Projekt 20326/01

Wissenschaftliche Erforschung der Ursachen der Belagsbildung auf Membrandruckluftbelüftungselementen in Abwasserbehandlungsanlagen und Ableitung von Maßnahmen zur Behebung

Projektdurchführung

Technische Universität Darmstadt IWAR - Fachgebiet Abwassertechnik
Franziska-Braun-Str. 7
64287 Darmstadt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Beim Einsatz feinblasiger Membranbelüftungselemente kann es aus verschiedenen Gründen zu einem Verlust an Leistungsfähigkeit des Belüftungssystems kommen. Dieser Leistungsverlust entsteht durch Veränderungen an den Belüftungselementen für die der Begriff der Belagsbildung auf Belüftungsmembranen geprägt wurde. Dabei steigt praktisch immer der Druckverlust der Belüftungselemente an, oft nimmt gleichzeitig die Sauerstoffausnutzung ab. Insgesamt steigt der Energiebedarf der Drucklufterzeuger daher deutlich an. Für die Reinigung oder den Austausch der Belüftungselemente oder -membranen entstehen naturgemäß weitere Kosten. Die Ursachen und Zusammenhänge der Belagsbildung wurden dennoch bisher nur unzureichend Untersucht. Im Rahmen des Projekts sollte festgestellt werden, ob bestimmte Betriebsbedingungen ursächlich für die Belagsbildung sind. Weiterhin sollten Gegenmaßnahmen, Reinigungsverfahren sowie der Einsatz von Silikon als alternatives Membranmaterial, auf Wirksamkeit und Nachhaltigkeit überprüft werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm ersten Teil der Untersuchungen wurden je 18 Belüftungselemente an Versuchsständen unter praxisnahen Bedingungen in den Belebungsbecken von drei kommunalen Abwasserreinigungsanlagen betrieben und fortlaufend beobachtet. Im zweiten Teil der Untersuchungen wurden die aus den Versuchsständen entnommenen Belüftungselemente hinsichtlich ihrer abwassertechnischen Gebrauchstauglichkeit untersucht. Dabei wurde die Veränderung der Sauerstoffausnutzung und des Druckverlustes gegenüber dem Neuzustand gemessen und daraus die Zunahme des Energiebedarfs der Belüftung berechnet. Weiterhin wurden verschiedene Reinigungsverfahren zur Behandlung der Belüftungselemente angewandt und ihr Reinigungserfolg bewertet. Dabei wurde auch die Dauerhaftigkeit der Reinigungswirkung in die Bewertung mit einbezogen. Im dritten Teil der Untersuchungen wurden an den Belüftungsmembranen auftretenden Veränderungen im Detail durch Mikroskopien, Materialanalysen und für die Untersuchung von Belüftungselementen neue entwickelte Untersuchungsmethoden untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Die Veränderungen an den Belüftungselementen konnten durch die Bearbeitung des Forschungsprojektes in die Kategorien
Bildung eines Biofilms auf der Belüftungsmembran,
Veränderung des Membranwerkstoffs und
Entstehung von Ablagerungen in den Belüftungsschlitzen
eingeteilt werden.
Auf Belüftungsmembranen bildet sich wie auf allen Oberflächen die sich im Belebtschlamm als Nähr- und Impfmedium befinden ein Biofilm. Dieser Biofilm ist zumeist unproblematisch, da er im allgemeinen nicht wie früher angenommen in die Belüftungsschlitze hineinwächst. Daher kann er allein aufgrund seiner räumlichen Lage keinen Widerstand für die Luftströmung bilden um so den Druckverlust zu erhöhen. Die Beläge bestehen praktisch immer aus verschiedenen Schichten unterschiedlichster Zusammensetzung, die sich in ihrer Farbgebung widerspiegelt.
Die Untersuchung gebrauchter Belüftungselementen konnte zeigen, dass alle Belüftungsmembranen aus EPDM im Betrieb schrumpfen. Letztlich stellt sich nur die Frage, ob es während der zu erwartenden Einsatzdauer der Belüftungselemente durch das Schrumpfen zu Problemen kommt, oder ob die Schrumpfung in einem tolerablen Bereich bleibt. Bei einigen Belüftungselementen führte die Veränderung des nicht mehr gehandelten Membranmaterials noch innerhalb des Versuchszeitraums zur Unbrauchbarkeit der Belüftungselemente. Es konnte kein maßgeblicher Einfluss eines bakteriellen Abbaus von Membranbestandteilen wie z.B. den Weichmachern nachgewiesen werden. Demgegenüber konnte gezeigt werden, dass sich Silikonmembran im Betrieb dehnen.
Der zur Bildung von Ablagerungen in den Belüftungsschlitzen führende Prozess konnte durch mikro-skopische Untersuchungen und Materialanalysen rekonstruiert werden.
Der Druckverlust der Belüftungselemente mit Silikonmembranen ist sowohl im Neuzustand als auch unter Betriebsbedingungen im Allgemeinen höher als der von vergleichbaren Belüftungselementen mit EPDM-Membranen. Die Sauerstoffausnutzung der Belüftungselemente mit Silikonmembranen hat sich nach dem Betrieb in den Versuchsständen oft geringfügig gegenüber dem Neuzustand verbessert, während die Sauerstoffausnutzung der Belüftungselemente mit EPDM eher gleich blieb oder geringfügig abnahm.
Die Wirkung von Reinigungsmaßnahmen war im Einzelfall sehr positiv. Da die Reinigungswirkung aber nur wenige Wochen anhält, sollten zukünftig solche Methoden weiter untersucht und optimiert werden, die ohne Betriebsunterbrechungen durchgeführt werden können, wie z.B. die Eindüsung von Reinigungschemikalien in den Luftstrom. Besonders erfolgversprechend ist eine auf die Vermeidung des Druckanstiegs angepasste Betriebsweise der Belüftung die z.B. durch wöchentliche Betriebspausen möglich ist. Es konnte nachgewiesen werden, dass der während des kontinuierlichen Betriebes ansteigende Druckverlust unmittelbar nach der Betriebsunterbrechung auf ein Minimum abfällt und danach kontinuierlich bis zur nächsten Betriebsunterbrechung ansteigt. Demgegenüber führt der intermittierende Betrieb der Belüftung aber zu vergleichsweise hohen Druckverlusten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

