungefähr 2 bis 100 nm, entsprechend 0,002 bis 0,1 µm
- Nanofiltration: Übergangsbereich unterhalb von ungefähr 1 nm
- Umkehrosmose: dichte Membran ohne sinnvoll übertragbares, einfaches Porenmodell
Diese Zahlen sind Orientierungsbereiche und keine scharfen Grenzlinien. Bereiche können sich überlappen, und eine nominelle Porengröße allein beweist keine bestimmte Rückhaltung.
Bei der Umkehrosmose ist die Vorstellung eines immer feineren Siebs besonders irreführend. Der Stofftransport durch eine dichte Membran wird stärker durch Lösungs- und Diffusionsvorgänge bestimmt. Größe bleibt relevant, ist aber nicht der einzige Trennfaktor.
Gelöst oder partikulär
Ein praktisches Wasserbeispiel zeigt den Unterschied. Angenommen, im selben Rohwasser befinden sich Trübstoffe, Bakterien, Calcium-Ionen und Nitrat:
- Trübstoffe liegen als Partikel oder Kolloide vor. Sind sie größer als die wirksame Trenngrenze, werden sie vergleichsweise gut zurückgehalten.
- Bakterien sind ebenfalls partikuläre Einheiten. Geeignete Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen können viele Bakterien abtrennen.
- Calcium liegt als gelöstes Ion vor und trägt zur Wasserhärte bei. Mikro- und Ultrafiltration lassen solche Ionen typischerweise passieren.
- Nitrat ist ein kleines gelöstes Ion. Auch hier reicht ein klassischer Siebeffekt von Mikro- oder Ultrafiltration nicht aus.
Damit wird verständlich, warum klares Wasser weiterhin gelöste Stoffe enthalten kann. Umgekehrt kann Wasser mineralische Ionen enthalten und dennoch frei von sichtbaren Partikeln sein. „Klar“, „partikelfrei“, „keimarm“, „enthärtet“ und „salzarm“ bezeichnen verschiedene Eigenschaften.
Auch die Stoffform kann sich ändern. Ein Metall kann beispielsweise an Partikel gebunden oder als gelöstes Ion vorhanden sein. Eine Membran, die den partikulär gebundenen Anteil zurückhält, muss den gelösten Anteil nicht in gleicher Weise reduzieren.
Verborgene technische Voraussetzungen
Eine angegebene Porengröße gilt nicht losgelöst vom Betrieb. Für das tatsächliche Ergebnis sind unter anderem relevant:
- Druckgefälle und Strömungsführung
- Wassertemperatur
- Konzentration der zurückzuhaltenden Stoffe
- Membranmaterial und elektrische Oberflächenladung
- Ablagerungen, Fouling und Biofilme
- Dichtheit von Membran, Gehäuse und Anschlüssen
- Vorbehandlung und Spülung
Der grundlegende Stoffstrom lässt sich so darstellen:
Zulauf → Membran → Permeat + Retentat
Das Permeat hat die Membran passiert. Im Retentat reichern sich zurückgehaltene Stoffe an. Nicht jede Anlage führt jedoch ständig einen sichtbaren Retentatstrom ab. Bei der sogenannten Dead-End- beziehungsweise Sackgassenfiltration strömt das Wasser direkt auf die Membran zu; zurückgehaltene Stoffe lagern sich dort ab. Bei der Querstromfiltration fließt ein Teil des Wassers parallel an der Oberfläche entlang und transportiert einen Teil der Ablagerungen weiter.
Mit zunehmenden Ablagerungen kann der Durchsatz sinken. Ein höherer Druck stellt die ursprüngliche Trennleistung nicht automatisch wieder her und kann den Betrieb zusätzlich belasten. Die Membran ist deshalb stets Teil eines technischen Systems und keine isolierte Barriere mit unveränderlicher Wirkung.
Vier Verfahren, vier Trennaufgaben
Mikrofiltration und Ultrafiltration
Die Mikrofiltration ist vor allem für Schwebstoffe, größere Kolloide und viele Bakterien geeignet. Ihre Trennung lässt sich noch vergleichsweise gut mit einem Sieb erklären. Kleinere Mikroorganismen und gelöste Stoffe können die Membran abhängig von ihrer Ausführung passieren.
