Die nächste Generation

W. Lamparter, U. Meyer-Blumenroth, S. Krause

Membran-Bio-Reaktoren (MBR) stellen eine Weiterentwicklung des klassischen Belebungsverfahrens dar, wobei das gereinigte Abwasser mit einer Micro- bzw. Ultrafiltrationsmembrane vom belebten Schlamm abgetrennt wird; i.d.R. werden die Membranmodule direkt in den belebten Schlamm getaucht und das behandelte Abwasser (Permeat) wird mittels Unterdruck abgezogen. Die Membranen stellen eine Barriere dar, wodurch die Ablaufqualität durch den kompletten Feststoffrückhalt sowohl bezüglich der hygienischen, aber auch hinsichtlich der chemischen Parameter verbessert wird. Dies erlaubt, die Konzentration der Biomasse in der Belebung gegenüber konventioneller Verfahrenstechnik erheblich zu steigern. MBR-Anlagen werden normalerweise mit Feststoffkonzentrationen von 10 g/l betrieben. Die Feststofffreiheit und die hygienische Unbedenklichkeit erschließen zudem das Potenzial, das Filtrat entweder direkt als Brauchwasser wieder zu verwenden oder als Zulauf zu einer nachfolgenden NF- oder RO-Membran zu nutzen, um Wasserkreisläufe zu schließen. Zudem ist der Prozess unabhängig vom Sedimentierverhalten der Biomasse. Aufgrund des Wegfalls der Nachklärung und der Steigerung der Feststoffkonzentration im Belebungsbecken können etwa 50 % des Platzbedarfs im Vergleich zur konventionellen Technik eingespart werden.

Zentrale Herausforderungen dieser Verfahrenstechnik sind das Membranfouling. Verblockungen, Schlammablagerungen und Verzopfungen werden in klassischen Modulkonstruktionen beobachtet und reduzieren die aktive Membranfläche. Verzopfungen werden durch Haare und/oder Fasern hervorgerufen, die sich um die Membranen schlingen. Dieses Phänomen wird vor allem bei Hohlfasermembranen beobachtet. Vor diesem Hintergrund wurde das Bio-Cel-Membranmodul entwickelt. Durch die eingesetzte Flachmembrane wird konstruktiv Verzopfungen entgegengewirkt. Das Modul ist nach oben und unten geöffnet, um Schlammablagerungen bzw. Akkumulationen von Fasern zu vermeiden. Bei der Integration der Membrantaschen in das Modul wurde durch die selbsttragende Struktur eine randfreie Installation realisiert. Das Modul wurde hinsichtlich der Überströmung hydraulisch optimiert. Membranmodule für die Abwasserbehandlung müssen zudem chemisch, thermisch und mechanisch resistente Materialien aufweisen. Weitere Aspekte der Membranmodulkonstruktion sind die Rückspülbarkeit der Membranen, die konstanten Porengrößenverteilung, die hohe Packungsdichte und der insgesamt geringe Energiebedarf. Membranmodule sollten zudem modular aufgebaut sein, um Modulwechsel und/oder Erweiterungen vornehmen zu können. Die Entwicklungsschritte des Bio-Cel-Moduls werden nachfolgend diskutiert.

In der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung haben sich organische Membranmaterialien durchgesetzt. Um die Anforderungen an eine gleichmäßige Porengrößenverteilung, hohe Porosität und gute Beständigkeit des Materials zu erfüllen, werden häufig Membranen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyethersulfon (PES), Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) eingesetzt, da diese u. a. chemisch beständig sind und eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Aufgrund der hydrophilen Eigenschaften und der geringen Foulingneigung wurde PES als vorrangiges Membranmaterial für die Ultrafiltration ausgewählt. Das Herzstück der Neuentwicklung ist eine rückspülbare Membrantasche, wobei die Rückspülbarkeit durch einen flächigen Verbund des Membranträgervlieses mit der Drainageschicht erzielt wird. Ein geringer Druckverlust innerhalb der Membrantasche muss parallel zur möglichst gleichmäßigen Absaugung realisiert werden. Insbesondere die gleichmäßige Verteilung ist bei (chemischen) Rückspülungen von Bedeutung. Daher wurde die Drainageschicht so entwickelt, dass sie in Fließrichtung möglichst offen ist, zugleich aber eine hohe mechanische Stabilität aufweist (Überdruck/Unterdruckbetrieb) und eine möglichst große Fläche zur Verbundherstellung mit dem Trägervlies aufweist. Zudem wird das Permeat mittig aus der Fläche und nicht am oberen bzw. unteren Ende abgezogen.

Die selbsttragende Membrantasche mit nur 2 mm Dicke ist deutlich platzsparender als herkömmliche Plattensysteme mit Plattendicken von etwa 6 mm. Daher können mit dem Bio-Cel-Modul bei gleichem Membranabstand (von etwa 8 mm) Packungsdichten realisiert werden, die etwa 30 % oberhalb klassischer Plattenmodule liegen. Gleichzeitig besitzt das Bio-Cel-Modul durch die Abwesenheit der Platte ein geringes spezifisches Gewicht. Hohlfasersysteme bieten leicht höhere Packungsdichten, enthalten jedoch das Risiko von Verzopfungen und bieten aufgrund der Einspannung eine schlechtere Überströmung der Membranoberfläche.

