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Membrantechnik auf der Kläranlage Seelscheid - Kommunal

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Vorstellung Membrankläranlage <strong>Seelscheid</strong><br />

Martin Weber, Aggerverband<br />

we@aggerverband.de<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Vortragsinhalte<br />

• <strong>Membrantechnik</strong> allgemein<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• Konzeption und wichtige Kenngrößen <strong>der</strong> Membrankläranlage<br />

<strong>Seelscheid</strong><br />

• Beson<strong>der</strong>heiten <strong>der</strong> Anlage in <strong>Seelscheid</strong><br />

• Erfahrungen aus dem Anlagenbetrieb<br />

• Betriebsergebnisse<br />

• Zusammenfassung


Verfahrensbeschreibung und<br />

Einsatzgebiete<br />

Vor- und Nachteile des Membranverfahrens<br />

Vorteile:<br />

+ Vollständiger Feststoffrückhalt<br />

+ Verbesserte Abl<strong>auf</strong>qualität (CSB,<br />

BSB 5)<br />

+ Weitgehend hygienisierter Abl<strong>auf</strong><br />

+ keine Beeinflussung <strong>der</strong><br />

Abl<strong>auf</strong>qualität durch Schwimm-,<br />

Blähschlamm und<br />

Schaumausbildung<br />

+ Geringere Belebungsbeckenvolumina<br />

+ Implementierung bestehen<strong>der</strong><br />

Anlagenkomponenten beim Ausbau<br />

+ Geringer Platzbedarf<br />

+ Modulare Erweiterbarkeit<br />

Nachteile:<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

- Hohe Betriebskosten (Energie-,<br />

Standzeit <strong>der</strong> Membranen,<br />

Chemische Reinigung)<br />

- geringe Pufferkapazität<br />

- wenig Langzeiterfahrungswerte<br />

2011:<br />

Die Nachteile relativieren sich für<br />

die KA <strong>Seelscheid</strong><br />

- Betriebskosten gegenüber 2006<br />

wurden deutlich gesenkt<br />

[S. Beier, ISA, 2006]


Kenndaten<br />

Fluss<br />

Unter <strong>der</strong> Leistungsfähigkeit einer Membran ist <strong>der</strong> Fluss<br />

unter bestimmten Betriebsbedingungen zu verstehen.<br />

Der Fluss ist <strong>der</strong> <strong>auf</strong> die Membranfläche bezogene<br />

Volumenstrom.<br />

Einheit:<br />

L 1 L<br />

=<br />

h * m² h *m²<br />

Bemessungsfluss: 25 L/(h*m²)<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

[S. Beier, ISA, 2006]


Kenndaten<br />

Transmembrandruck<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Druckunterschied zwischen <strong>der</strong> Feedseite und <strong>der</strong> Permeatseite<br />

wird durch die Permeatpumpe o<strong>der</strong> durch hydrostatischen Druck erzeugt<br />

stellt den hydraulischen Wi<strong>der</strong>stand des verwendeten Membranmoduls<br />

inklusive <strong>der</strong> Deckschicht dar<br />

Belebtschlamm: ungefähr 0,2 bis 0,5 bar<br />

Klarwasserbetrieb: unter 0,4 bar (wobei ein Wert von unter 0,1 bar<br />

von einer guten Membrananlage erreicht werden sollte)<br />

[S. Beier, ISA, 2006]


Kenndaten<br />

Permeabilität<br />

Beschreibt die Durchlässigkeit einer Membran<br />

Definiert als Quotient aus dem Fluss und dem<br />

zugehörigen Transmembrandruck<br />

L<br />

Einheit: *<br />

h *m²<br />

bar<br />

Anhaltswert: 150 – 200 L/(m²·h·bar)<br />

Beeinflusst von Membranzustand und Filtrationseigenschaften<br />

des Abwassers<br />

1<br />

=<br />

L<br />

h* m²*bar<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

[S. Beier, ISA, 2006]