2 nationale und 3 internationale Veröffentlichung, diverse Vorträge bei nationalen und internationalen Fachkonferenzen; Die Projektergebnisse sind auch nach Abschluss des Forschungsprojektes Bestandteil weiterer Vorträge und Veröffentlichungen.


Fazit

Das Forschungsprojekt erbrachte zahlreiche neue Erkenntnisse auf einem Gebiet, das in den letzten Jahren von der Forschung kaum berücksichtigt wurde. Die Erkenntnisse des Projektes sind ein Beitrag zur Aufrechterhaltung der Effizienz des in industrialisierten Ländern meistgenutzten Belüftungsverfahrens. Zuvor blieb den Praktikern bei Belüftungsproblemen aus Mangel an verfügbarem Wissen oft nur der Weg über Versuch und Irrtum zur Problemlösung. Die Erkenntnisse des Forschungsprojektes schließen nun diese Wissenslücke. Dies wurde auch auf internationalen Tagungen sehr positiv wahrgenommen. Da die Belüftung die Energieeffizienz der biologischen Abwasserbehandlung stärker prägt als andere Verfahrensbestandteile, sind nicht zuletzt vor dem Hintergrund des Klimawandels und steigender Energiepreise weitere Forschungsprojekte zur Verbesserung der Energieeffizienz der Belüftung in der Planung aber auch unter praktischen Bedingungen wünschenswert.