Projekt 02387/01

Praktische Erprobung von Membranfiltrationen zur Intensivierung der anaeroben und aeroben Reinigung von Industrieabwässern

Projektdurchführung

Universität HannoverInstitut für Siedlungswasserwirtschaft undAbfalltechnik
Welfengarten 1
30167 Hannover

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In der industriellen Abwasserbehandlung wird fortwährend nach neuen, vorteilhafteren Verfahrenstechniken gesucht. Die Mikrofiltration kann die Leistungsfähigkeit einer biologischen Behandlung deutlich verbessern. Der filtrierte Ablauf ist feststofffrei. Damit wird eine Qualität erreicht, die es ermöglicht, das behandelte Abwasser als Brauchwasser einer Mehrfachnutzung zuzuführen. Der belebte Schlamm wird durch die Mikrofiltration vollständig zurückgehalten. Die gezielte Anreicherung spezialisierten Biozönosen, gerade im anaeroben Milieu problematisch, wird damit möglich. Ziel der Untersuchungen war es, die Auswirkungen der Verfahrenstechnik auf die biologische Leistungsfähigkeit zu untersuchen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen der Auswirkungen der Verfahrenstechnik der Querstrom Mikrofiltration auf die Leistungsfähigkeit aerober und anaerober biologischer Schlämme wurden in halbtechnischen Maßstab in mehreren Versuchsreihen durchgeführt. In Vorversuchen (100 l Reaktoren) waren die Auswirkungen va-riierter Maschinentechnik (Pumpen, Membranen, Druckhalteventile) herauszuarbeiten. Das Bauteil, welches den größten Einfluß ausübt (hier: die Pumpen), wurden weitere Versuchsreihen angesetzt. Die Flockenstruktur, Parameter der biologischen Leistungsfähigkeit und der Filtrierbarkeit, wird durch Pumpvorgänge nachhaltig beeinflußt. Die Zerfallsrate war in Abhängigkeit der Pumpen zu untersuchen.
An Hand der Ergebnisse wurde die membrantechnische Ergänzung einer bestehenden halbtechnischen Anaerobanlage (3 Reaktoren á 4 m3) konzipiert und betrieben. Die Steigerung, bzw. der Erhalt der biologischen Schlammaktivität war die Vorgabe, an der sich die Betriebsweise der Membranfiltration orientieren mußte. Die Bestimmung der Aktivität erfolgte über einfache Batchtests, in denen die Gasproduktion bestimmt wurde. Die Membranfiltration wurde füllstandsgeregelt diskontinuierlich, bzw. kontinuierlich mit Permeatrückführung betrieben. Zur Vorabtrennung des Schlammes wurde zeitweise ein Nachklärbecken eingesetzt. Zum Vergleich wurde ein mit schwimmendem Festbett gefüllter Reaktor parallel betrieben. Als Substrate wurde Kartoffelfruchtwasser, essigsäurehaltiges Abwasser und aufgelöste und angesäuerte Sprühsüßmolkepulver eingesetzt.


