Promotionsstipendium: Zhao Li

1. Zusammenfassung

Die deutsche Wasserversorgung für die kommunale und industrielle Nutzung (Energie, Verkehr und Produktion) wird größtenteils aus Süßwasser gespeist, das aus Grundwasserleitern und Flüssen gewonnen wird – ein Bedarf von rund 2,8 Mrd. m³ pro Jahr. Durch die wachsende Bevölkerung und Industrietätigkeit in Verbindung mit dem Klimawandel sind die vorhandenen Süßwasserquellen einem zunehmenden Wasserstress ausgesetzt. Alternative Wasserquellen müssen in die Wasserversorgungskette integriert werden, um eine übermäßige Entnahme zu verhindern und die ökologischen Folgen in wasserarmen Regionen abzumildern. Behandeltes Abwasser bietet aufgrund seiner hohen volumetrischen Produktion und seiner derzeitigen Einleitung als Abfallprodukt in die Umwelt – allein in Deutschland werden über 9,8 Mrd. m³ biologisch gereinigtes kommunales Abwasser eingeleitet – Potenzial als alternative Wasserressource. Es wurden zwar Anstrengungen unternommen, kommunales Abwasser für die indirekte Wiederverwendung für nicht/-trinkbare Zwecke durch Ultrafiltrationsmembranen (UF) und Umkehrosmose (RO) für die Endreinigung zu behandeln. Die Membran-Ultrafiltration wird routinemäßig zur Klärung von Belebtschlamm (AS) und seit kurzem auch von aerobem Granulatschlamm (AGS) in Wasserwiederverwendungsprozessen eingesetzt. Die Membranbioreaktor-Ultrafiltration (MBR-UF) entfernt effektiv alle suspendierten Feststoffe und organische Stoffe mit hohem Molekulargewicht, wie die Biopolymerfraktion des gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC). Dichte Membranen, einschließlich Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO), werden nachgeschaltet, um MBR-Mikrofiltrations-/Ultrafiltrationssysteme (MBR-MF/UF) zu verfeinern und die Entfernung von DOC-Fraktionen mit niedrigem Molekulargewicht, einschließlich Huminstoffen und Säuren mit niedrigem Molekulargewicht, zu unterstützen. Die DOC-Übertragung durch diese dichten Membranen ist jedoch unvollständig, da einige Fraktionen zurückgehalten werden. Dies stellt ein Risiko für die Wassersicherheit dar, da das behandelte Wasser mikrobiell nachwächst oder zusätzliche Behandlungsschritte erforderlich sind, was die CAPEX und OPEX erhöht. Das derzeitige Verständnis der Faktoren, die die DOC Übertragung durch dichte Membranen beeinflussen, stammt weitgehend aus Studien zur Meerwasserentsalzung oder Brackwasseraufbereitung, bei denen der Schwerpunkt auf der Entfernung ein- oder zweiwertiger anorganischen Salze oder neu auftretender Verunreinigungen bei der Wasserwiederverwendung lag, bzw. mit dem Phänomen Biofilm Verstärkte Konzentrationspolarisation (BECP). Diese Arbeit bewertet die Faktoren, die den DOC-Transfer in dichten Membranen beeinflussen, die für die Aufbereitung von gereinigtem Abwasser verwendet werden, indem sie (i) den Beitrag des Membranmaterials, (ii) die Auswahl der upstream biologischen Behandlungsprozesse und (iii) die Auswirkung von Membran-Biofouling und CIP (Clean-in-Place) untersucht; (iv) Biofilm physikalische Struktur und Biofilm verstärkte Konzentrationspolarisation.

2. Einleitung

Die Wiederverwendung von Abwasser (WWR) ist ein ökologisches, wirtschaftliches und politisches Anliegen sowohl für Entwicklungs- als auch für Industrieländer. Geringere Wasserentnahme- und Einleitungsgenehmigungen auf regionaler Ebene in Europa haben die nachhaltige Expansion der wichtigsten europäischen Exportindustrien (z. B. Lebensmittel, Bio-/Pharmaindustrie, Chemie, Automobilbau) aufgrund der Belastung der Süßwasserquellen und der Verschmutzung der Gewässer eingeschränkt. WWR hat das Potenzial, sowohl die Grundwasser-/Oberflächen-Süßwasserentnahme als auch die Abwassereinleitung in aufnehmende Gewässer zu verringern und gleichzeitig eine aufbereitete Brauchwasserressource für die kommunale oder industrielle Nutzung bereitzustellen. Dies macht WWR zu einer alternativen Wasserquelle und damit zu einem wichtigen Umweltschutzmechanismus.

