Korrespondenz Abwasser · Abfall - COOPERATIVE Infrastruktur und ...

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Werden die Membranmodule direkt in die Nitrifikationszone
getaucht, ergeben sich jedoch energetische Vorteile. Durch
die Crossflow-Belüftung wird als Nebeneffekt Sauerstoff eingetragen,
dieser wird dann für die biologischen Prozesse genutzt.
Zunächst waren die meisten Membranmodule mit grobblasigen
Belüftern zur Crossflow-Erzeugung ausgerüstet, einige Hersteller
von Membranmodulen statten die Module neuerdings mit
fein- bis mittelblasigen Belüftungselementen aus, um neben
der effizienten Überströmung der Module zusätzlich den Sauerstoffeintrag
zu erhöhen. Mit diesen Belüftungselementen, die
einen spezifischen Sauerstoffeintrag von etwa 10 g/(m³ � m)
aufweisen, können bis zu 90 % des erforderlichen Sauerstoffbedarfs
bei kommunalen Kläranlagen abgedeckt werden. Dies
bedeutet, dass die Prozessbelüftung zur Sauerstoffversorgung
dementsprechend kleiner geplant und betrieben werden kann.
Bei einer Anordnung der Membranmodule in separaten Filtrationsbecken
wird der Sauerstoff signifikant weniger genutzt.
Der Sauerstoffgehalt in den Filtrationsbecken, die spezifisch
sehr hoch beaufschlagt werden (in Größenordnungen von 10
bis 20 m³ Luft je m³ Beckenvolumen), ist nahe der Sauerstoff-
Sättigungskonzentration, daher kann nur ein geringer Teil des
Sauerstoffs eingetragen werden. Hier kann lediglich das Volumen
der Filtrationsbecken als biologisch aktiv gerechnet werden.
Die Sauerstoffverschleppung zurück in die Belebungsstufe
ist bei einer Rückführung des Rücklaufschlamms in die Nitrifikationszone
als gering anzusehen (etwa 5 % des erforderlichen
Sauerstoffbedarfs). Allerdings ist zu beachten, dass der
Rezirkulationsstrom aus den Filtrationsbecken zurück in die
Belebungsstufe nicht in die Denitrifikationszone geleitet wird,
da hier die Sauerstoffrückführung aus den sauerstoffgesättigten
Filtrationsbecken zu einer Beeinflussung der Denitrifikation
führen kann [23].
Der energetische Unterschied, resultierend aus der höheren
Sauerstoffausnutzung und dem Wegfall der Rezirkulation, bei
der Anordnung im Belebungsbecken beträgt in kommunalen
Anwendungen etwa 0,1 kWh/m³. In Abbildung 2 ist der Energiebedarf
für eine kommunale MBR theoretisch berechnet [5]
– demnach können MBR-Anlagen mit einer Anordnung der
Membranmodule im Belebungsbecken mit einem spezifischen
Energiebedarf von etwa 0,7 kWh/m³ betrieben werden. Für eine
Variante mit der Integration der Membranmodule in separaten
Filtrationsbecken ergibt sich ein theoretischer Energiebedarf
von etwa 0,8 kWh/m³.
3.3 Chemikalienreduktion
durch mechanische Membranreinigung (MCP)
Um den Nachteilen der regelmäßigen chemischen Reinigungen
entgegenzuwirken, wurde ein Verfahren zur mechanischen Reinigung
(Mechanical Cleaning Process � MCP) entwickelt. In
diesem Verfahren werden Kunststoffgranulate dem belebten
Schlamm zugegeben, die im Becken zirkulieren und über die
Crossflow-induzierte Aufströmung in den Modulen eine Wirbelschicht
ausbilden [24–26]. Das Granulat tritt zwischen den
Membranplatten mit der filtrationsbedingt ausgebildeten Deckschicht
aus Schlammpartikeln in Wechselwirkung (Abbildung
3). Dabei löst die Impulsenergie der einzelnen Granulatpartikel
Teile der Deckschicht von der Membran ab. Dieser Effekt
verstärkt so nachhaltig die Reinigung aus der Membranüberströmung
durch den Crossflow. Neben der Minimierung des
Membranfoulings wird auf diese Weise zudem der kritische
Kommunale Abwasserbehandlung
40%
20%
0%
MCP (Straße#2)
Referenz (Straße#1)
Zwischenreinigung Referenz
0 20 40 60 80 100
Abb. 4: Versuchsphase I: Parallelbetrieb mit und ohne Granulatzugabe
Fluss, also der spezifische Fluss, bei dem die Deckschicht nicht
mehr durch den normalen Crossflow resuspendiert werden
kann, deutlich erhöht. Weiterführende Erläuterungen zur Problematik
des kritischen Flusses sind [28] zu entnehmen. In einem
zweijährigen Pilotversuch wurde untersucht, inwieweit eine
Deckschichtbildung durch die mechanische Reinigung minimiert
werden kann. Das Verfahren wurde in einer Versuchsanlage
der Microdyn-Nadir GmbH erprobt.
Versuchsanlage zur Erprobung der mechanischen Reinigung
Die Versuchsanlage (Belebungsvolumen 3,0 m³) besteht aus
zwei parallel angeordneten Filterkammern (je 0,33 m³), einem
Nitrifikationsbecken und einem Denitrifikationsbecken. Die
Versuchsanlage wurde mit getauchten Flachmembranen (PES)
BIO-CEL ® der Firma Microdyn-Nadir mit einer effektiven Fläche
von jeweils 10 m² ausgestattet. Die Trenngrenze der Membran
wird mit nominal 150 kDa angegeben. Dies entspricht in
etwa einem Porendurchmesser von 0,04 μm. Es wurden zwei
Module parallel mit gleichen Zeitzyklen (Filtration 8,5 min, Relaxation/Rückspülen/Relaxation
jeweils 0,5 min) betrieben,
wobei ein Modul ohne und ein Modul mit der mechanischen
Reinigung (MCP) betrieben wurde.
Die Untersuchungen wurden über einen Zeitraum von zwei
Jahren mit synthetischem Abwasser durchgeführt. Straße 1
und 2 wurden mit identischem belebtem Schlamm aus der Belebungsstufe
mit einer TS-Konzentration von ca. 10 g/L und
mit einem Schlammalter von über 50 Tagen betrieben.
Straße 1 fungierte als Referenzstraße. In die Filtrationskammer
der Straße 2 wurden Granulate mit einer Konzentration
von 4 kg/m³ zugegeben, um die Foulingschicht kontinuierlich
abzulösen. Die Granulate wurden abgesiebt und verbleiben
ausschließlich in der Filtrationskammer. Im Ablauf der Straße
2 wurde eine Trübungsmesssonde installiert, um den Membranzustand
kontinuierlich zu überwachen.
Analysen
Während des Versuchszeitraums wurden die Ablaufqualität
(Trübung, CSB), die Betriebsbedingungen (O 2, Temperatur, TS,
pH-Wert) sowie Fluss und Transmembrandruck (TMP) messtechnisch
online erfasst und registriert. Anhand des TMP und
des Flusses wurde die Permeabilität berechnet und für die Beurteilung
des aktuellen Membranzustands verwendet.
KA Korrespondenz Abwasser, Abfall · 2011 (58) · Nr. 9 www.dwa.de/KA
Permeabilität [%]
140%
120%
100%
80%
60%
Betriebstage