Projekt 34834/01

Effiziente Energieausnutzung in Membranbioreaktoren durch Einsatz eines innovativen Membranfilters Verifizierung der Energieeinsparung im technischen Maßstab

Projektdurchführung

Membion GmbH
Schwerzfelderstr. 33
52159 Roetgen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Vorteile von Membranbioreaktoren (MBR) bei der Abwasserbehandlung hinsichtlich einer verbesserten Wasserqualität und eines reduzierten Platzbedarfs der Gesamtanlage gehen oft mit höheren Investitionskosten der Membranfilter und deren Einbau sowie höheren Betriebskosten insbesondere im Bereich des Energiebedarfs für die Spülung der Membranen, einher. Im Rahmen des hier beschriebenen Projektes mit dem Titel „Effiziente Energieausnutzung in Membranbioreaktoren durch Einsatz eines innovativen Membranfilters - Verifizierung der Energieeinsparung im technischen Maßstab“ AZ 34834-01 soll ein neuartiger Membranmodul der Firma Membion erstmalig im technischen Maßstab auf der MBR-Demonstrationskläranlage in Simmerath getestet werden. Dabei war es das Ziel, die positiven Ergebnisse eines zuvor durchgeführten Gebrauchsmustertests (DBU-Projekt AZ-32805) insbesondere bezüglich des Energiebedarfs für die Modulbelüftung im technischen Maßstab zu verifizieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten im Rahmen des DBU-Projektes gliedern sich in die Teilbereiche: Vorarbeiten, Herstellung der Membranmodule für den technischen Einsatz in einer automatisierten Produktionsanlage, sowie ein erstmaliger MBR-Versuchsbetrieb der Membion-Membranfilter im technischen Maßstab.
Die MBR-Demonstrationskläranlage wurde im Jahr 2002 im Rahmen eines vom damaligen NRW-Umweltministeriums (MUNLV) mit etwa 2,5 Mio. Euro geförderten Projektes von den Firmengründern von Membion geplant und gebaut, um dort zum ersten Mal die damals neuartigen PURON-Membranfilter im MBR-Betrieb zu testen, die mittlerweile von der Firma KOCH vermarktet werden. Da die Firma KOCH seit Anfang 2017 ihre Entwicklungstätigkeiten in Deutschland eingestellt hat, stand die MBR-Demonstrationskläranlage in Simmerath seitdem ungenutzt still. Diese Anlage soll im Rahmen des vorliegenden Projektes reaktiviert und dann für den Demonstrationsbetrieb der neuartigen Membion-Membranfilter genutzt werden.
Ein weiterer Hauptfokus des hier dargestellten Projektes ist die Umsetzung der Schritte der Serienproduktion des neuartigen Membranfilters in einem automatisierten Produktionsprozess.
Dabei sollen die Herstellungsschritte des Einlegens der Membranfasern in die Membraneinheiten sowie das Verschließen der freien Faserenden mit einem Harz erstmalig in den automatisierten Produktionsprozess der Membranen implementiert werden.
Nach diesen Vorarbeiten soll die eigentliche Fertigung des technischen Moduls mit passenden Membraneinheiten erfolgen, um dieses im abschließenden Projektteil im technischen Maßstab zu testen.
Im letzten Projektabschnitt soll dann der erste technische Modul mit einem optimierten und neuartigen Modulgestell von Membion auf der Demonstrationskläranlage Simmerath mit Belebtschlamm betrieben werden. In diese Phase fallen auch Tätigkeiten wie die Installation und die Befestigung der Modulrohre im Rahmen, sowie die Einbindung der Membranfilter in die Anlage. Anschließend soll der gangliniengesteuerte Dauerbetrieb gewährleistet werden und eine Optimierung der Betriebsbedingungen zur Verifizierung des Energie-Einsparpotential erfolgen.
Die Arbeiten im Rahmen des DBU-Projektes gliedern sich in die Teilbereiche: Vorarbeiten, Herstellung der Membranmodule für den technischen Einsatz in einer automatisierten Produktionsanlage, sowie ein erstmaliger MBR-Versuchsbetrieb der Membion-Membranfilter im technischen Maßstab.
Die MBR-Demonstrationskläranlage wurde im Jahr 2002 im Rahmen eines vom damaligen NRW-Umweltministeriums (MUNLV) mit etwa 2,5 Mio. Euro geförderten Projektes von den Firmengründern von Membion geplant und gebaut, um dort zum ersten Mal die damals neuartigen PURON-Membranfilter im MBR-Betrieb zu testen, die mittlerweile von der Firma KOCH vermarktet werden. Da die Firma KOCH seit Anfang 2017 ihre Entwicklungstätigkeiten in Deutschland eingestellt hat, stand die MBR-Demonstrationskläranlage in Simmerath seitdem ungenutzt still. Diese Anlage soll im Rahmen des vorliegenden Projektes reaktiviert und dann für den Demonstrationsbetrieb der neuartigen Membion-Membranfilter genutzt werden.
Ein weiterer Hauptfokus des hier dargestellten Projektes ist die Umsetzung der Schritte der Serienproduktion des neuartigen Membranfilters in einem automatisierten Produktionsprozess.
Dabei sollen die Herstellungsschritte des Einlegens der Membranfasern in die Membraneinheiten sowie das Verschließen der freien Faserenden mit einem Harz erstmalig in den automatisierten Produktionsprozess der Membranen implementiert werden.
Nach diesen Vorarbeiten soll die eigentliche Fertigung des technischen Moduls mit passenden Membraneinheiten erfolgen, um dieses im abschließenden Projektteil im technischen Maßstab zu testen.
Im letzten Projektabschnitt soll dann der erste technische Modul mit einem optimierten und neuartigen Modulgestell von Membion auf der Demonstrationskläranlage Simmerath mit Belebtschlamm betrieben werden. In diese Phase fallen auch Tätigkeiten wie die Installation und die Befestigung der Modulrohre im Rahmen, sowie die Einbindung der Membranfilter in die Anlage. Anschließend soll der gangliniengesteuerte Dauerbetrieb gewährleistet werden und eine Optimierung der Betriebsbedingungen zur Verifizierung des Energie-Einsparpotential erfolgen.