Wichtige Begriffe und Grundprinzipien<br />

Foto: Aggerverband<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• Abreinigung Deckschicht durch Cross-Flow-<br />

Belüftung<br />

• Entspannung <strong>der</strong> Membran durch<br />

Unterbrechung <strong>der</strong> Filtration<br />

• Niemals filtrieren<br />

ohne Belüftung<br />

• Bilanz Netto- /<br />

Bruttofluss beachten<br />

• Chemische Reinigung<br />

erfo<strong>der</strong>lich


Eingesetzte Membranmodule<br />

Plattenmodul<br />

simas<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Funktionsprinzip und technische Anordnung <strong>der</strong> Firma KUBOTA [PINNEKAMP und FRIEDRICH, 2006]


Eingesetzte Membranmodule<br />

Anordnung <strong>der</strong> Membranmodule<br />

Modul <strong>der</strong> Firma A3 [PINNEKAMP und FRIEDRICH, 2006]<br />

simas<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Konzeption und wichtige<br />

Kenngrößen <strong>der</strong><br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Membrankläranlage <strong>Seelscheid</strong>


Konzeption und Kenngrößen<br />

Warum <strong>Membrantechnik</strong> in <strong>Seelscheid</strong> ?<br />

• Erweiterung von 7.500 <strong>auf</strong> 11.000 EW<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• beengte Platzverhältnisse, Erweiterungsfläche nicht ausreichend<br />

• schwierige Geländeverhältnisse<br />

• verschärfte Reinigungsanfor<strong>der</strong>ungen<br />

• schlechte Schlammabsetzeigenschaften<br />

• Erfahrungen mit <strong>der</strong> Pilotmembrananlage Büchel seit 1998<br />

• För<strong>der</strong>ung durch MUNLV, dadurch Wirtschaftlichkeit gegeben


Konzeption und Kenngrößen<br />

Charakteristik Einzugsgebiet<br />

• häusliches Abwasser und<br />

Kleingewerbe, keine Industrie<br />

• qualifiziertes Mischsystem,<br />

schnelle und hohe Wassermengenän<strong>der</strong>ungen;<br />

auch durch<br />

Fehlanschlüsse<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Konzeption und Kenngrößen<br />

Bemessung und ÜW<br />

Ausbaugröße: 11.000 EW<br />

max. Wasserm. MBR: 99 l/s<br />

TS MBR : 12 g/l<br />

Überwachungswerte:<br />

CSB: 40 mg/l<br />

BSB 5 : 10 mg/l<br />

N ges.anorg : 18 mg/l (> 12°C)<br />

NH 4 -N: 3 mg/l (ganzjährig)<br />

P ges : 0,8 mg/l<br />

AOX: 50 µg/l<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Konzeption und Kenngrößen<br />

Fließschema<br />

VKB sei 2006<br />

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Konzeption und Kenngrößen<br />

Lageplan<br />

Gewässer<br />

Störfallbecken<br />

Membranfiltration<br />

Sandfang<br />

Belebung<br />

VKB<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Rechenhaus


Konzeption und Kenngrößen<br />

Detail Biologie und Membranbiologie<br />

L R<br />

1 2 3<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Beson<strong>der</strong>heiten<br />

Membranbiologie und Doppel-Deck-Module<br />

• Membrantyp: Kubota Doppel-Deck-Module EK400<br />

• Porenweite Membran = 0,4 µm<br />

• Flux = 28,6 l/m²h (netto)<br />

• TMP bis 400 mbar, Abschaltung bei 600 mbar<br />

Fotos: Aggerverband<br />

simas<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Beson<strong>der</strong>heiten <strong>der</strong> Anlage<br />

Gravity-Flow o<strong>der</strong> Pumpenbetrieb<br />

Permeat-Pumpe<br />

simas<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Gravity-Flow-Schieber


Beson<strong>der</strong>heiten<br />

Konzeption Membranbiologie<br />

L<br />

R<br />

L<br />

R<br />

L<br />

R<br />

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in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• Gravity-Flow (∆h ~ 3,5m) o<strong>der</strong><br />