Die Ultrafiltration arbeitet feiner. Sie kann zusätzlich größere Makromoleküle und kleinere Kolloide zurückhalten. Abhängig von Membran, Virusart und Betriebsbedingungen ist auch eine Rückhaltung von Viren möglich. Eine pauschale Aussage wie „Ultrafiltration entfernt alle Viren“ wäre dennoch nicht gerechtfertigt.
Beide Verfahren lassen einwertige gelöste Ionen wie Natrium und Chlorid typischerweise passieren. Sie sind daher nicht mit einer Entsalzung gleichzusetzen. Auch eine Verringerung von Trübung oder Mikroorganismen belegt keine entsprechende Reduktion von Nitrat, Härtebildnern oder kleinen organischen Molekülen.
Für die öffentliche Trinkwasseraufbereitung beschreibt das DVGW-Arbeitsblatt W 213-5 technische Grundsätze für Planung, Bau und Betrieb von Membranfiltrationsanlagen zur Partikelentfernung. Das verdeutlicht den Systemcharakter: Eine Membran wird mit geeigneter Planung, Überwachung und weiteren Aufbereitungsstufen verbunden.
Nanofiltration und Umkehrosmose
Die Nanofiltration liegt zwischen Ultra- und Umkehrosmose. Neben der Molekülgröße können elektrische Ladungen und Wechselwirkungen mit der Membran die Trennung deutlich beeinflussen. Mehrwertige Ionen werden häufig stärker zurückgehalten als einwertige Ionen. Deshalb kann Nanofiltration je nach Membran und Rohwasser Härtebildner sowie größere organische Moleküle reduzieren.
Die Umkehrosmose verwendet eine dichte, selektive Membran. Ein Druckgefälle wirkt dabei dem natürlichen osmotischen Druck entgegen. Das Verfahren kann viele gelöste Salze, Nitrat, Metallionen und zahlreiche organische Mikroschadstoffe deutlich reduzieren. Daraus folgt aber nicht, dass jedes System jeden Stoff vollständig entfernt. Die konkrete Wirkung muss für Stoff, Membran und Betriebsbedingungen betrachtet werden.
Das Umweltbundesamt nennt Nanofiltration und Umkehrosmose grundsätzlich als mögliche Verfahren zur PFAS-Reduktion. Die Wirkung hängt unter anderem von der jeweiligen PFAS-Verbindung, der Rohwassermatrix und der Betriebsweise ab. Zudem entsteht ein Konzentrat, in dem die zurückgehaltenen Stoffe angereichert sind. Die Filtration beseitigt diese Stoffe also nicht, sondern trennt und verlagert sie zunächst in einen anderen Wasserstrom.
Im Haushalt sollten außerdem Wasserverbrauch, Spülung, Stagnation und Hygiene des Gesamtsystems berücksichtigt werden. Die Verbraucherzentrale weist darauf hin, dass Umkehrosmose mineralstoffarmes Wasser erzeugt und feine Membranen bei ungeeignetem Betrieb verkeimen können. Eine stärkere Stofftrennung ist deshalb nicht automatisch mit einer pauschal höheren gesundheitlichen Qualität gleichzusetzen.
Wer den technischen Anlagenbegriff näher einordnen möchte, findet hier eine Übersicht zu Osmoseanlagen. Aus der Verfahrensbezeichnung allein lässt sich jedoch keine konkrete Rückhaltequote oder Prüfung eines einzelnen Systems ableiten.
Trennbereiche im Zahlenvergleich
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Verfahren |
Grober Trennbereich |
Eher zurückgehalten |
Typischerweise nicht direkt zurückgehalten |
Wichtige Bedingungen |
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Mikrofiltration |
etwa 0,02–10 µm |
Schwebstoffe, größere Kolloide, viele Bakterien |
gelöste Salze, Härtebildner, Nitrat, viele kleine Moleküle |
Porenverteilung, Dichtheit, Ablagerungen, Druck |
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Ultrafiltration |
etwa 2–100 nm |
kleinere Kolloide, Makromoleküle, viele Bakterien; je nach System Viren |
einwertige Ionen und viele kleine gelöste Stoffe |
Ausschlussgrenze, Membranmaterial, Virusart, Betriebszustand |
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Nanofiltration |
unterhalb von ungefähr 1 nm |
mehrwertige Ionen, größere organische Moleküle, je nach Anwendung Härtebildner und bestimmte Spurenstoffe |
einwertige Ionen werden häufig weniger stark zurückgehalten als bei Umkehrosmose |
Ladung, Stoffart, Rohwassermatrix, Druck und Membran |
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Umkehrosmose |
dichte Membran; kein reines Siebmodell |
viele gelöste Salze, Nitrat, Metallionen und zahlreiche organische Mikroschadstoffe |
keine Stoffklasse pauschal unter allen Bedingungen vollständig |
Stoffeigenschaften, Membranintegrität, Druck, Vorbehandlung und Betrieb |
Die Tabelle zeigt ein Spektrum, keine feste Rangliste. Ein feineres Verfahren ist nur dann zweckmäßiger, wenn sein Trennmechanismus zum Aufbereitungsziel passt. Für Partikelentfernung kann Mikro- oder Ultrafiltration genau die vorgesehene Aufgabe erfüllen. Für gelöste Ionen sind dagegen andere Membraneigenschaften erforderlich.