Die weit verbreitete Anwendung von WWR für die Produktion von Nicht-/Trinkwasser wird durch die Persistenz von assimilierbarem organischem Kohlenstoff (AOC) im behandelten Permeat eingeschränkt, der das mikrobielle Nachwuchspotenzial erhöht und ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellt (z. B. Übertragung von Krankheitserregern) (Escobar et al., 2000a; Escobar et al., 2000b; Farhat et al., 2018). Bei herkömmlichen Verfahren zur Wiederverwendung/Behandlung von Abwasser werden Umkehrosmosemembranen (RO) nach der Klärung in einem Membranbioreaktor (MBR) zur Demineralisierung und teilweisen Rückhaltung von DOC eingesetzt, so dass AOC als Teilfraktion nur in geringem Maße zurückgehalten wird (ca.＜30-40 % Rückhaltung) (Angelakis and Snyder, 2015). Die Verringerung der Übertragung von AOC in Umkehrosmose-Permeaten aus Abwasser ist von entscheidender Bedeutung, um die Wiederverwendung von Abwasser als sichere und alternative Wasserversorgung zu ermöglichen, die eine Verteilung mit minimaler oder ohne weitere Behandlung erlaubt. Die Verwirklichung dieses Ansatzes wird drei Schlüsselbereiche des Umweltschutzes voranbringen: (i) Schutz der Süßwasserquellen durch geringere Entnahme, (ii) Bereitstellung einer stabilen Versorgung zur Deckung des wachsenden Bevölkerungs- und Industriebedarfs, und (iii) Umweltschutz durch geringere Abwassereinleitungen in aufnehmende Gewässer.

In den vorläufigen Beobachtungen wurde eine höhere Zurückweisung sowohl von AOC als auch von anorganischen Salzen bei kurzfristigen RO-Filtrationsstudien im Labormaßstab nachgewiesen, verglichen mit dem langfristigen RO-Betrieb, über den in der Literatur berichtet wird, wo kontinuierliche langfristige RO-Prozesse untersucht werden. Der Grund für diesen Unterschied ist ein Phänomen, das nur beim Langzeitbetrieb von dichten Membranen auftritt und zu einer verminderten Permeatqualität führt, wie z.B. Biofouling der Membran. Bei anorganischen Salzen ist die Verschlechterung der Permeatqualität im Laufe der Zeit während der RO-Entsalzung auf die Entwicklung einer biologischen Membranverschmutzungsschicht zurückzuführen, die als Biofilm bezeichnet wird. Die Entwicklung eines Biofilms auf RO-Membranfiltern kann die Konzentrationspolarisation verstärken, ein natürliches Phänomen, bei dem die Konzentration des gelösten Stoffes in der Nähe der Membranoberfläche höher ist als die der Hauptflüssigkeit, da sich der gelöste Stoff an der Membrangrenzfläche ansammelt. Es ist jedoch nicht bekannt, inwieweit Beobachtungen zur Übertragung von anorganischen Stoffen für die Übertragung von organischen Stoffen während der NF/RO-Behandlung von geklärtem Abwasser relevant sind. Um festzustellen, inwieweit die Prozessparameter für die Übertragung von DOC/AOC während der Membranreinigung für die Abwasserwiederverwendung verantwortlich sind, ist ein spezielles mechanistisches Verständnis des Transports von gelösten Stoffen in dichten Membranen bei der Abwasserwiederverwendung erforderlich. Die Identifizierung der zugrundeliegenden Mechanismen, die die Übertragung von organischen Stoffen während der NF/RO-Abwasserwiederverwendung steuern, wird die Entwicklung von Best Practices zur Abschwächung und verbesserten Zurückweisung von AOC ermöglichen.

