Projekt 35572/01

Entwicklung und Erprobung einer solarbetriebenen Membranbioreaktor-Anlage zur dezentralen Aufbereitung und Wiederverwendung von Krankenhausabwässern am Beispiel des Lubaga-Krankenhauses in Kampala/Uganda

Projektdurchführung

Hochschule Karlsruhe - University of Applied Sciences Institut für Angewandte Forschung (IAF)
Moltkestr. 30
76133 Karlsruhe

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des beantragten Projektes war die Entwicklung und die Demonstration eines einfachen, solarbetriebenen Membranbioreaktors (MBR) mit Photovoltaik (PV) in Kombination mit einer nachgeschalteten Aktivkohleeinheit (eng., Granulated Activated Carbon, GAC) zur Wasserwiederverwendung. Dazu wurde im Lubaga Krankenhaus in Kampala, Uganda eine entsprechende Pilotanlage im Ablauf einer bestehenden anaeroben Vorbehandlung + Papyrus-Granulat-Filter (PGF) errichtet und betrieben.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden insgesamt 9 Arbeitspakete (AP) definiert:

AP 1 befasste sich mit dem Entwurf, Konstruktion und den Vortests der Membranen, die als Membranmodule in Deutschland gekauft und nach Kampala geschickt wurden. In Uganda und Afrika gibt es nach derzeitigem Stand keinen Membranhersteller, sodass die Membranmodule importiert werden müssen. Neben der Vorprüfung der Membranen im Labormaßstab wurde das Sensorsystem aufgebaut und getestet. Neben Schwimmerschaltern, Volumenstrom- und Drucksensoren wurde ein Gelöstsauerstoffsensor an eine Auswerteeinheit angeschlossen und auf ausreichende Funktionsfähigkeit getestet. Parallel zu den Vorversuchen an der HKA wurde das Gesamtsystem entwickelt und konstruiert. Das System kombiniert einen 3-Tank MBR inklusive Denitrifikation und einen GAC Filter. Dieses AP bildete die Grundlage für die Pilotversuche im Lubaga Krankenhaus.

Im Rahmen von AP 2 wurden Abwasseranalysen von typischen Krankenhäusern in Uganda durchgeführt. Dabei wurden neben den typischen Abwasserparametern (CSB, BSB, Nitrat, Ammonium, Phosphat) insbesondere pharmazeutische Spurenstoffe (insbesondere Antibiotikarückstände) analysiert.

AP 3 befasste sich mit der Entwicklung eines Konzeptes für die Energieversorgung der Pilotanlage mittels PV. Das Konzept sieht einen teilautonomen Betrieb vor. D. h. die Anlage ist grundsätzlich an das städtische Energienetz angeschlossen, wobei ein Teil der Energie durch PV bereitgestellt wird. Pufferbatterien dienen zur Überbrückung der fast täglich auftretenden Stromausfälle.

AP 4 umfasste den Transport, die Installation und den Betrieb der Pilotanlage vor Ort im Lubaga Krankenhaus. Die Arbeiten wurden gemeinsam von HKA und EQS betreut. Dabei wurden vor Ort Fachkräfte in den praktischen Betrieb der Anlage eingewiesen (Train-the-Trainer Prinzip). CREEK betreute studentische Hilfskräfte (Abschlussarbeiten), die zur Verbreitung der Technologien beitragen. HKA organisierte die Wasseranalytik für die Spurenstoffe durch ein zertifiziertes Labor in Deutschland.

AP 5 befasste sich mit der Bewertung der Wiederverwendung des gereinigten Abwassers im Lubaga Krankenhaus. Insbesondere wurde die Verwendung zur Bewässerung der Grünanlagen des Krankenhauses betrachtet.

In AP 6 wurde von EQS eine Marktstudie und ein Geschäftsmodell und in AP 7 eine sozioökonomische Studie von CREEK erstellt. Der Schwerpunkt lag auf einer Studie über den Einsatz relevanter Antibiotika in Krankenhäusern, deren bisherige Entsorgung und die Akzeptanz der Nutzung von aufbereiteten Krankenhausabwässern. Der Schwerpunkt lag auf einer Studie über die Erfahrungen und die Akzeptanz der Membranbioreaktortechnologie von behandeltem Krankenhausabwasser für die Wasserwiederverwendung.

AP 8 adressierte die Schulungen und die Verbreitung der Ergebnisse und wurde gemeinsam von allen Partnern unter Leitung von HKA durchgeführt. Dabei wurde die langjährige Erfahrung von CREEK mit Schulungen zur Biogasnutzung und PV- Stromerzeugung genutzt.

AP 9 beinhaltete das administrative und finanzielle Projektmanagement und wurde von HKA geleitet.



