Biomasse abtrennen

S. Krause, R. Voigt, U. Meyer-Blumenroth

Beim Membranbelebungsverfahren zur Abwasserbehandlung wird im Vergleich zum konventionellen Belebungsverfahren statt einer Nachklärung eine Membranfiltration zur Separation der Biomasse vom gereinigten Abwasser verwendet. Somit besteht die Verfahrenseinheit aus einem Belebungsbecken zur biologischen Behandlung des Abwassers und einer Membranfiltration zur Abtrennung des gereinigten Wassers vom belebten Schlamm (Bild 1). Aufgrund der Membranfiltration kann der Biomassegehalt im Belebungsbecken erheblich gesteigert werden. In konventionellen Anlagen beträgt der Trockensubstanzgehalt (TS) zwischen 3 und 5 g/l, im MBR etwa 10 bis 15 g/l. Aufgrund der dadurch verursachten Erhöhung der Viskosität ist ein zu hoher TS-Gehalt nicht zu empfehlen, da der Energiebedarf aufgrund reduzierter Stoffübergänge ansteigt und die Membranmodule aufgrund der reduzierten Turbulenz schneller verschlammen können.

Beim Membranbelebungsverfahren muss das Abwasser zum Schutz der Membranen und Module intensiv mechanisch vorbehandelt werden. Dies erfolgt durch eine Feinsiebung mit einer Spalt- bzw. Lochweite von 0,5 bis 2 mm. Ein hydraulischer Ausgleich ist bei MBR unabhängig vom Konzentrationsausgleich von Bedeutung, da die Membranfläche auf den maximalen Wasserdurchfluss bemessen wird. Es ist insbesondere bei der Betriebsführung darauf zu achten, dass hohe Calcium-Konzentrationen problematisch sein können. In Verbindung mit der eingetragenen Luft oder durch Druckunterschiede kann es zum Ausfallen von CaCO3 führen.

Derzeit gibt es eine Vielfalt an Membranen und Membranmodulkonstruktionen. Gemein ist allen Bauformen die Trennaufgabe, die beim Membranbelebungsverfahren in der Separation des gereinigten Wassers von der Biomasse besteht. Mit Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen können bereits Bakterien abgetrennt werden, so dass diese Membranverfahren ausreichend für die o. g. Trenngrenze sind. Diese werden daher im Bereich der Abwasserbehandlung eingesetzt. Bezogen auf den Membranaufbau existieren für die getauchte Anwendung derzeit zwei verschiedene Grundformen.

Kapillarmembranen werden in der Regel von außen nach innen durchflossen. Die aus Bündeln bestehenden Kapillarmodule zeichnen sich durch eine hohe Packungsdichte aus. Die Kapillaren besitzen eine Länge von etwa 2 m und sind je nach Hersteller beidseitig oder nur an einer Seite fixiert. Die Deckschichtkontrolle wird analog zu den Plattenmembranen durch eine grobblasige Belüftung (Spülluft) angestrebt.

Bei Flachmembranen werden die Membranen parallel zueinander gestapelt bzw. aufgehängt. Unterschieden werden können Platten- und Kissenmodule. Plattenmodule können direkt in das Belebungsbecken eingetaucht werden, Kissenmodule werden extern aufgestellt und vom belebten Schlamm durchflossen. Die Deckschichtkontrolle erfolgt bei Plattenmodulen durch eine grobblasige Belüftung unterhalb der Membranen. Durch einen Einbau kann eine Zwangsströmung entlang der Membran erzeugt werden. Die Packungsdichte dieser Module ist geringer als bei Kapillarmodulen.

Bei Kapillar- und Plattenmodulen sind unterschiedliche Aspekte zu berücksichtigen. Bei Kapillarmembranen ist insbesondere die Problematik der Modulverschlammung und -verzopfung gegeben. Die Verzopfungen entstehen durch Haare und langfaserige Stoffe, die sich um die Membran schlingen und nicht aus dem Modul ausgetragen werden können. Somit wächst die Verzopfung von oben nach unten. Am unteren Ende des Membranmoduls treten Verschlammungen auf, die auf eine unzureichende Durchströmung schließen lassen. Durch beide Effekte wird die aktive Membranfläche reduziert und häufige Reinigungen sind erforderlich. Als Lösungskonzept wird derzeit eine gute mechanische Vorreinigung angeboten (Siebweite <0,5 mm).

Plattenmodule weisen weniger Verzopfungs- bzw. Verschlammungsprobleme auf, da sich einerseits langfaserige Stoffe nicht um die Membran legen können und andererseits im Fußbereich eine hohe Aufwärtsströmung vorliegt. Bei Plattenmodulen besteht aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeiten im Randbereich der Membranhalterung die Gefahr der Randverblockung (Bild 2). Auch von einer Spaltverblockung aufgrund ungleicher Plattenabstände wird berichtet. Als Lösungskonzept werden derzeit die Plattenmembranen mit einer hohen Luftmenge beaufschlagt, um der Verblockung vorzubeugen. Plattenmodule können im Gegensatz zu Kapillarmembranen meistens nicht rückgespült werden, so dass die Reinigungsstrategie eingeschränkt wird.

Durch Ablagerungen auf der Membranfläche wird einerseits die aktive Fläche reduziert und andererseits die transmembrane Druckdifferenz erhöht. Beide Faktoren reduzieren die Permeabilität der Membran. Bei getauchten Membranmodulsystemen wird daher versucht, die Deckschicht durch Lufteintrag im Fußbereich der Module (Spülluft) zu minimieren. Die aufsteigenden Luftblasen erzeugen an der Membranoberfläche Wirbel und Druckunterschiede, die anhaftende Partikel von der Membranoberfläche loslösen. Zusätzlich werden verschiedene Reinigungsstrategien angewendet, dazu zählen:

Als Reinigungschemikalien kommen je nach Abwasserzusammensetzung Säuren oder Laugen und oxidierende Chemikalien zum Einsatz.

Auf Basis dieser Erkenntnisse hat Microdyn-Nadir die Biocel-Module entwickelt (Bild 3). Dabei wurde durch den Einsatz von flexiblen Membrantaschen der Modulverzopfung und -verschlammung präventiv vorgebeugt. Gleichzeitig wurden die Module hydraulisch so optimiert, dass eine effektive und gleichmäßige Überströmung der Membran ohne Randverblockungen ermöglicht wird. Darüber hinaus zeichnen sich die Module durch einen effektiven Rückspülbetrieb, eine hohe Packungsdichte und ein geringes spezifischen Gewicht aus. Als Membranmaterialien haben sich in der Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon (PES) durchgesetzt, da diese u. a. chemisch beständig sind und eine hohe mechanische Stabilität aufweisen.

cav 427