Ergebnisse und Diskussion

Aerobe Untersuchungen:
In den Testreihen wurden verschiedene Pumpen und Schieber auf ihre Eignungsfähigkeit beim Einsatz in einer Membranfiltration untersucht. Batchversuche waren bewußt auf die Schädigung der Flocke ausgerichtet. Schonende Einflüsse, wie geringere Umwälzraten, oder regenerierende, wie eine Substratzugabe, wurden vermieden. Als Schlamm wurde frischer Überschußschlamm einer kommunalen Kläranlage eingesetzt. Als Ergebnis der Pumpen konnte gezeigt werden, daß Zwangsförder weniger Schaden an der Flockenstruktur anrichten und daher für den Einsatz in einer Biomassenseparation besser geeignet sind als Kreiselpumpen. Für die Druckhalteventile ist eine solch klare Aussage nicht möglich. Die verschiedenen Bauformen zeigten mehr oder weniger die gleiche Einflußnahme auf die Flockenstruktur. Dagegen war der Druckabfall am Ventil ein sehr bestimmender Faktor für die Flockenstruktur. Ein Druckabfall von 2,2 bar am Schieber führte generell zu einer deutlichen Zunahme der feinsten Partikel. Die untersuchten Membranen, eine Ultrafiltration und eine Mikrofiltration, reagierten unterschiedlich auf die Zerstörung der Flocken. Die offenere Mikrofiltrationsmembran reagierte sehr sensibel auf eine Zunahme der feinsten Partikel: der Fluß der Ultrafiltrationsmembran wurde teilweise unterschritten. Bei bei-den Membranen bewirkte eine höherer transmembraner Druck nur zu Beginn der Versuche höhere Flußraten. Nachfolgend reduzierten sich die Werte parallel zur Zunahme der Trübung. Die Ursache für die Abnahme wird daher in der Kompaktierung und Verdichtung der Deckschicht gesehen, bedingt durch einen höheren Anteil an feinsten Partikeln. Die Kinetik einer Membranbiologie unterscheidet von der einer konventionellen Belebung, Untersuchungen zur Bestimmung der Zerfallsrate, des Schlammwachstums und der Stickstoffumsetzung zeigen. Für die zukünftige Anwendung von Membran-Bioreaktoren eröffnet sich hier ein wichtiges Arbeitsgebiet weiterer Forschungstätigkeit.
Anaerobe Untersuchungen:
Als wesentliche Aussage der halbtechnischen Versuche muß festgehalten werden, daß Membran-Bioreaktoren in keinem Fall leistungsfähiger sind als ein parallel eingesetzte Festbettreaktor. Mit dem Festbettreaktor konnten Raumbelastungen von 13 - 15 kg CSB/(m3·d) unter betriebsstabilen Bedingungen umgesetzt werden. Mit den membranunterstützten Reaktoren konnten dagegen nur 6 - 7 kg CSB/(m3·d) umgesetzt werden. Dieser Wert war unabhängig von der Betriebsweise der Reaktoren, wobei folgende Ströme der Membraneinheit zugeführt wurden: der gesamte Reaktorinhalt, Ablauf einer Nachklärung und Überlauf des Reaktors. Darüber hinaus wurde die Kombination Festbettreaktor und Membranfiltrationseinheit untersucht. Die Ergebnisse der Aktivitätstests belegen, daß die mechanische Beanspruchung des Schlammes ursächlich für die mangelnde Leistungsfähigkeit ist. Im zweiten Einsatzfall wurde daher die Zielsetzung verfolgt, den Schlamm dadurch zu schonen, daß die maximale tägliche Laufzeit auf 8 - 12 h begrenzt wurde. Um die reduzierte hydraulische Leistungsfähigkeit des Systems auszugleichen wurde die Zahl der angeschlossenen Membranmodule verdoppelt. Im Versuchs-verlauf zeigte sich, daß die Flußrate der 4 hintereinander geschalteten Module nicht ausreichte, um den Reaktorzulauf so weit zu erhöhen, daß der Reaktor an seine biologische Leistungsgrenze geführt werden konnte. In den Versuchsreihen zu den Auswirkungen kontinuierlicher, bzw. diskontinuierlicher Betriebsweise wurden mit aufgelöstem und angesäuertem Sprühsüßmolkepulver als Substrat deutlich höhere Raumbelastungen erzielt, als mit den anderen Substraten. Die Frage, ob die kontinuierliche oder die diskontinuierliche Betriebsweise zu einer besseren biologischen Leistungsfähigkeit führt, kann an dieser Stelle nicht eindeutig beantwortet werden, es zeigten sich jedoch leichte Vorteile für die diskonti-nuierliche Betriebsweise. Ein signifikanter Unterschied kann nicht herausgearbeitet werden, so daß beide Ansätze gleichberechtigt nebeneinander stehen. Ein deutlicher Vorteil der Diskontinuität zeigt sich bei den Flußraten der angeschlossenen Membranen. Das bedeutet, daß mit der diskontinuierlichen Betriebsweise ein systeminterner Reinigungsmechanismus zur Verfügung steht, der in den bisherigen Modellen zur scherkraftlimitierten Deckschichtbildung nicht enthalten sein kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorträge: WEF Toronto, 1995, IAWQ Singapore, 1996, NVA Amsterdam 1996,
Dissertation: Martin Brockmann, Heft 98 der Veröffentlichungen des Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover


Fazit

Die Zukunft der aeroben membranunterstützten Abwasserreinigung wird wegen der deutlich geringeren Betriebs- und Wartungskosten in der Anwendung der Niederdruckmembranen liegen. Die Anwendung in der anaeroben Abwasserreinigung wird nach den vorliegenden Ergebnissen als eine Lösung für Sonderfälle angesehen. Erst in enger Kopplung mit produktionsintegrierter Kreislaufschließung von Wasserströmen kann sich eine wirtschaftlich sinnvolle Anwendung erschließen. Für die anwendungsorientierte Forschung bieten sich weitere Ansätze, z.B. die Technik der Niederdruckmembranen für den Einsatz in Anaerobreaktoren nutzbar zu machen.