Ergebnisse und Diskussion

Mit diesem Projekt wurde erstmals eine solarbetriebene MBR-Pilotanlage in einem typischen ostafrikanischen Krankenhaus (Kampala, Uganda) installiert und betrieben. Für die Pilotanlage wurden mit Ausnahme des Membranmoduls und der Überwachungseinheit nur lokal verfügbare Teile verwendet. Die Anlage besteht aus drei Behältern: 1) C-Abbau und Nitrifikation, 2) Denitrifikation, 3) Filtration. Der Filtrationstank wurde mit einem 25 m2 PES-Membranmodul ausgestattet, das einen durchschnittlichen Permeatfluss von 10 - 15 l m-2 h-1 bei einem Saugdruck von 125 mbar erzeugte. Die Anlage zeigte eine CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) – und TOC (eng, Total Organic Carbon)-Eliminationseffizienz von etwa 50 % und eine hohe Nitrifikationsrate von 80 %. Die durchschnittliche Denitrifikationsrate lag bei 20 %. Die Eliminationsleistung für typische pharmazeutische Rückstände stieg nach dem Austausch des nachgeschalteten GAC-Filters auf ca. 90 % (78 behandelte Bettvolumina, BV). Die Eliminationsleistung des GAC-Filters sank auf ca. 25 % bei 4290 BV. Der signifikante Anstieg der Eliminationsleistung für Diclofenac im MBR um 75 % könnte auf die Akklimatisierung des Schlamms aufgrund der langen HRT und SRT zurückzuführen sein. Die Eliminationsleistung des GAC-Filters fiel nach 4290 BV auf ca. 25 % ab. Die Qualität des behandelten Abwassers aus der Pilotanlage war ausreichend für die Wiederverwendung zur Bewässerung des Krankenhausgartens, für die Toilettenspülung und für Reinigungszwecke. Die Pilotanlage mit 20 PV-Modulen mit einer Gesamtleistung von 7 kWp erzeugte durchschnittlich 26,7 kWh pro Tag. Der durchschnittliche tägliche Stromverbrauch lag bei 30,6 kWh. Die Superkondensatorbatterie (Kapazität: 3,55 kWh) war in der Lage, kurze Stromausfälle (ca. 1 Stunde) zu überbrücken. Der Grad der Energieautonomie betrug ca. 43 %, d. h. ein Großteil der Energie wurde von den PV-Paneelen geliefert, während die typischen Stromausfälle vom Netz und von einem Dieselgenerator überbrückt wurden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Webseite: www.reuse4hos.de

Veröffentlichungen:

https://www.h-ka.de/forschen/reuse4hos
De, S. , Hoinkis, J., Solarbetriebene Abwasseraufbereitung für afrikanische Krankenhäuser, Forschung
aktuell, Hochschule Karlsruhe (2022) 34 – 35
De, S., Coutard, M., Hoinkis, J., Solar powered membrane bioreactor (MBR) treating wastewater
for reuse at a hospital in Kampala, Uganda – Results of pilot-scale trials, Environmental Challenges,
under review, http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.4782128

Vorträge:

De, S., Solar-powered membrane bioreactors – a promising technology for water reuse in East
Africa, Technoscape 2023, Sustainable Technologies for Water and Wastewater, Vellore, India
14 - 16 Dec. 2023
De, S., Solar-powered membrane bioreactors – a promising technology for water reuse in East
Africa, IWA Water and Development Congress & Exhibition, Kigali, Rwanda, 10 - 14 Dec. 2023


Fazit

Krankenhäuser sind die Hauptquelle für Arzneimittelrückstände in kommunalen Kläranlagen ostafrikanischer Städte wie Kampala in Uganda. Im Rahmen des Projekts „Reuse4Hos“ wurde eine robuste und kostengünstige Pilotanlage entwickelt – ein solarbetriebener Membranbioreaktor (MBR) mit nachgeschaltetem Aktivkohlefilter (engl. Granular Activated Carbon, GAC) zur Behandlung von Krankenhausabwässern. Die MBR-GAC-Pilotanlage besteht aus einem 25 m2 großen Ultrafiltrationsmodul, 100 kg GAC-Filter, 20 PV-Solarmodulen und einem Superkondensator-Energiespeicher zur Erzeugung von Brauch- und Nutzwasser für Toilettenspülung, Reinigung und Bewässerung. Die Pilotanlage arbeitet mit PV-Energie mit einem Autonomiegrad von ca. 43 %. Stromausfälle von bis zu einer Stunde konnten durch den Energiespeicher überbrückt werden, während Stromausfälle von mehr als einer Stunde durch das PV-Stromnetz des Krankenhauses und einen Dieselgenerator überbrückt wurden. Die Pilotanlage produzierte einen durchschnittlichen Permeatfluss von 10 – 15 l m-2 h-1 mit einer TOC (eng, Total Organic Carbon)-Entfernung von 50 %. Es wurde eine Nitrifikation von 80 % und eine Denitrifikation von 20 % erreicht. Zusätzlich wurde die Elimination von fünf typischen Mikroverunreinigungen untersucht. Die lange Verweilzeit im MBR führte zu einer biologischen Elimination von 75 % von Diclofenac. Die Eliminationsleistung des GAC-Filters sank von anfänglich 90 % (78 behandelte Bettvolumina, BV) nach 4290 BV auf ca. 25 % ab. Die Pilotanlage ist skalierbar und kann an anderer Stelle in Subsahara-Afrika effizient und kostengünstig eingesetzt werden.