Auslaugung von DOC aus dem Membranmaterial in das behandelte Permeat: Materialien, die mit Trinkwasser in Kontakt kommen (z.B. polymere Wasserschläuche), dienen als Quelle von DOC und AOC, da sie organische Polymere passiv freisetzen. (Proctor et al., 2016; Wen et al., 2015). Skjevrak et al. (2003) wiesen die Migration von flüchtigen organischen Bestandteilen aus Kunststoffrohren (z. B. HDPE, PEX und PVC) in Trinkwasser nach. Später wiesen Proctor et al. (2016) nach, dass flexible polymere Rohrmaterialien hohe Konzentrationen an assimilierbarem organischem Kohlenstoff auslaugen, der das Bakterienwachstum fördert. Eine verringerte biologische Stabilität im Permeat von Nanofiltrations- und Umkehrosmosemembranen könnte auch durch das Auslaugen von gelösten organischen Stoffen aus der Membran in Kontakt mit dem Permeatstrom entstehen. In großtechnischen Systemen ist dies möglicherweise nicht problematisch, denn ein hoher Durchsatz und Push-out während des anfänglichen Systembetriebs würde wahrscheinlich alle auswaschbaren organischen Stoffe auswaschen. Bei Filtrationsstudien im kleineren Maßstab stellt die organische Auslaugung aus Membranfiltern jedoch ein größeres experimentelles Artefakt dar, da das resultierende Permeat möglicherweise verunreinigt ist und kleinere Arbeitsvolumina (Durchsatz) verwendet werden.

Das Auslaugen von Membranpolymeren in den Permeatstrom ist bei Einweg-Laborfiltern mit einem Porendurchmesser von 0,2 bis 0,45µm gut bekannt, nicht aber bei Membranmaterialien, die in großtechnischen Filtrationsprozessen verwendet werden. Khan and Subramania-Pillai (2007) wiesen analytische Messstörungen durch organische Auslaugung von fluoreszierenden Biopolymeren nach, die durch Anregungs-Emissions-Matrix-Spektroskopie charakterisiert wurden und zu erhöhten Konzentrationen von DOC, biologisch abbaubarem gelöstem organischem Kohlenstoff (BDOC), löslichem biochemischem Sauerstoffbedarf (BSB) und löslichem chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) über den Zuflusswerten führten Kaplan et al. (1993) berichteten, dass Polyvinylidendifluorid- und gemischte Zelluloseester-Filter, die für die Sterilisierung von Inkubationswasser verwendet wurden, erhebliche Mengen an DOC auslaugten, was zu erhöhten Konzentrationen an assimilierbarem organischem Kohlenstoff (AOC) führte, selbst nachdem ein hoher Durchsatz an deionisiertem Wasser durchgelassen wurde. Die aus den Filtern ausgelaugten organischen Stoffe waren zu etwa 50 bis 85% biologisch abbaubar. Bei der Wasseraufbereitung durch dichte Membranen wird die Menge an DOC, die während der Inbetriebnahme und des Betriebs des Systems freigesetzt wird, nicht von den aus dem Speisewasser stammenden organischen Stoffen unterschieden und könnte unbeabsichtigt den DOC im Permeat erhöhen, den scheinbaren Rückhaltekoeffizienten verringern und zu einem Nachwachsen während der Wasserverteilung führen. è  Es liegen nur begrenzte Erkenntnisse darüber vor, ob eine Auslaugung von DOC in RO-Membranen stattfindet, inwieweit die Auslaugung je nach Membrantyp/Lieferant variiert und welche Auswirkungen die Auslaugung auf die biologische Stabilität hat.