Ergebnisse und Diskussion

Die erste Herausforderung des Vorhabens lag in einer erstmaligen Umsetzung einer Serienproduktion der Membranmodule. Dabei sollten die Herstellungsschritte des Einlegens der Membranfasern in die Membraneinheiten sowie das Verschließen der freien Fasern mit einem Harz erstmalig in den automatisierten Produktionsprozess der Membranen implementiert werden. Um diese Aufgabe umzusetzen, musste die runde Form des Hüllrohres der Membranen gegen eine rechteckige ausgetauscht werden, da dann alle Membraneinheiten eine einheitliche Größe aufweisen, was für die Serienproduktion ein entscheidender Vorteil ist. Dies bedeutete jedoch eine komplette Überarbeitung des Moduldesigns. Diese Aufgabe sowie auch die automatisierte Produktion der Membranblöckchen, inklusive der beiden Produktionsschritte des Fasereinlegens und des Verschließens der freien Faserenden wurden zufriedenstellend umgesetzt.

Bei der Gestaltung der technischen Membranfilter lag besonderes Augenmerk auf der strömungstechnischen und produktionstechnischen Optimierung der Membion-Membranelemente. Zu den relevanten Parametern zählten insbesondere die Gleichmäßigkeit der Luftverteilung, das Schlamm-Management im Modul, die Packungsdichte der Modulrohre im technischen Modul und die sich daraus ergebende Dimensionierung der Schlamm-Abström-Zonen. Da die Einflüsse der Realfaktoren bei der Skalierung des Modulprinzips auf den technischen Maßstab vor Beginn des Projektes nur schwer abzuschätzen waren, wurde bei der Beantragung des Projektes erwartet, dass die Konfiguration des Moduls gegebenenfalls nochmals geändert werden muss, um die positiven Ergebnisse des Gebrauchsmustertests zu verifizieren. Deshalb war der Bau eines zweiten, modifizierten technischen Moduls vorgesehen mit optimierten Parametern auf Basis der Betriebsergebnisse des ersten technischen Moduls.

Bei der Inbetriebnahme der Demonstrationsanlage in Simmerath traten zunächst einige Schwierigkeiten mit der alten Anlagentechnik zu Tage, die sich erst in einem Dauerbetrieb der Anlage bemerkbar machten. So fiel schon wenige Tage nach Inbetriebnahme der Anlage aus zunächst unerklärlichen Gründen das komplette Bus-System der Anlage aus. In einer aufwendigen Fehleranalyse aller technischen Aggregate konnten die Fehler und Probleme der Alttechnik innerhalb von ca. 3 Wochen behoben werden.

