Korrespondenz Abwasser · Abfall - COOPERATIVE Infrastruktur und ...

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sondere zu nennen die vollständige und zu jeder Zeit sichere
Abtrennung der Biomasse vom gereinigten Abwasser, wodurch
hohe hygienische Anforderungen erfüllt werden und die Biomassekonzentration
erhöht werden kann. Aufgrund der hervorragenden
Ablaufqualität und des geringen Platzbedarfs wegen
der höheren Biomassekonzentration werden MBR-Anlagen
vermehrt eingesetzt.
In Industrieanwendungen sind die Gründe für den Einzug
dieser Technologie oftmals wirtschaftlicher Art, da die Kosten
für die Abwasserbehandlung und die Bezugskosten für Trinkwasser
gestiegen sind und Wassereinsparungs- bzw. Wasserrückgewinnungsgedanken
in den Vordergrund treten. Mit MBR
lässt sich ein Wasserrecycling im Prozess leichter realisieren, da
das abfließende Wasser feststofffrei ist und sich für weitere
Aufbereitungsschritte wie zum Beispiele eine Desinfektion,
Nanofiltration oder Umkehrosmose sehr gut verwenden lässt.
In kommunalen Anwendungen haben sich MBR-Anlagen in
Deutschland kaum durchgesetzt, werden aber weltweit in wasserarmen
Regionen vermehrt eingesetzt, da auch hier der
Zwang zum Wasserrecycling gegeben ist.
Trotz der hohen Akzeptanz und steigender Anwendung befinden
sich Teilaspekte des Verfahrens noch in der Weiterentwicklung.
Im Zentrum der Diskussion steht erstens das Foulingverhalten
der Membranen, ausgelöst durch extrapolymere Substanzen
(EPS) (zum Beispiel [1–4]), das heißt die Permeabilitätsabnahme
der Membranen über die Zeit, ausgelöst durch
eine Verschmutzung (Deckschichtbildung) der Membranen. Als
zweites wesentliches Optimierungspotenzial steht der erhöhte
Energiebedarf dieser Technologie im Fokus zahlreicher Publikationen
(zum Beispiel [5–7]).
Um die filtrationsbedingt gebildete Deckschicht wirkungsvoll
zu minimieren und somit den Membrandurchsatz aufrecht
zu erhalten, werden derzeit verschiedene, aufeinander aufbauende
Reinigungsstrategien angewendet:
1. Die Membranen werden, induziert durch eine Belüftung
unterhalb der Membranmodule, mit einem Luft/Wasser-
Gemisch (Crossflow) überströmt.
2. Die Membranen werden in regelmäßigen Abständen mit
Permeat rückgespült bzw. je nach Membrantyp wird der
Filtrationsprozess kurzzeitig unterbrochen (Relaxationsphasen).
3. Dann werden die Membranen entgegen der Filtrationsrichtung
mit einem Chemikaliengemisch gespült (Zwischenreinigung).
4. Als letzter Schritt wird bedarfsweise eine Intensivreinigung
durchgeführt, bei der die Membranen in ein Chemikalienbad
über einen längeren Zeitraum (mehrere Stunden) getaucht
werden.
Die chemischen Reinigungen ziehen einen hohen Chemikalien-
und Personalbedarf sowie Außerbetriebnahmezeiten nach sich,
zudem altert die Membran durch den Chemikalienangriff
schneller, und die Membranersatzkosten steigen somit an. Zusätzlich
sind damit neben den erhöhten Kosten auch negative
Umweltauswirkungen verbunden, zum Beispiel durch Bildung
adsorbierbarer organisch gebundener Halogenverbindungen
(AOX).
Der erhöhte Energiebedarf von Membranbelebungsanlagen
wird hauptsächlich durch die zusätzliche Belüftung zur Erzeugung
eines Crossflows an der Membrane hervorgerufen. Der
Kommunale Abwasserbehandlung
Luftvolumenstrom für die Verminderung der Deckschicht ist
deutlich höher als der Luftvolumenstrom für die Sauerstoffversorgung
der biologischen Stufe.
Ziel der Untersuchungen war es, die chemischen Reinigungen
möglichst zu minimieren und die Verfügbarkeit der Membranen
deutlich zu erhöhen. Durch die höhere Verfügbarkeit
soll als weiteres Ziel der Energiebedarf optimiert werden. Insgesamt
sollte somit ein ökologisch und ökonomisch verbesserter
Prozess entwickelt werden.
Die nachstehenden Untersuchungsergebnisse wurden auch
mithilfe von Forschungsprojekten ermittelt: Die grundsätzliche
Herstellung einer Wirbelschicht mit Partikeln zur mechanischen
Reinigung der Membranen wurden in Rahmen eines Pro-
Inno II-Projekts (Bundeswirtschaftsministerium) in Kooperation
mit der Fachhochschule Osnabrück durchgeführt. Langzeituntersuchungen
an einer Versuchsanlage wurden durch die
Willy-Hager-Stiftung in Kooperation mit der TU Darmstadt unterstützt.
2 Erkenntnisse aus kommunalen MBR
2.1 Energiebedarf
Kommunale MBR-Anlagen weisen einen etwa doppelt so hohen
Energiebedarf wie konventionelle Belebungsanlagen mit Nachklärung
auf. Laut dem nordrhein-westfälischen Umweltministerium
[8] beträgt der Energiebedarf von aeroben Stabilisierungsanlagen
etwa 0,44 kWh/m³. Dieser Vergleichswert wird
herangezogen, da die in Deutschland betriebenen kommunalen
MBR-Anlagen auf eine aerobe Stabilisierung bemessen
sind.
Kommunale Membranbelebungsanlagen weisen in der Praxis
einen mittleren spezifischen Energiebedarf von etwa
1 kWh/m³ auf. Beispiele aus der Literatur werden in Tabelle 1
genannt.
Hauptenergieverbraucher ist bei kommunalen MBR-Anlagen
die Erzeugung des Crossflows zur Überströmung der Module.
Krause [5] hat die einzelnen Stufen einer MBR energetisch
untersucht (Vorbehandlung, biologische Stufe, Filtration)
und alleine für Crossflow-Belüftung einen theoretischen Bedarf
etwa 0,4–0,5 kWh/m³ ermittelt. In der Praxis werden diese
Werte bestätigt: Auf der MBR Nordkanal werden etwa 70 %
der Gesamtenergie für den Crossflow benötigt [6], das entspricht
etwa 0,7 kWh/m³. Die MBR-Anlage Markranstädt weist
für die Crossflow-Belüftung einen Energiebedarf von etwa 0,4–
0,5 kWh/m³ auf, in Monheim entfallen etwa 0,35 bis
0,6 kWh/m³ auf die Crossflow-Belüftung [13].
Insgesamt ist ersichtlich, dass ein Konzept zur Energieoptimierung
von MBR-Anlagen auf der Optimierung der Crossflow-
Belüftung basieren muss, da hier 50–70 % der Gesamtenergie
erforderlich sind.
Anlage Größe Energiebedarf
[kWh/m3 ]
Literatur
Nordkanal 80 000 EW 0,9–1,0 [6]
BeiXiaoHe 60 000 m3 /d 0,73 [9]
Seelscheid 11 000 EW 0,87–1,74 [10]
Monheim 6000 EW 1,0 [11]
Markranstädt 12 000 EW 0,94 [12]
Tabelle 1: Energiebedarf kommunaler Membranbelebungs anlagen
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall · 2011 (58) · Nr. 9 www.dwa.de/KA