Pumpenbetrieb möglich<br />

• 2 Reihen pro Straße mit<br />

unterschiedlicher Membranfläche<br />

• Je ein Gebläse pro Halbstraße<br />

• Gebläseanfor<strong>der</strong>ung für Cross-Flow,<br />

Umwälzung o<strong>der</strong> Nitrifikation (Polizeifunktion)<br />

• Flächenzuschaltung in Abhängigkeit von<br />

Zul<strong>auf</strong>wassermenge und Füllstand MBR<br />

(Fuzzy-Steuerung)<br />

• Filtration immer mit Bemessungsfluss o<strong>der</strong><br />

höher zwischen 28 und 35 l/(m²*h)<br />

• Komplexe Regelstrategie für Anwahl<br />

und Tausch <strong>der</strong> Filtereinheiten


Beson<strong>der</strong>heiten<br />

Druck- und Mengenmessungen je Straße,<br />

Umbau Sommer 2008<br />

Prinzipskizze einer Membrankammer (Straße)<br />

• Pro Membrankammer gibt es zwei Halbstraßen (L und R)<br />

• Pro Ebene gibt es jeweils eine gemeinsame Mengenmessung<br />

• Pro Ebene gibt es je eine Druckmessung pro Halbstraße<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Erfahrungen Anlagenbetrieb<br />

Druckverl<strong>auf</strong> bei „Filtration ohne Belüftung“<br />

0<br />

-50<br />

-100<br />

-150<br />

-200<br />

-250<br />

-300<br />

-350<br />

-400<br />

-450<br />

-500<br />

00:33<br />

01:12<br />

01:51<br />

02:30<br />

03:09<br />

03:48<br />

04:27<br />

05:06<br />

KA <strong>Seelscheid</strong> Membranbiologie Straße 1 Saugleitung 1 Unterdruck<br />

05:45<br />

06:24<br />

07:03<br />

07:42<br />

08:21<br />

09:00<br />

09:39<br />

10:18<br />

10:57<br />

11:36<br />

12:15<br />

12:54<br />

13:33<br />

14:12<br />

14:51<br />

15:30<br />

16:09<br />

16:48<br />

17:27<br />

18:06<br />

18:45<br />

19:24<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

20:03<br />

20:42<br />

21:21<br />

22:00<br />

22:39<br />

23:18<br />

23:57


Erfahrungen Anlagenbetrieb<br />

Luftevakuierung in permeatseitiger<br />

Verrohrung<br />

Fotos: Aggerverband<br />

simas<br />

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Erfahrungen Anlagenbetrieb<br />

Undichte Armaturen<br />

Fotos: Aggerverband<br />

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in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Erfahrungen Anlagenbetrieb<br />

Inspektion Membranracks, Mai 2005,<br />

mechanische Vorreinigung ausreichend?<br />

Fotos:<br />

Aggerverband<br />

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in <strong>Seelscheid</strong> e. V.


Erfahrungen Anlagenbetrieb<br />

Verschleimung, Chemische Reinigung<br />

Sept. 2005 vor<br />

Reinigung<br />

Sept. 2005 nach<br />

Reinigung<br />

Mai 2006 vor<br />

Reinigung<br />

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Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Fotos:<br />

Aggerverband


Erfahrungen Anlagenbetrieb<br />

REM-Aufnahmen<br />

1:1000 1:20000<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Zustand neu<br />

Zustand gefoult


Erfahrungen Anlagenbetrieb<br />

Deckschicht mikroskopisch<br />

sehr hohe Fädrigkeit,<br />

Microtrix parviciella<br />

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Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Starke Häufung<br />

koloniebilden<strong>der</strong><br />

Glockentierchen, (Epistylis)<br />

Fotos: Aggerverband


Chemische Reinigung<br />

Allgemeines<br />

Grundsätzliche Notwendigkeit<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• Die Deckschichtbildung <strong>auf</strong> <strong>der</strong> Platte vermin<strong>der</strong>t <strong>der</strong>en Durchlässigkeit und<br />

erfor<strong>der</strong>t neben <strong>der</strong> Cross-Flow-Abreinigung eine gezielte chemische<br />

