Projekt 37220/01

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

Projektdurchführung

Membion GmbH
Schwerzfelderstr. 33
52159 Roetgen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des DBU geförderten Projektes mit dem Titel „Effiziente Energieausnutzung in Membranbioreaktoren durch Einsatz eines innovativen Membranfilters – zweite Phase der Verifizierung der Energieeinsparung im technischen Maßstab“ AZ 37220/01 wurde ein neuartiger Membranmodul mit JetSplash®-Technologie der Firma Membion GmbH erstmalig im technischen Maßstab auf der MBR-Demonstrationskläranlage in Simmerath getestet. Dabei war es das Ziel, die positiven Ergebnisse einer zuvor durchgeführten Pilotierung der neuartigen Belüftungstechnologie auf der Kläranlage Konzen insbesondere bezüglich des Energiebedarfs für die Modulbelüftung im technischen Maßstab zu verifizieren und einen Vergleich der beiden Modulsysteme mit und ohne JetSplash®-Belüftung zu dokumentieren.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten im Rahmen des DBU-Projektes schließen sich nahtlos an das vorherige Projekt AZ 34834/01 an und gliedern sich in die Teilbereiche: Vorarbeiten, Herstellung der Membranmodule für den technischen Einsatz in einer automatisierten Produktionsanlage, sowie ein erstmaliger MBR-Versuchsbetrieb des Geysir-Moduls im technischen Maßstab und eine abschließende Verifizierung der Energieeinsparung.
Im Rahmen des Teilprojektes AZ 34834/01 wurde eine erste Version des neuartigen Membranmoduls der Firma Membion ohne Geysir-Technologie erstmalig im technischen Maßstab auf der MBR-Demonstrationskläranlage in Simmerath getestet. Dabei war es das Ziel, die positiven Ergebnisse eines zuvor durchgeführten Gebrauchsmustertests (DBU-Projekt AZ 32805/01) im technischen Maßstab zu verifizieren. Parallel zu diesem Projekt hat Membion die neuartige JetSplash®-Technologie mit Geysir-Belüftung entwickelt, durch deren Anwendung eine noch erheblich größere Energieeinsparung in MBR-Anlagen realisierbar wird.
Im Rahmen des hier vorgestellten Projekts mit gleichnamigen Projekttitel soll nun ein zweites Modul in Simmerath installiert und getestet werden, der erstmalig die neue „JetSplash®“-Technologie im technischen Maßstab (500 m²) realisiert. Im direkten Vergleich der beiden Modulsysteme sollen die Unterschiede in der Energieeinsparung dokumentiert werden.
Dafür werden in Vorarbeiten zunächst die Membranen sowie im Anschluss die Kunststoffteile für die Geysire produziert. Außerdem muss zunächst die Messtechnik auf der MBR-Demonstrationskläranlage in Simmerath entsprechend erweitert werden und anschließend das neuartige Modulsystem in Betrieb genommen werden. Nach dem Einfahren des neuen Moduls mit Geysir sollen weitere Betriebsoptimierungen der Gesamtanlage stattfinden.
Zusätzlich plant Membion die Durchführung einer ETV-Verifizierung („environmental technical verification“) für das innovative Membransystems mit „JetSplash“-Technologie zur Modulspülung.


