Das getauchte Membranmodul Bio-Cel wurde mit dem Ziel entwickelt, neben einer hohen Betriebssicherheit auch niedrigere Investitions- und Betriebskosten für Membranbelebungsanlagen zu erreichen. Zur Erprobung des Membranmoduls wurde auf dem Gelände des Kalle-Albert-Industrieparks in Wiesbaden eine Versuchsanlage installiert und über mehrere Monate betrieben.
Stefan Krause, Ulrich Meyer-Blumenroth, Reinhard Voigt
In der industriellen und kommunalen Abwasserbehandlung werden vermehrt Membranbelebungsreaktoren (MBR) eingesetzt, wobei die Biomasse mit Membranen vom gereinigten Abwasser abgetrennt wird. Die Vorteile der Kombination aus biologischer Behandlung und Membranfiltration sind ein stabiler Abbau der Schmutzstoffe und ein feststofffreier Ablauf der für Wiederverwendungszwecke direkt genutzt werden kann. Zudem weisen MBR einen geringen Platzbedarf auf und sind durch einen modularen Aufbau flexibel zu erweitern. Andererseits haben MBR einen im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen erhöhten Energiebedarf und benötigen eine regelmäßige Reinigung der Membranen aufgrund von Ablagerungen an der Membranfläche (Fouling und/oder Scaling). Insgesamt zeigt sich aber, dass MBR eine ausgereifte Technik darstellen, die zukünftig vermehrt eingesetzt werden wird.
Auf dem Gelände des Kalle-Albert-Industrieparks sind mehr als 80 Unternehmen angesiedelt, deren Abwasser zentral gesammelt und auf der biologischen Abwasserreinigungsanlage 2-stufig behandelt wird. Die Gruppe der Unternehmen ist sehr heterogen zusammengesetzt, da unterschiedliche Branchen vertreten sind, z. B. pharmazeutische Unternehmen, Hersteller von Wirksubstanzen für flüssige Spül- und Reinigungsmittel oder ein Produzent von industriell hergestellten Wursthüllen auf Viskose-, Polymer- und Textilbasis. Das Abwasser ist dadurch ein regelrechter Gemischtwarenladen, der zusätzlich Problemstoffe wie beispielsweise Lösemittel, Reste der pharmazeutischen Industrie, Methylcelluloserückstände und hohe Salzgehalte enthält. Der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB) beträgt etwa 4700 mg/l (±1000 mg/l) im Zulauf zur Belebungsstufe.
Die Versuchsanlage wird mit neutralisiertem, mechanisch vorbehandeltem Abwasser beschickt. Die Versuchsanlage beinhaltet eine weitere Vorbehandlungsstufe (1 mm Feinsieb) sowie eine Denitrifikations- (4 m³) und Nitrifikationsstufe (8 m³). Innerhalb des Nitrifikationsbeckens ist das getauchte Bio-Cel-Modul von Microdyn-Nadir installiert, das den belebten Schlamm vom behandelten Abwasser abtrennt. Die installierte Membranfläche beträgt 60 m².
Zuverlässiges und rückspülbares Membranmodul
Das installierte Bio-Cel-Membranmodul wurde im Hinblick auf sehr hohe Zuverlässigkeit sowie geringe Investitions- und Betriebskosten entworfen. Das Kernstück des Moduls ist eine selbsttragende, rückspülbare Membrantasche, die ohne die sonst üblichen Platten in das Modul installiert wird. Aufgrund der flächigen Absaugung des Permeates können die Membrantaschen randlos installiert werden und weisen nur geringe Strömungsverluste innerhalb der Taschen auf. Die Rückspülbarkeit wird durch eine flächenhafte Verbindung zwischen Drainage und Membran erzielt. Die Membrantaschen sind lediglich 2 mm dünn. Die Membran selbst besteht aus permanent hydrophilisiertem Polyethersulfon (PES) und hat eine Porengröße von ca. 0,04 µm (Ultrafiltration). Alle weiteren Materialien bestehen aus Polyester, wodurch die Membrantasche eine hohe chemische Stabilität erhält.
Versuchsergebnisse der Kalle-Albert-Anlage
Die CSB-Konzentration im Zulauf zur Belebungsstufe betrug während der Versuchsphase etwa 4700 mg/l mit starken Schwankungen. Die Versuchsanlage wurde bei einem für MBR üblichen TS-Gehalt von 12 g/l und bei einer Raumbelastung zwischen 1 und 5 kg CSB/(m³·d) betrieben.
Der belebte Schlamm ist – wahrscheinlich aufgrund der Methylcelluloserückstände aus der Produktion – im Vergleich zu kommunalen Schlämmen schlecht zu filtrieren. Zur Bestimmung der Filtrierbarkeit wurden Testzellenversuche durchgeführt. Vergleichswert ist die Permeabilität mit Leitungswasser. Wird der Fluss nach 10 min als Bewertungskriterium herangezogen, so liegt der Filtrationsindex (bezogen auf den Wert von Leitungswasser) bei 0,17. Ein Schlamm kommunaler Herkunft hingegen wies bei den Tests einen Verhältniswert von 0,68 auf, demnach 4-fach höher als der belebte Schlamm der Versuchsanlage. Dadurch zeigt sich die äußerst schlechte Filtrierbarkeit dieses belebten Schlamms. Insgesamt wurden – unter Berücksichtigung der Abwassersituation – gute Flüsse durch die Membran realisiert.
Die durchschnittliche CSB-Elimination lag bei 60 %, was durch die aerob schlecht abbaubare Methylcelluslose zu erklären ist. Zum Vergleich: Der großtechnische Tropfkörper der ersten Stufe der Kläranlage hat bei gleicher Raumbelastung eine CSB-Elimination derselben Größenordnung.
Der Energiebedarf der Versuchsanlage (ohne Vorbehandlung) beträgt nur ca. 1,0 kWh je m³ behandeltes Abwasser (rechnerisch ermittelt). Davon entfallen lediglich 0,2 kWh/m³ auf die feinblasige Belüftung zur Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen. Der geringe Energiebedarf zur Sauerstoffversorgung ergibt sich aufgrund der Installation des Membranmoduls im Nitrifikationstank.
Das Crossflow-Belüftungssystem ist ebenfalls mit feinblasigen Belüftungselementen ausgestattet, die einen hohen Beitrag zum Sauerstoffeintrag leisten. Der Energiebedarf des Crossflow-Belüftungssystems beträgt in dieser Anwendung etwa 0,7 kWh/m³.
Insgesamt konnte trotz schwieriger Abwassersituation ein erfolgreicher Betrieb der Bio-Cel-Module demonstriert werden.
cav 462
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