Auswahl der vorgeschalteten biologischen Abwasserbehandlung auf die hydraulische Leistung der Membran und die Wasserqualität: Wie im Forschungsantrag beschrieben, können die Eigenschaften von dichtem Membranspeisewasser aufgrund von Unterschieden in der Zusammensetzung von organischen Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht potenzielle Auswirkungen auf die Entwicklung der physikalischen Struktur des Biofilms und die Übertragung organischer Stoffe haben. In der Praxis kann dieser Unterschied durch verschiedene vorgelagerte biologische Abwasserreinigungstechnologien wie Belebtschlamm (AS) und Das aerobe Granulatschlammverfahren (AGS) ist ein innovatives Abwasserreinigungsverfahren, das in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurde, um die Schlammstabilität zu verbessern und die gleichzeitige Nitrifikation-Denitrifikation zu ermöglichen. AGS ist ein mikrobielles Aggregat aus zahlreichen selbst immobilisierten Mikroorganismen mit einer kompakten Struktur im Vergleich zu Belebtschlamm, der als suspendierte Flocken mit geringer Dichte vorliegt. AGS-Systeme wurden in vielen Ländern erfolgreich eingesetzt, unter anderem in den Niederlanden, Schweden und Deutschland. Das Verfahren hat eine gute Leistung bei der Stickstoff- und Phosphorentfernung sowie erhebliche Einsparungen bei Energie, Platzbedarf und Chemikalien gezeigt. (AGS) reflektiert werden. MBRs bestehen aus Belebtschlamm (AS) zur biologischen Nährstoffentfernung und einem Membranklärer zur Feststoffentfernung aus dem behandelten Permeat. MBRs weisen jedoch im Laufe der Zeit eine Verringerung der Durchlässigkeit auf, da sich Feststoffe auf der Membranoberfläche ansammeln, was eine häufige Reinigung der Membran und schließlich einen Austausch der Membran erfordert (Lawrence et al., 2003; Merz et al., 2007; Santasmasas et al., 2013; Wu, 2019). Das aerobe Granulatschlammverfahren (AGS) ist ein innovatives Abwasserreinigungsverfahren, das in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurde, um die Schlammstabilität zu verbessern und die gleichzeitige Nitrifikation-Denitrifikation zu ermöglichen. AGS ist ein mikrobielles Aggregat aus zahlreichen selbst immobilisierten Mikroorganismen mit einer kompakten Struktur im Vergleich zu Belebtschlamm, der als suspendierte Flocken mit geringer Dichte vorliegt. AGS-Systeme wurden in vielen Ländern erfolgreich eingesetzt, unter anderem in den Niederlanden, Schweden und Deutschland. Das Verfahren hat eine gute Leistung bei der Stickstoff- und Phosphorentfernung sowie erhebliche Einsparungen bei Energie, Platzbedarf und Chemikalien gezeigt. (Pronk et al., 2015).

Kürzlich haben Ali et al. (Ali et al., 2023) die Leistung von AGS in Kombination mit einem schwerkraftgetriebenen UF-Membransystem zur Behandlung von häuslichem Abwasser untersucht. AGS-UF-Systeme wiesen im Vergleich zu herkömmlichen MBR-Systemen eine bessere Nährstoffentfernung (Stickstoff und Phosphor) und weniger Membranverschmutzung auf. Die Autoren haben ihre Beobachtungen jedoch nicht auf die Auswirkungen der AGS- oder AS-Behandlung auf das mikrobielle Nachwuchspotenzial des resultierenden Permeats ausgeweitet. Das MBR-Permeat wird immer häufiger in einer abschließenden Reinigungsstufe mit einer dichten Membran weiterbehandelt, um immer strengere Wasserqualitätsparameter zu erreichen. Die vorläufigen Versuchsergebnisse deuten darauf hin, dass herkömmliche MBR-Verfahren in Kombination mit einer dichten Membran für die Abwasserreinigung trotz einer >95%igen Rückhaltung von gelöstem organischem Kohlenstoff ein widerspenstiges mikrobielles Nachwachsen im resultierenden Permeat aufweisen. Dies deutet auf die Grenzen von dichten Membransystemen hin, wenn es darum geht, biologisch stabile Permeate zu erzielen, die ansonsten erforderlich sind, um den Chlorbedarf für eine nachhaltige Wasserwiederverwendung und -verteilung zu reduzieren. Das derzeitige Verständnis der Leistung von AGS-MBR NF (Wang et al., 2018) und RO (Wang et al., 2020) bezog sich  im Wesentlichen auf die bessere Nährstoffentfernung und das Fouling-Verhalten ohne systematischen Vergleich mit AS. Die Fraktion der löslichen mikrobiellen Produkte (SMPs) aus beiden biologischen Abwasserbehandlungsverfahren kann variieren, was die wichtigsten Faktoren für die Verschmutzung der Membranen und die Wasserqualität im nachgeschalteten Bereich sind (Teng et al., 2019). è Es ist unklar, wie sich die Wahl von AGS im Vergleich zu AS auf die hydraulische Leistung und das mikrobielle Nachwuchspotenzial in dichten Membransystemen auswirkt. Um diese Einschränkung zu beheben, untersuchten wir AGS als Lösung zur Prozessintensivierung für eine nachhaltige Wasserwiederverwendung und bewerteten die Auswirkungen von CAS- und AGS-behandeltem Abwasser auf den Verschmutzungsmechanismus des UF-NF-Doppelmembransystems in einer Labor-Kurzzeit-Batchfiltration, die eine hydraulische Rückgewinnung von 80 % simuliert.