Ergebnisse und Diskussion

Die erste Herausforderung des Vorhabens lag in der Konzeptionierung eines neuartigen Modul-Designs für eine sinnvolle und kompakte Etablierung der Membran- und Geysir-Elemente. Es erfolgte eine Optimierung des ursprünglichen Moduldesigns durch die Elimination der zuvor verwendeten, einzelnen Luft- und Permeat-Leitungen an den Membranelementen. Dies vereinfachte nicht nur den Aufbau und Einbau des Moduls vor Ort, sondern erleichterte ebenfalls den Zusammenbau der Membranelemente während der Produktion. Nach erster Funktionsprüfung des neuartigen Edelstahlrahmen, folgte die Umsetzung einer Serienproduktion der Membran- und Geysir-Elemente. Dabei wurde die Herstellung der Membranfilter erstmalig in einer vollautomatischen 24/4 Produktion visualisiert und optimiert. Beide Aufgaben, die Konzeptionierung des neuartigen Moduldesigns sowie auch die automatisierte Produktion im 24/4 Betrieb der Membranblöckchen konnten zufriedenstellend umgesetzt werden.
Bei der Inbetriebnahme der Demonstrationsanlage in Simmerath traten zunächst einige Schwierigkeiten hinsichtlich der Steuerungstechnik auf, die sich erst in einem Dauerbetrieb der Anlage bemerkbar machten. Eine besondere Herausforderung lag in der neuen Implementierung einer automatisierten Geysir-Puls-Messung auf der Anlage sowie in der Einbindung dieser Messwerte in die Steuerungstechnik. Dies konnte zufriedenstellend gelöst werden. Zudem stellte sich heraus, dass durch Schieflage des Modulgestells eine ungleichmäßige Pulsation der Geysire stattfand. Eine waagerechte Ausrichtung des Edelstahlrahmens ist essenziell, um eine gleichmäßige Luftverteilung im Luftverteilkanal zu erreichen.
Bei dem danach realisierten Betrieb des ersten technischen Moduls MSG-500 zeigte sich, dass die Energieeinsparung auch im technischen Maßstab verifiziert werden konnte: nach kurzer Einfahrphase wurde eine Energieeinsparung von bis zu 70 % für die Modulbelüftung erreicht bezogen auf den als Referenzwert zugrunde gelegten optimierten Energiebedarf für die Modulbelüftung auf der Kläranlage Kaarst-Nordkanal von 0,19 kWh/m³. Dieser Wert entstammt dem Ende 2015 veröffentlichten Abschlussbericht eines Projekts, das im Rahmen eines BMU-Innovationsprogramms gefördert wurde. Vergleichend zu den Plattenmodulen auf der MBR-Anlage Konzen wurde eine Energieeinsparung für die Modulbelüftung von bis zu 90 % erreicht.
Interessant an den hier dargestellten Ergebnissen mit „JetSplash®“-Technologie ist, dass die größte Energieeinsparung nicht wie im Falle der Energie-Optimierung in Kaarst bei den höchsten Durchsatzleistungen liegt, sondern dass die Energieeinsparung über den kompletten Betriebsbereich der Membranfilter in der gleichen Größenordnung liegt und bei geringeren Durchsatzleistungen sogar noch geringfügig steigt. Dies kommt dem üblichen Betrieb kommunaler Kläranlagen sehr entgegen, da dann die Chance besteht, die Membranen tatsächlich zulaufproportional zu fahren und dabei über den gesamten Durchsatzbereich einen sehr geringen Energiebereich zu ermöglichen.
Um einem vorwiegend adsorptiven Membranfouling entgegenzuwirken, werden die Membranen in MBR-Anlagen regelmäßig einer chemischen Reinigung unterzogen. Dabei kommt üblicherweise neben Zitronensäure vor allem auch Natriumhypochlorit zum Einsatz, das jedoch aufgrund der damit verbundenen AOX-Bildung aus Umweltgesichtspunkten als kritisch einzustufen ist. Im Rahmen des Betriebs der Demonstrationsanlage wurde daher nach Vorversuchen aus AZ 34834/01, die Verwendung eines alternati-ven, umweltverträglichen Reinigungsmittels auf Oxone®-Basis implementiert. Des Weiteren wurde erstmalig sehr erfolgreich eine Intensivreinigung mit dem neuartigen Reiniger durchgeführt. Hiermit konnten vergleichbare Reinigungserfolge wie mit Natriumhypochlorit erzielt werden.
Ursprünglich war eine ETV-Verifizierung („environmental technical verification“) für das Membransystems mit JetSplash®-Technologie geplant. Jedoch war zu Projektbeginn nicht klar, dass für eine erfolgreiche Verifizierung ein standardisierter, technischer Modul mit allen Serienteilen vorhanden sein muss, inklusive aller technischen Detailzeichnungen, die dann auch im Nachhinein nicht mehr geändert werden dürfen, da ansonsten die Verifizierung ungültig wird. Vor diesem Hintergrund zeigte sich im Laufe des Projektes immer mehr, dass eine ETV-Verifizierung während des Projektes noch nicht sinnvoll war, da einzelne,
kleinere Details im MSG-500-Modul noch einer finalen Optimierung unterlagen. Aus diesen Gründen sollte die ETV-Verifizierung auf das Projekt-Ende verschoben werden. Doch im letzten Halbjahr des Projektes wurde uns dann von Seiten der Verifizierungsinstitution mitgeteilt, dass das ETV-Programm aufgrund von Einsparmaßnahmen nicht mehr von der EU finanziert wird, so dass sich eine weitere Verfolgung der ETV-Verifizierung erübrigte.
Der Schwerpunkt des Projektes wurde stattdessen auf die betriebstechnische Optimierung gelegt und hier zusätzlich auf eine Optimierung der chemischen Reinigung.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die hier erzeugten Ergebnisse wurden auf verschiedene Weisen verwertet, bzw. veröffentlicht:
• Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Praxismagazin für Trink- und Abwasserma-nagement WWT“ veröffentlicht.
• Die Ergebnisse wurden zudem im Rahmen eines eigenen Messestandes auf der Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft (IFAT) 2022 präsentiert.
• Auch auf der 14. Aachener Tagung Wassertechnologie der RWTH Aachen vom 02. – 03. November 2021 konnten die positiven Ergebnisse aus dem hier vorliegenden Projekt in Form eines Vortrags der Öffentlichkeit präsentiert werden.


Fazit

Bei dem hier realisierten Betrieb des ersten technischen Moduls mit „JetSplash®“-Technologie von Membion konnte eine Energieeinsparung für die Modulbelüftung von bis zu 90 % verifiziert werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der sowohl Energie- als auch Moduldesign-technisch optimierte MSG-500 Modul vergleichend zum ersten technischen Membion-Modul MSH-500 ohne JetSplash®-Technologie deutlich mehr Vorteile für Anlagenbetreiber besitzt. Dadurch leistet Membion nicht nur einen signifikanten Beitrag zur Verbesserung der Wasserqualität, sondern auch zu Ressourcen-Einsparungen im Bereich Energie.