Projekt 15925/01

Entwicklung optimierter Verfahrenskonzepte für membrangestützte aerobe Abwasserbehandlung durch Parallelbetrieb einer geplanten Technikumsanlage und einer bestehenden Pilotanlage

Projektdurchführung

Technische Universität BerlinInstitut für Verfahrenstechnik
Str. des 17. Juni 136
10623 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die konkrete Umsetzung der Membrantechnologie in der kommunalen Abwasserreinigung wurde bislang - trotz prognostizierter großer Vorteile - durch eine Reihe von unbeantworteten technischen und ökonomischen Fragen erschwert. Zu deren Klärung sollten in diesem Projekt folgende Kernthemen bearbeitet bzw. untersucht werden: Entwicklung eines möglichst leistungsfähigen Anlagenkonzepts, Langzeitverhalten der Membranen, Möglichkeiten zur Phosphatelimination, Kostenanalyse und -vergleich zu konventionellen Behandlungsverfahren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie experimentellen Untersuchungen wurden in einer neu zu errichtenden Technikumsanlage (130 l) und einer parallel betriebenen Pilotanlage (4 m3) mit kommunalem Abwasser ausgeführt. Der kleine Anlagenmaßstab erlaubte einen modularen und flexiblen Anlagenaufbau, mit dem in kurzer Zeit verschie-dene Verschaltungsmöglichkeiten realisiert und getestet sowie Parametervariationen durchgeführt werden konnten.
Zunächst wurde im Parallelbetrieb die Vergleichbarkeit der beiden Anlagen erfasst. Nach sechs Monaten wurde der Einfluss verschiedener Verfahrensparameter (u. a. Gasbelastung, Temperatur, interne Zirkulationsströme, Belastungsspitzen) auf den Abbau der relevanten Konzentrationen CSB, P, N, Überschussschlammbildung und Viskosität des Reaktorinhalts untersucht. Teilweise simultan wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Verfahrensverschaltungen und Verweilzeiten auf das Abbauverhalten und die Überschussschlammproduktion bestimmt. Der Einfluß unterschiedlicher Membranreinigungsstrategien wurde anhand des Permeatflusses verfolgt. Schließlich wurden die Konsequenzen verschiedener Phosphateliminationsmethoden für das Abbauverhalten und die Überschussschlammproduktion ermittelt.
Im Rahmen der Kostenanalyse wurde eine Literaturdurchsicht, eine Kostenzusammenstellung sowie die Konzeption eines kostenoptimierten Verfahrens erarbeitet.


Ergebnisse und Diskussion

Die zu diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen dienten dazu, Lösungen oder Lösungsansätze für noch nicht geklärte technische Fragen offenzulegen, um damit die konkrete Umsetzung der Membrantechnologie in der kommunalen Abwassertechnik zu erleichtern. Grundlagen hierfür lieferten Unter-suchungen an einer Pilotanlage (3,6 m³) des Umweltbundesamtes in Berlin, welche 1997 erstmals in Betrieb genommen wurde und bis Ende 1998 sehr gute Betriebsergebnisse erzielte. Nach Modifikation der Anlage war diese im Rahmen des Projektes wieder in Betrieb genommen worden. Um eine flexible Versuchsdurchführung zu gewährleisten und spezielle Fragestellungen näher zu untersuchen, wurde eine Technikumsanlage (160 l) weitgehend analog zur Pilotanlage konstruiert und aufgebaut. Es konnte gezeigt werden, dass die Anlagen unterschiedlicher Maßstäbe eine vergleichbare Eliminationsleistung hinsichtlich der Kohlenstoffverbindungen aufwiesen. In beiden Anlagen konnte eine stabile Nitrifikation und eine sehr gute Denitrifikation beobachtet werden. Es wurden unterschiedliche Strategien bezogen auf das Abziehen von Überschussschlamm verfolgt. Ein Betrieb ohne Überschussschlammanfall war nicht möglich, da selbst bei sehr niedrigen Schlammbelastungen und einem hohen rechnerischen Schlammalter Überschussschlamm produziert wurde. Das Filtermodul lieferte im Anschluss an eine chemische Reinigung nach 1,5 Jahren vergleichbare Permeabilitäten wie direkt nach Inbetriebnahme, es konnte in dem Zeitraum keine Alterung des Moduls beobachtet werden. In einem Temperaturbereich von 10 - 30°C und einem variierenden Trockensubstanzgehalt von 12 bis 35g/l überlagerte der Einfluss des Trockensubstanzgehaltes auf die Permeabilität den Temperatureinfluss deutlich. Für die Pilotanlage konnte ein Wert für die Betriebspermeabilität von ca. 56 l/m²/h/bar angegeben werden, welcher sich nach etwa 3 Monaten einstellte. Innerhalb einer Betriebszeit von 654 Tagen wurde das Filtermodul der Pilotanlage zwei Mal chemisch gereinigt. Die Untersuchung der Potentiale von Verfahrensänderungen zeigte an Hand der Laboranlage gute Ergebnisse bei Betrieb der Anlage mit einer zwischengeschalteten Denitrifikationskammer. Auch bei einer solchen Verschaltung konnte eine gute CSB-Elimination, Nitrifikation und Denitrifikation beobachtet werden. Parallele Untersuchungen des Umweltbundesamtes hinsichtlich der Hygienisierung zeigten einen Kläranlagenablauf einer hygienisch sehr guten Qualität.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