Auswirkungen der chemischen Reinigung von Membranen auf die metabolische Aktivität von Biofilmen und die DOC-Übertragung: Die Hypothese, dass die Entwicklung eines Biofilms auf der Membranoberfläche die Konzentration von gelösten Stoffen an der Membranoberfläche erhöht, setzt voraus, dass die gelösten Stoffe vom Oberflächen-Biofilm nicht assimiliert werden können (z.B. anorganische Salze). Diese Annahme gilt möglicherweise nicht für organische gelöste Stoffe. Radu et al. (2012) haben rechnerische Simulationen durchgeführt, die zeigen, dass mit zunehmender Dicke des Biofilms, die Gesamtrate des Verbrauchs organischer gelöster Stoffe über die Akkumulation aufgrund der Polarisierung der Stoffkonzentration dominiert, was schließlich zu geringeren Substratkonzentrationen im Biofilm und auf der Membranoberfläche im Vergleich zur Hauptflüssigkeit führt. Ein empirischer Nachweis für diese Simulation wurde nicht erbracht. Die dem Modell zugrundeliegenden kinetischen Annahmen basierten auf biologisch gut abbaubarem Substrat (z. B. Natriumacetat), spiegeln aber nicht die komplexe Zusammensetzung wider, die für organische Stoffe im gereinigten Abwasser typisch ist (z. B. komplexe Biopolymere, Säuren mit niedrigem Molekulargewicht), die längere Assimilationszeiten benötigen als gut assimilierbarer Kohlenstoff (z. B. Natriumacetat) (Chomiak et al., 2015). Physikalische und chemische Reinigungsroutinen (z. B. Clean in place (CIP)) werden regelmäßig angewandt, um die Biofilmaktivität zu inaktivieren und ihre physische Entfernung von der Membranoberfläche zu unterstützen (Jafari et al., 2020). Die Inaktivierung der Biofilmaktivität kann dazu führen, dass die Akkumulation aufgrund der Polarisierung der Substratkonzentration gegenüber dem Biofilmverbrauch überwiegt, was zu einem Anstieg der organischen gelösten Stoffe an der Membranoberfläche führen würde, was das Potenzial für einen erhöhten organischen Fluss über die RO-Membran schafft. Wenn dies der Fall ist, müssen die CIP-Verfahren neu bewertet werden, um unerwünschte negative Auswirkungen auf die biologische Stabilität im Permeat des wiederaufbereiteten RO-Abwassers zu vermeiden. è  Auf dieser Grundlage wird die Ermittlung des Ausmaßes, in dem das Vorhandensein eines RO-Membran-Biofilms die Polarisierung der organischen Substratkonzentration aufgrund der Biofilm-Assimilation verringern kann, bessere Informationen darüber liefern, wie CIP die biologische Stabilität von gereinigtem Abwasser unterstützt oder behindert. Dies wird dazu beitragen, Phasen während des Membranbetriebs zu identifizieren, in denen die Permeatgleichheit aufgrund der Inaktivierung der Biofilm-Assimilation von organischen gelösten Stoffen auf der Membranoberfläche verringert werden kann.

Bewertung der Biofilm-/Gelschicht, die die Konzentrationspolarisation von DOC verstärkt: Bei Salzwasseranwendungen verstärkt die Bildung eines Biofilms nachweislich die Konzentrationspolarisation aufgrund eines (i) erhöhten Widerstands gegen die Rückdiffusion gelöster Stoffe in die Hauptflüssigkeit und (ii) einer geringeren Flüssigkeitsdurchmischung an der Membranoberfläche. Es wird angenommen, dass beide Ereignisse zu einer verstärkten Diffusion aus dem Retentat in den Permeatstrom führen. Es ist jedoch nicht bekannt, inwieweit die Beobachtungen zur Salzübertragung bei der Umkehrosmoseentsalzung für die Übertragung von organischen Stoffen bei der Umkehrosmosebehandlung von geklärten Abwässern relevant sind. Insbesondere Abwasser enthält relativ wenig anorganische Stoffe, dafür aber mehr komplexe lösliche mikrobielle Produkte aus der biologischen Abwasserbehandlung. Alginatgelschichten werden in der Regel im Labormaßstab verwendet, um einen polysaccharidreichen EPS-Biofilm zu imitieren, der einen großen Einfluss auf die Rückdiffusion von gelösten Stoffen hat und die Konzentrationspolarisationsschichten verstärkt. (Herzberg and Elimelech, 2007; Herzberg et al., 2009). Dieses Phänomen wurde zuvor von Radu et al. (2012) berechnet, aber noch nie experimentell im Labor beobachtet.  è Um dieser Einschränkung entgegenzuwirken, wird eine Alginat-Gelschicht verwendet, um die physikalische Struktur von EPS zu simulieren, und das mikrobielle Wachstumspotenzial wird genutzt, um zu beurteilen, ob die verbesserte AOC-Durchlässigkeit in einem Membranfiltrationssystem im Labormaßstab zu beobachten ist. Dies wird dazu beitragen, die Rolle des Biofilms bei der Übertragung organischer gelöster Stoffe und der Permeatqualität zu ermitteln.

