Projekt 19898/02

Entwicklung und Erprobung eines kostengünstigen Membranmoduls zur Biomasseabtrennung beim Belebungsverfahren in der kommunalen und industriellen Abwasserbehandlung

Projektträger

A3 Water Solutions GmbH
Magdeburger Str. 16a
45881 Gelsenkirchen
Telefon: 0209/98099-804

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen der Phase I des Projektes wurde ein Membranfiltrationsmodul entwickelt. Prototypen des Moduls wurden untersucht und erste Verbesserungen vorgenommen. Es konnte in ersten Versuchen in belebtem Schlamm eine vergleichsweise hohe Filtrationsleistung und Permeabilität des Moduls ermittelt werden. In der Phase II des Projektes sollte eine Pilotanlage errichtet und mit den Modulen bestückt werden. Es waren dabei Versuche mit kommunalem Abwasser geplant. Während dieser Erprobung sollten Leistungsuntersuchungen der Membranfiltrationsmodule, Reinigungsuntersuchungen sowie der Betrieb von so genannten Mehrdecker-Varianten zur Betriebskostenreduktion durchgeführt werden. Gleichzeitig sollte der in Phase I zur Strömungsuntersuchung eingesetzte Modulteststand mit den gleichen Schlämmen beschickt werden wie die Pilotanlage. Die Übertragbarkeit der bisher erzielten Messergebnisse bezüglich Durch- und Umströmung des Moduls sollte überprüft und weitere Betriebsoptimierungen sollen vorgenommen werden. Parallel zu diesen Erprobungen sollte das Filtrationsmodul weiterentwickelt wer-den. Schwerpunkte waren unter anderem die Verbesserung der Modulgeometrie und der Deckschichtkontrolle. Die Arbeiten sollten im Wesentlichen mittels numerischer Simulation der im Modul stattfinden-den fluiddynamischen Vorgänge sowie der Erprobung im Modulteststand durchgeführt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie aufgeführten Entwicklungs- und Erprobungsaufgaben wurden im Rahmen des Projektes durchgeführt.
Bau und Betrieb einer halbtechnischen Pilotanlage mit kommunalem Abwasser und belebtem Schlamm
Weiterentwicklung eines verfahrenstechnisch optimierten Membranfiltrationsmoduls
Durchführung fluiddynamischer Simulationsrechnungen
Betrieb des Modulteststands zur Überprüfung der fluiddynamischen Simulation
Weiterentwicklung der Deckschichtkontrolle sowie der Reinigungs- und Regenerationsprozesse für das Filtrationsmodul.


Ergebnisse und Diskussion

Zur Erprobung der entwickelten Filtrationsmodule wurde von der A3 Water Solutions GmbH eine halb-technische MBR-Anlage gebaut und betrieben. Die Behandlung von kommunalem Abwasser erfolgte mit dem Prototyp M70 002 unter Realbedingungen. Dabei wurden verschiedene Betriebskonzepte im Hinblick auf
hydraulische Leistungsfähigkeit mit hydraulischen Lastphasen
Regelparameter des hydraulischen Betriebs
Belüftungsstrategie zur Optimierung des Energiebedarfs
Reinigungsstrategien untersucht.

Zusammenfassend lässt sich auf Grundlage der ermittelten Versuchsergebnisse festhalten, dass mit dem Prototyp M70 002 ein leistungsfähiges und wirtschaftliches Membranmodul entwickelt worden ist.
Für die Vorhersage der Zirkulationsgeschwindigkeit in Schlaufenreaktoren mit Plattenmembranmodulen wurde parallel zur Erstellung eines mathematischen Modells Strömungsmessungen in der halbtechni-schen MBR-Anlage durchgeführt. Bei den Strömungsuntersuchungen wurden folgenden Aspekte betrachtet:
erforderliche Belüftungsrate für die Modulbelüftung
Viskositätseinfluss des zu filtrierenden Mediums
Modifikation der Belüftungseinheit
Modifikation der Modulposition im Reaktor
Geschwindigkeiten im Abströmbereich (downcomer).

Dabei konnte festgestellt werden, dass höhere Belüftungsraten eine unterproportionale Steigerung in den Geschwindigkeiten zur Folge haben. Eine hohe Belüftungsrate garantiert damit nicht unbedingt eine bessere Abreinigung der Membranoberfläche.
Die Untersuchungen des Blasenaufstiegs zwischen ebenen Platten zeigten eine Steigerung der Wandschubspannung von über 300 % bei einer Reduzierung des Plattenabstandes auf 5 mm gegenüber den gegenwärtig verwendeten 7 mm. Mit der weiteren Verringerung des Plattenabstandes auf 3 mm steigt zwar die Wandschubspannung noch moderat an, allerdings erhöht sich die Gefahr der Spaltverblockung durch faserige Anteile im Abwasser. Für den Plattenabstand von 5 mm wurden die höchsten Wandschubspannungen für Blasen mit einem Durchmesser von 5 mm ermittelt. Diese Ergebnisse wurden für Luftblasen in ruhendem Wasser berechnet. Die Untersuchungen für Blasen in zirkulierendem Belebtschlamm stehen noch aus.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse werden von der A3 GmbH auf Fachtagungen (Essener Tagung; Aachener Membrantagung Kasseler Membrantage der DWA) vorgestellt.


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus praktischen Betriebsversu-chen, Geschwindigkeitsmessungen und mathematischer Modellierung einen vielseitigen Ansatz für die Entwicklung von Modulen und deren Betriebskonzepten darstellt. Die Untersuchungen konnten neue Ergebnisse auf dem Gebiet der Strömungslehre aufzeigen und Hilfestellung beim Betrieb von Membranbioreaktoren geben. Es wurde bei den Untersuchungen deutlich, wie komplex die Strömungsverhältnisse in einem solchen Reaktor sind und dass hier - genau wie auf dem Gebiet der herkömmlichen Schlaufenreaktoren - immer noch weiterer Forschungsbedarf besteht