K. Kubin, S. Rosenberger, M. Kraume: Substratabbau in Membranbioreaktoren mit mehrstufiger Nitrifikation, in: Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwassertechnik, Begleitbuch zur 4. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, 11./12. 09.2001
K. Kubin, S. Rosenberger, M. Kraume: Bedeutung der Betriebsweise für die Auslegung von Membranbioreaktoren, in: Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwassertechnik, Begleitbuch zur 4. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, 11./12. 09.2001
K. Kubin, M. Kraume, W. Dorau: Investigation of Nitrogen Removal in a Cascaded Membrane Bioreactor, in: Water Science and Technology, issue 4-5 of volume 46 (2002)
K. Kubin, M. Kraume: Einfluss der Kaskadierung auf Biomassewachstum und Substratabbau in einem Membranbioreaktor; GVC/DECHEMA-Fachausschusssitzung Produktionsintegrierte Wasser-/Abwassertechnik Bremen, 06. - 08.09.2000
K. Kubin, M. Kraume: Substratabbau in Membranbioreaktoren mit mehrstufiger Nitrifikation; Poster, 4. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, 11./12. 09.2001


Fazit

Es konnte eine gute Vergleichbarkeit der Anlagen unterschiedlichen Maßstabes festgestellt werden. Die Ergebnisse legitimierten die Durchführung von Versuchen an Laboranlagen und die Übertragbarkeit auf großtechnische Anlagen. Es konnte ein leicht verändertes Abbauverhalten bei Variation der internen Vermischung beobachtet werden. Hier sei bei Versuchen im Labormaßstab auf die exakte Übertragbar-keit besonders Wert gelegt.
Ein Betrieb ohne Überschussschlamm war nicht möglich. Durch die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurde ein Bereich der Trockensubstanzkonzentration von 12 - 16 g/l als optimal angesehen. Bei höheren Konzentrationen konnte ein sicherer Betrieb der Anlagen nicht gewährleistet werden. Die Kaskadierung bot grundsätzlich den Vorteil der besseren Anpassung des Sauerstoffbedarfs der einzelnen Reaktoren und damit die Möglichkeit, mit einer minimalen Belüftung eine vollständige Nitrifikation zu gewährleisten und Energie einzusparen. Die örtlich simultan ablaufende Denitrifikation war als positiv zu bewer-ten, da der Sauerstoffrückgewinn eine Energieeinsparung lieferte.
Die beobachtete hygienisch gute Ablaufqualität ermöglichte eine Wiederverwertung des Permeates. Es bestand weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der weitergehenden Aufbereitung des Permeates und der Kreislaufschließung.