Projekt 27540/02

Wissenschaftliche Begleitung eines neuartigen Verfahrens zur Wasseraufbereitung mittels keramischer Membranen und Ozonbelüftung am Beispiel des Seehundbeckens im Zoo Saarbrücken (ergänzende Untersuchungen)

Projektdurchführung

Zoologischer Garten der Landeshauptstadt Saarbrücken
Graf-Stauffenberg-Str.
66121 Saarbrücken

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielvorgabe des ersten Teilprojektes (AZ 27540/01) war die Bildung von Algen mittels einer innovativen Keramikmembrananlage zu unterbinden. Hierzu wurde an der bisherigen Seehundanlage im Zoo Saarbrücken eine Wasseraufbereitung im Technikums-Maßstab betrieben und wissenschaftlich begleitet.
Ziel der ergänzenden Untersuchungen (zweites Teilprojekt) war es, die gewonnenen Erkenntnisse des ersten Teilprojektes an der großtechnischen Membrananlage der neuen Seehundanlage im Zoo Saarbrücken zu nutzen und weitere Ergebnisse zu gewinnen. Von Interesse waren hier die dosierte Zugabe von Ozon und ionisierter Luft beim Betrieb der Keramikmembrananlage sowie die bestmögliche Justierung von Rückspülzyklen und der Permeabilität. Ein weiteres Ziel war, die Problematik der Aufkonzentrierung von Ammoniumverbindungen bzgl. Art und Ausmaß festzustellen und Lösungsmöglichkeiten für deren Vermeidung vorzuschlagen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenGeplant war die Vermessung der Wasserqualität (Trübung, pH, Leitfähigkeit, TOC, CSB, Nitrat, Nitrit, Ammonium, Phosphat, Ozon) und der hydraulischen Parameter (Fluss, Druck, Permeabilität) von Feed, Permeat und Retentat. Die Messungen wurden ab Inbetriebnahme der Anlage bis zum Erreichen der Frostperiode (Mitte Dezember 2012) durchgeführt. Im Frühjahr 2013 war, je nach Bedarfslage, ein vier bis achtwöchiger Messzyklus (April/Mai) vorgesehen, um den Einfluss von Algenwachstum zu erfassen. Weiterhin war geplant, die Messsonden für Ammoniak und Nitrat am Vorlagebehälter der Anlage für kontinuierliche Überwachung zu testen.
Innerhalb des Bewilligungszeitraumes wurden drei Monate Mess- und Auswertezeit für diese Arbeiten vorgesehen. Zwei Wochen der Messzeit sollten auf Referenzmessungen am Seehundbecken vor Anschluss der Anlage entfallen.


Ergebnisse und Diskussion

Es konnte festgestellt werden, dass die Kombination von keramischer Flachmembran und Ozon Schwebstoffe, wie Algen, Keime und anorganische Partikel effektiv und mit hoher Permeabilität entfernt. Mit einer mittleren Porengröße der Keramikmembranen von 100 nm (1 * 10-9 m) können mit der Anlage im Wasser gelöste Salze nicht entfernt werden, was auch nicht Ziel des Projektes war.

Aus der Linearität des Zusammenhangs zwischen dem transmembranen Druck und dem Fluss kann geschlossen werden, dass allein durch Erhöhung des hydrostatischen Drucks der Fluss und damit die Umwälzfrequenz des Seehundbeckens noch über den Ist-Zustand von 1 - 2 mal pro Tag gesteigert werden könnte. Die großtechnische Membrananlage war zum Zeitpunkt des Versuchsbetriebs mit der Technikumsanlage weitgehend fertig gestellt und konnte nur deshalb nicht installiert werden, weil der Bau des neuen Seehundbeckens sich verzögerte. Dadurch konnten Erkenntnisse, die wesentliche Änderungen in der Hardware erfordert hätten, nicht mehr berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere auch für die maximale Höhe der Membranmodule.

Beobachtungen zu Ablagerungen am Kopf eines Membranmodulstapels wiesen darauf hin, dass am Kopf des Membranmoduls nicht mehr genug Ozon ankommt, um die Membran von Ablagerungen frei zu halten. Bei zukünftigen Anlagen sollte ein Membranmodul aus nicht mehr als fünf übereinander gestapelten Membranpaketen bestehen. Durch entsprechende konstruktive Maßnahmen sollte auch der Druck auf über 1 bar angehoben werden können (Überdruckfiltration statt Unterdruckprozess). Schließlich müsste bei der Konstruktion und dem Bau eines analogen Beckens, sei es für Seehunde oder Fische, dem Austrag der Fäkalien hohe Priorität eingeräumt werden, weil diese nicht nur zu einem häufigen Wasserwechsel zwingen, sondern auch als Nährstoffquelle für Algen dienen.

Aus einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung unter Einbeziehung der Betriebskosten, Investitionskosten (Abschreibung der Anlage über 10 Jahre, inkl. Verschleißteile) sowie Wartung (2 % der Investitionskosten) resultieren erstaunlich niedrige Gesamtkosten von 0,267 €/m3 Filtrat, die mit zunehmender Anlagengrösse weiter gesenkt werden können. Bei sehr großen Anlagen (? 100 m3/h) - z. B. zur Entfernung von Blaualgen aus Badegewässern - und Umsetzung der o. g. Optimierungsmaßnahmen können die Kosten unter 0,15 €/m3 gesenkt werden.

Bei zukünftigen Anlagen für analoge Anwendungen sind allerdings noch andere, zum Teil negative Erkenntnisse, zu berücksichtigen. Algen wachsen bekanntlich bevorzugt auf Oberflächen wie z. B. Glasscheiben oder porösen Betonwänden. Daher genügt es nicht, bei einem mit einer Glasscheibe ausgerüsteten Becken das Wasser von Algen zu befreien. Die Glasscheibe ist nach kurzer Zeit mit Algen überwachsen. Wie in den Technikumsversuchen gezeigt (siehe Kapitel 1 des Schlussberichts vom 25.09.2012), lässt sich durch Begasung mit ionisierter Luft eine Algenbildung auf einer Oberfläche (hier der Glasscheibe) unterdrücken.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Seehundanlage wurde am 09.10.2012 feierlich eröffnet. Sie wurde am Tag der Architektur 2012 vorgestellt.


Fazit

Die neue großtechnische Membrananlage des Seehundbeckens im Zoo Saarbrücken hat ihre Aufgabe, das Wasser weitgehend von Algen freizuhalten, während der Laufzeit der Versuche (vom Juli 2012 bis Juni 2013) erfüllt. Die Turbidität als wichtigstes Maß der Transparenz des Beckenwassers war in der Regel nur unwesentlich höher als das frisch aus dem Brunnen geförderte Wasser und das, obwohl das Becken im Durchschnitt nur 1-2 mal pro Tag umgewälzt wurde.