Wenn gelöste Stoffe im Fokus stehen: RO-Systeme im Vergleich
Mikro- und Ultrafiltration sind vor allem auf Partikel und bestimmte Mikroorganismen ausgerichtet. Wenn für das eigene Aufbereitungsziel eine Umkehrosmoseanlage infrage kommt, unterscheiden sich die verfügbaren Systeme unter anderem bei Einbauart, Durchfluss und Nutzungskomfort.
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Was ist Membranfiltration?
Membranfiltration ist ein physikalisches Trennverfahren, bei dem Wasser durch oder entlang einer selektiven Membran geführt wird. Der durchgetretene Wasserstrom heißt Permeat, der zurückgehaltene beziehungsweise konzentrierte Strom Retentat. Welche Bestandteile getrennt werden, hängt vom Verfahren ab. Bei Mikro- und Ultrafiltration dominiert häufig der Größenausschluss. Bei Nanofiltration und Umkehrosmose werden zusätzlich Ladung, Löslichkeit und Wechselwirkungen mit dem Membranmaterial wichtig.
Welche Membranverfahren gibt es?
Die vier üblichen Gruppen sind Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose. Mikrofiltration trennt vor allem größere Partikel und viele Bakterien ab. Ultrafiltration erfasst zusätzlich kleinere Kolloide und Makromoleküle. Nanofiltration kann mehrwertige Ionen und größere organische Moleküle stärker zurückhalten. Umkehrosmose dient der weitgehenden Reduktion vieler gelöster Salze und weiterer gelöster Stoffe. Die Übergänge zwischen den Gruppen sind nicht überall scharf definiert.
Welche Porengrößen unterscheiden die Verfahren?
Als grobe Orientierung liegt Mikrofiltration etwa zwischen 0,02 und 10 µm, Ultrafiltration ungefähr zwischen 2 und 100 nm und Nanofiltration unterhalb von rund 1 nm. Diese Bereiche können sich je nach Quelle und Membran überschneiden. Für Umkehrosmose ist eine einfache Porenangabe nur eingeschränkt sinnvoll, weil dichte Membranen nicht wie klassische Siebe arbeiten. Eine Zahl allein erlaubt daher noch keine verlässliche Aussage zur Rückhaltung eines bestimmten Stoffes.
Macht Membranfiltration Wasser keimfrei?
Das lässt sich nicht pauschal sagen. Geeignete Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen können Mikroorganismen deutlich zurückhalten. Das ist jedoch eine physikalische Abtrennung und keine Desinfektion. Das Ergebnis hängt von Membranintegrität, Dichtheit, Betriebsweise und Hygiene des gesamten Systems ab. Risse, undichte Verbindungen, Stagnation oder Biofilme können die mikrobiologische Qualität beeinflussen. Eine nominelle Porengröße ist deshalb keine allgemeine Garantie für dauerhaft keimfreies Wasser.
Entfernt ein Membran-Wasserfilter Kalk und Nitrat?
Nur bestimmte Membranverfahren kommen dafür infrage. Mikrofiltration und Ultrafiltration lassen gelöste Härtebildner und Nitrat typischerweise passieren. Nanofiltration kann abhängig von Membran und Rohwasser insbesondere mehrwertige Härtebildner reduzieren. Umkehrosmose kann sowohl Härtebildner als auch Nitrat deutlich verringern. Wie stark die Reduktion ausfällt, lässt sich jedoch nicht allein aus dem Verfahrensnamen ableiten; dafür wären konkrete Prüfwerte unter definierten Bedingungen erforderlich.
Quellen
https://www.umweltbundesamt.de/trinkwasser-aufbereiten