Das modulare Membranmodul ist nach oben und unten geöffnet, um Schlammablagerungen bzw. Akkumulationen von Fasern zu vermeiden. Bei der Integration der Membrantaschen in das Modul wurde aufgrund der selbsttragenden Struktur der Membrantasche eine randfreie Installation realisiert, um Randverblockungen aufgrund geringer Randgeschwindigkeiten zu vermeiden. Die Leitbleche für die Strömungsführung haben daher keinen direkten Kontakt zur Membran und halten einen Abstand zur Membran. Das Gewicht der Modulkonstruktion ist aufgrund der selbsttragenden Membrantaschen bereits reduziert, da auf Trägerplatten verzichtet werden kann.

Das Modul besteht aus zwei Einheiten: Erstens dem Basis-Rahmen, der neben der statischen Funktion auch die Crossflow-Belüfter enthält und zweitens den Membrankassetten, die die Membranen und die Permeatabsaugung enthalten. Jede Kassette ist mit einer Membranfläche von 25 bzw. 100 m² ausgestattet.

Bild 1 zeigt ein komplettes Membranmodul BC100F-C25- UP150 (100 m² aktive Membranfläche). In diesem Modul sind vier Kassetten á 25 m² über die Permeatleitung miteinander verbunden. Die Zweiteilung der Modulkonstruktion bietet insbesondere für den Betreiber den Vorteil, dass bei anstehendem Membranersatz lediglich die Kassetten getauscht werden müssen, jedoch die Basisrahmen weiterverwendet werden können, hierdurch wird eine maximale Kosteneffizienz erzielt. Der Basisrahmen aus Polyethylen ist kostengünstig herzustellen, gegenüber herkömmlichen Stahlkonstruktionen gewichtsreduziert und zudem langlebig. Auch bei der Entwicklung der Kassetten wurde eine möglichst stahlfreie und langlebige Materialauswahl realisiert.

In Bild 2 ist die C100-UP150 (100 m² Membranfläche) dargestellt. Durch die über 2 m hohen Membrantaschen können Module (á 400 m²) für die Anwendung mit hohen Zuflüssen realisiert werden. Eine Anwendung sogenannter Doppelstock-Membranen ist nicht mehr erforderlich.

Zur hydraulischen Optimierung wurden Wassergeschwindigkeitsmessungen am Membranmodul durchgeführt. Verschiedene Austrittsöffnungen (feinblasige Belüftung bis zur grobblasigen Belüftung) wurden untersucht. Neben Untersuchungen in Trinkwasser wurde zudem durch die Zugabe von Carboxymethlycellulose (CMC) die Viskosität von belebtem Schlamm eingestellt, aber die Transparenz von Wasser beibehalten, um die realen Fließbedingungen möglichst abzubilden, jedoch gleichzeitig die Möglichkeit der visuellen Kontrolle aufrechtzuerhalten. Die aufwärts gerichtete Wassergeschwindigkeit beträgt im Modul etwa 0,3 m/s in Wasser. Bei den Messungen in viskosem CMC-Wassergemisch als auch in belebtem Schlamm (10 g/l TS) reduziert sich die Wassergeschwindigkeit in beiden Fällen auf etwa 0,27 m/s. Die Luftblasenaufstiegsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,6 m/s.

Bezogen auf den Zulauf zum Filterbecken entspricht dies einer >600fachen internen Rezirkulation. Somit ist eine ausreichend hohe Strömung gegeben, um den Schlamm aus dem Membranmodul auszutreiben und um Schlammablagerungen entgegenzuwirken.

Während der Entwicklung wurde zudem auf einen geringen Energiebedarf geachtet, da in MBR-Anwendungen die Belüftungssysteme die Hauptenergieverbraucher darstellen. Der alpha-Wert, der das Verhältnis von Sauerstoffeintragsvermögen in Trinkwasser zu belebtem Schlamm wiedergibt, ist von der Viskosität abhängig und daher in MBR-Anlagen gegenüber konventionellen Anlagen reduziert, wodurch der Energiebedarf negativ beeinflusst wird. Faktoren, die den Energiebedarf der Belüftungssysteme beeinflussen, sind der Luftvolumenstrom und die Einblastiefe. Die Bio-Cel-Module können in Abhängigkeit der Betriebsparameter in einem Bereich von 0,2 bis 0,8 m³/m²/h (bzw. 0,2 bis 0,5 m³/m²/h für die BC400-Serie) betrieben werden, so dass zum jeweiligen Betriebszeitpunkt der Energiebedarf möglichst gering ist. Herkömmliche Systeme werden mit einem konstanten Luftvolumenstrom, unabhängig vom Betriebszustand, betrieben. In Abhängigkeit des Flusses und der Abwassermatrix wird ein Energiebedarf von 0,2 bis 0,5 kWh/m³ erreicht.

Insgesamt zeigt sich die MBR-Technologie als zukünftige Generation der Abwasserbehandlung. Die Vorteile dieses Prozesses sind neben der hervorragenden Ablaufqualität, die durch den Feststoff- und bakterienfreien Ablauf gegeben ist, der geringe Platzbedarf durch kleinere Belebungsbecken und der Substitution der Nachklärbecken. Die Erfahrungen der letzten Jahre zeigen, dass MBR-Anwendungen sowohl im kommunalen als auch im industriellen Bereich erfolgreich eingesetzt werden können.

Halle A2, Stand 303

cav 435

Bio-Cel-Module

IFAT 2008