Bei dem danach realisierten Betrieb des ersten technischen Moduls zeigte sich erfreulicher Weise, dass die Verifizierung der Energieeinsparung auch schon mit der Installation dieses ersten Moduls erreicht werden konnte: nach kurzer Einfahrphase wurde eine Energieeinsparung bis zu 37 % für die Modulbelüftung erreicht bezogen auf den als Referenzwert zugrunde gelegten optimierten Energiebedarf für die Modulbelüftung auf der Kläranlage Kaarst-Nordkanal. Dieser Wert entstammt dem Ende 2015 veröffentlichten Abschlussbericht eines Projekts, das im Rahmen eines BMU-Innovationsprogramms gefördert wurde.

Parallel zu dem Betrieb der Demonstrationsanlage in Simmerath hat Membion in der Pilotanlage in Konzen eine neuartige Belüftungstechnik entwickelt, die sogenannte „JetSplash®“-Technologie. Erste Ergebnisse lassen erwarten, dass durch Verwendung eines neuartigen Geysirs als Herzstück der „JetSplash®“-Technologie eine noch erheblich größere Energieeinsparung für MBR-Anlagen realisierbar wird: eine Energieeinsparung von 56 – 79 % bezogen auf den Referenzwert der o.g. Kläranlage Kaarst-Nordkanal, bzw. eine Energieeinsparung von 84 – 92 % bezogen auf den Energiebedarf der derzeit in der MBR-Anlage Konzen eingesetzten Plattenmodule.

Da einerseits die Ergebnisse des ersten technisch installierten Moduls in Simmerath auf Anhieb die Erwartungen des Gebrauchsmustertests gut erfüllten und andererseits die Daten der Pilotierung des neuen Belüftungssystems mit „JetSplash®“-Technologie in Konzen noch sehr viel erfolgversprechendere Ergebnisse in Aussicht stellten, fokussierte sich die Firma Membion auf die Umsetzung und Weiterentwicklung der neuen „JetSplash®“-Technologie. Daher wurde auch im Rahmen des hier dokumentierten Projektes zunächst kein 2. technischer Modul ohne „JetSplash®“-Technologie in Simmerath eingebaut. Stattdessen wurde die Planung gestartet, den 2. Modul im Rahmen eines Ergänzungsprojektes mit „JetSplash®“-Technologie auszurüsten.

In dem Ergänzungsprojekt (AZ 34834-02) sollen beide Modulsysteme im direkten Vergleich betrieben werden, um die Unterschiede in der Energieeinsparung ohne und mit „JetSplash®“-Technologie zu dokumentieren.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die hier erzeugten Ergebnisse wurden auf verschiedene Weisen verwertet: so wurden die Ergebnisse in der universitären Lehre in Form von zwei Masterarbeiten verwendet. Des Weiteren wurden die Ergebnisse auf Tagungen und Messen sowie Fachzeitschriften veröffentlicht.
Die finalen Ergebnisse des hier vorliegenden Projektes wurden beispielsweise auf der Woche der Umwelt 2020, gefördert durch die DBU, präsentiert, die pandemiebedingt auf 2021 in digitaler Form vertagt wurde.

Auch auf der 14. Aachener Tagung Wassertechnologie der RWTH Aachen vom 02. – 03. November 2021 konnten die Ergebnisse aus dem hier vorliegenden Projekt veröffentlicht und in Form eines Vortrags präsentiert werden.



Fazit

Bei dem hier realisierten Betrieb des ersten technischen Moduls von Membion konnte die Verifizierung der Energieeinsparung für die Modulbelüftung von bis zu 37 % bestätigt werden. Durch die Weiterentwicklung der Modulbelüftung hin zu einer neuartigen „JetSplash®“ – Technologie soll eine noch erheblich größere Energieeinsparung für MBR-Anlagen realisiert werden. Dadurch leisten die Projektpartner nicht nur einen signifikanten Beitrag zur Verbesserung der Ressourcen im Bereich der Energie, sondern auch hinsichtlich der Verbesserung der Wasserqualität.