3. Methode

3.1 Bewertung der Auswahl der vorgeschalteten biologischen Abwasserbehandlung im Hinblick auf die Membranleistung und die DOC-Durchlässigkeit bei der Kurzzeitfiltration im Labormaßstab

Geklärte sekundäre Abwässer aus AGS- und AS-Reaktoren im Pilotmaßstab wurden routinemäßig innerhalb von 24 Stunden durch eine 150kDa-Ultrafiltration (UP150, MicrodyN Nadir, Wiesbaden, Deutschland) über eine gerührte Dead-End-Filtrationszelle im Labormaßstab (MMS-Membransysteme) mit einem Speisetankvolumen von 450 ml und einer Membranfläche von 26 cm2 unter 2 bar Transmembrandruck (TMP) gefiltert. Das gefilterte UF-Permeat wurde bei -20 °C für maximal 1 Woche gelagert, bis es durch das in der vorherigen Studie (Li et al., 2023) beschriebene MMS-Triple-System mit einer 200Da NF (DuPont FilmTec NF90) unter 10 bar Transmembrandruck (TMP) und 0,4 m/s Querströmungsgeschwindigkeit (CFV), die 80 % hydraulische Rückgewinnung simuliert, gefiltert wurde. Die Durchflussdaten wurden mit dem MMS-Triple-System aufgezeichnet. Die UF- und NF-Membran-Coupons wurden in pasteurisiertem Milli-Q-Laborwasser eingeweicht, um alle auslaugbaren Polymere auszuwaschen, die bei der Filtration im Labormaßstab zu Störungen bei der Rückhaltung organischer gelöster Stoffe führen können.

3.2 Bewertung der chemischen Membranreinigung auf die metabolische Aktivität des Biofilms und die DOC-Transmission in der Langzeitfiltration

Für dieses Experiment wurden Membranfoulingsimulatoren (MFS) verwendet. Die Simulatoren repräsentieren spiralförmig gewickelte RO- und NF-Module hinsichtlich der Membran- und Spacermaterialien, der hydrodynamischen Bedingungen, des Permeatflusses und der Entwicklung des Druckabfalls im Zulaufkanal bei Fouling. Der MFS hatte eine effektive Membranlänge von 0,2 m und eine Breite von 0,04 m. Die Höhe des Zulaufkanals wurde durch den Zulaufspacer bestimmt. Eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus ist in Abbildung 3.2 zu finden.

Lokales Leitungswasser aus der Meerwasserumkehrosmose wurde mit einer zweistufigen Filterpatrone aus Sediment und körniger Aktivkohle (AC-SC-10-NL, Bluefilters, Deutschland) gefiltert, um Restchlor zu entfernen, bevor es dem Simulator zugeführt wurde. Das gefilterte Wasser, das typische Ionen wie Kalzium und Natrium enthielt, wurde mit Nährstoffen angereichert, die aus einer konzentrierten 10-Liter-Stammlösung dosiert und dem Simulator zugeführt wurden.

Die Nanofiltrationsmembranen (FilmTec NF270, DuPont, USA), der Feed-Spacer (31 Millimeter Dicke) und der Permeat-Spacer wurden aus neuen kommerziellen Spiralmembranmodulen gewonnen. Die Membranen wurden in Membranverschmutzungssimulatoren platziert, wobei die aktive Schicht der Feed-Lösung zugewandt war.