Reinigung<br />

man unterscheidet:<br />

• Fouling-Effekte (biologischer Bewuchs), Reinigung mit Oxidationsmittel,<br />

z.B. H 2 O 2 o<strong>der</strong> NaOCl<br />

• Skaling-Effekte (Verkrustungen z.B. durch Metallsalze aus <strong>der</strong> Fällung),<br />

Reinigung mit Säuren (z.B. Zitronen- o<strong>der</strong> Oxalsäure)<br />

Man kann Konzentrationen, Einwirkzeiten, Verfahren, Temperatur,<br />

Reihenfolge und die Art <strong>der</strong> Chemikalien variieren.


Chemische Reinigung<br />

Proze<strong>der</strong>e in <strong>Seelscheid</strong><br />

Prinzip:<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• in-situ (im gefüllten Becken, ohne Zul<strong>auf</strong>, Rezirkulation und Belüftung),<br />

Einfüllen <strong>der</strong> Chemikalien rückwärts über die Permeatleitungen<br />

Abl<strong>auf</strong>:<br />

• Ansetzten <strong>der</strong> Chemikalien in einem Ansetztank<br />

• Befüllung <strong>der</strong> Platten über einen Behälter (ohne Pumpe) mit einem max.<br />

Druck von 100 mbar<br />

• Einwirkzeit i.d.R. 2h, Zitronensäure über Nacht aus betr. Gründen<br />

• Rückführung <strong>der</strong> verbrauchten Chemikalien über eine Pumpe in einen<br />

separaten Behälter, von dort aus dosierte Zugabe in die Biologie<br />

• Häufigkeit: 1-2 mal / anno


Permeabilitäten 2010 und 2011<br />

Permeabilitätsentwicklung KA <strong>Seelscheid</strong> 01.12.2008 bis 31.12.2010 ohne<br />

Temperaturkorrektur [l/(m² h bar)]; [SFI]<br />

700,0<br />

600,0<br />

500,0<br />

400,0<br />

300,0<br />

200,0<br />

100,0<br />

0,0<br />

01.01.2010<br />

01.02.2010<br />

01.03.2010<br />

Permeabilität ohne Korrektur Permeabilität mit Korrektur SFI<br />

Temp. MBA bei 6 Modulen. bei 7 Modulen.<br />

Einstellung 30/35 Hz entspricht CF Luftmenge von 0,35 m³N/m²*h<br />

01.04.2010<br />

01.05.2010<br />

01.06.2010<br />

01.07.2010<br />

01.08.2010<br />

01.09.2010<br />

01.10.2010<br />

01.11.2010<br />

01.12.2010<br />

01.01.2011<br />

01.02.2011<br />

01.03.2011<br />

01.04.2011<br />

01.05.2011<br />

01.06.2011<br />

01.07.2011<br />

01.08.2011<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

01.09.2011<br />

01.10.2011<br />

01.11.2011<br />

01.12.2011<br />

01.01.2012<br />

70,0<br />

60,0<br />

50,0<br />

40,0<br />

30,0<br />

20,0<br />

10,0<br />

0,0<br />

Temp. [°C]


Betriebsergebnisse<br />

SüwV 2004 bis 2011<br />

Parameter<br />

CSB<br />

N ges<br />

NH 4 -N<br />

P ges<br />

Zul<strong>auf</strong><br />

[mg/l]<br />

645<br />

76<br />

11,7<br />

Abl<strong>auf</strong><br />

[mg/l]<br />

18<br />

5,2<br />

0,2<br />

0,48<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Wirkungsgrad<br />

[%]<br />

97<br />

93<br />

96


Entwicklung Gesamtenergieverbrauch<br />

• Okt/Nov. 2006: Än<strong>der</strong>ungen Verfahren (VKB statt Anaerobbecken,<br />

Dosiermittel), Reduzierung Nitrif. im MBR (Phase 2)<br />

• Feb. 2008: Austausch Belüfterelemente Biologie, keine Nitirf. mehr im MBR (Phase 3)<br />

2,5<br />

2,0<br />

1,5<br />

1,0<br />

0,5<br />

0,0<br />

1,66<br />

1,11<br />

0,99<br />

1 2 3 4 5 6<br />

Betriebsphasen<br />

0,91<br />

0,86<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• Feb. 2009: Optimierung <strong>der</strong> Belüftungssteuerung (Erkenntnisse aus EnAM), Optimierung Rezi (Phase 4)<br />

• April und Oktober 2010, Februar und Mai 2011: Reduzierung Membranbelüftung (Phase 5 und 6)<br />

Jahr<br />

2006<br />

2007<br />

2008<br />

2009<br />

2010<br />

2011<br />

[kwh]<br />

1.025.534<br />

772.560<br />

626.893<br />

545.023<br />

500.336<br />

413.112<br />

[m3]<br />

588.639<br />

721.017<br />

601.344<br />

603.421<br />

609.807<br />

558.633<br />

2012: 0,70 kwh/m³<br />

0,73<br />

[kWh/m³]<br />

1,74<br />

1,07<br />

1,04<br />

0,90<br />

0,82<br />

0,74<br />

[EW N ]<br />

10.680<br />

8.001<br />

8.039<br />

9.575<br />

9.393<br />

9.500<br />

[kWh/EW<br />

96<br />

97<br />

78<br />

57<br />

53<br />

43


Entwicklung Nettoflussraten<br />

Nettofluss [L/(m²*h)]<br />

40<br />

35<br />

30<br />

25<br />

20<br />

15<br />

10<br />

5<br />

März 09 - Okt 09 und Jan 10 - April 10 April 2010 - Anfang Okt 2010 Okt 2010<br />

Phase<br />

4<br />

5<br />

6<br />

Zeitraum<br />

März 2009 – Okt 2009 und<br />

Jan 2010 – Mitte April<br />

2010<br />

Mitte April 2010 – Anfang<br />

Oktober 2010<br />

Oktober 2010<br />

0<br />

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 9.000<br />

Abwassermenge (im Abl<strong>auf</strong>) [m³/d]<br />

Nettofluss<br />

[L/(m²⋅h)]<br />

29,9<br />

30,1<br />

31,8<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

Bruttofluss<br />

[L/(m²⋅h)]<br />

33,2<br />

33,5<br />

35,3


Zusammenfassung<br />

Bilanz nach 8 Jahren Betrieb in <strong>Seelscheid</strong><br />

• sehr geringe Störanfälligkeit, bisher sehr stabiler Betrieb<br />

simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

• Probleme mit undichten Armaturen und Lufteinschlüssen wurden gelöst<br />

• eine akzeptable chlorfreie Reinigungsstrategie wurde gefunden, die<br />

Reinigungshäufigkeit konnte weiter reduziert werden<br />

• Schlammeigenschaften haben eine hohe Relevanz für die Filtration<br />

• Anlagensteuerung wurde optimiert, Forschungsprojekt EnAM wurde<br />

abgeschlossen<br />

• Energieverbrauch: Zielwert < 0,75 kWh/m³ als Jahresmittelwert<br />

bei guten Permeabilitäten ist erreicht, 2012 ca. 0,70 kWh/m³<br />

• sehr gute Abl<strong>auf</strong>werte<br />

• sehr engagiertes Betriebspersonal


simas<br />

Schulungsinstitut für <strong>Membrantechnik</strong><br />

in <strong>der</strong> Abwasserreinigung<br />

in <strong>Seelscheid</strong> e. V.<br />

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