Die Membranen wurden vor dem Fouling-Experiment 7 Tage lang mit gefiltertem Leitungswasser bei einer für die Praxis repräsentativen Fließgeschwindigkeit von 0,16m/s konditioniert. Am Ende der Konditionierungsphase wurde die Beziehung zwischen der Flüssigkeitsoberflächengeschwindigkeit und dem Druckabfall in einem sauberen Zufuhrkanal charakterisiert, indem die Geschwindigkeit schrittweise von 0,16 m/s auf 0,04 m/s in Schritten von 0,02 m/s verringert wurde. Anschließend wurde die Geschwindigkeit auf den gewünschten Sollwert eingestellt, um das Fouling-Experiment zu starten, bei dem das gefilterte Leitungswasser mit Nährstoffen angereichert wurde, die aus einer konzentrierten 10-L-Stammlösung dosiert wurden. Die Stammlösung bestand aus Natriumacetat (S7670, Sigma Aldrich, USA), Natriumnitrat (71755, Sigma Aldrich, USA) und Natriumphosphat (71500, Sigma Aldrich, USA), gelöst in Reinstwasser im Massenverhältnis C:N:P von 100:20:10. Um Bakterienwachstum in der Stammlösung zu vermeiden, wurde der pH-Wert durch Zugabe von Natriumhydroxid (S5881, Sigma Aldrich, USA) auf 11 eingestellt. Der hohe pH-Wert der Stammlösung wirkte sich nicht auf den pH-Wert der Futterlösung aus, da die Durchflussrate der Dosierung im Vergleich zur Durchflussrate des Futters gering war. In diesem Experiment wurde eine Stammlösung mit 1mg/L Acetat-C verwendet, und die Filtration wurde mit einer Querströmungsgeschwindigkeit von 0,16m/s und einer Permeatflussrate von 20LMH durchgeführt. Die Entwicklung der Biofilme wurde mit einem OCT-System (GAN610C1, Thorlabs GmbH, Deutschland) mit einer zentralen Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 930 nm überwacht. Das System wurde so konfiguriert, dass es bei einem Brechungsindex von 1,33 und einer A-Bildrate von 36 kHz Bilder liefert.

3.3 Bewertung der Rolle der verstärkten Konzentrationspolarisation Durch Gels bei der DOC-Übertragung

Gleiches Filtrationssystem wird benutzt wie beschrieben in 3.2. Das Zulaufwasser enthaltet typische Ionen, und war mit 80mg/L Natriumalginat gefüllt (Lee et al., 2006). Die Entwicklung der Natriumalginat-Gelschicht (d.h. die Ansammlung von Natriumalginat) wird vor Ort mit dem Glasfenster am Membran-Fouling-Simulator mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) überwacht. Zwei kommerzielle Nanofiltrationsmembranen (NF90 und NF270, DuPont, USA) unter den gleichen konstanten Betriebsbedingungen (Permeatflussrate = 20L/m²/h, CFV = 0,16m/s, T = 25°C) getestet, um eine geeignete Membran für zukünftige Experimente auszuwählen. Verschiedene Membrantypen werden verglichen mit (i) Permeatflussrate, (ii) Salz-Rückhalt, (iii) DOC-Rückhalt, (iv) der physikalischen Struktur des SA-Modell-Biofilms in Dicke und Dichte. Die gewünschte Gelschichtdicke beträgt 30–40µm und die adsorbierte Polysaccharid Masse 0,3mg/cm².

4. Ergebnisse und Diskussion

4.1 Die Auswahl der biologischen Behandlung bestimmt die Membranleistung bei der Wiederverwendung von Abwasser: Auswirkungen auf den Permeatfluss und die Wasserqualität

4.1.1 Wichtige Eigenschaften von AS- und AGS-Schlämmen

Tabelle 4‑1 Schlüsselindikatoren für die Eigenschaften und Leistung von AS- und AGS-Schlämmen

Die routinemäßig gesammelten Abwasserzuflüsse und -abflüsse der Pilotkläranlage für AS und AGS an der HTK Neuss wurden analysiert und verglichen (siehe Tabelle 4.1). Die AGS-Kläranlage wies einen höheren Gehalt an suspendierten Feststoffen in der Mischflüssigkeit (MLSS) und eine bessere Absetzbarkeit des Schlamms auf, was sich in einem niedrigeren Schlammvolumenindex (SVI30) im Vergleich zur AS-Kläranlage widerspiegelte. Die AGS-Behandlung erzielte höhere Entfernungsraten für CSB und Gesamtstickstoff (TN), aber eine etwas geringere Gesamtphosphorentfernung (TP) im Vergleich zur AS.

4.1.2 Hydraulische Leistungsanalyse der UF-NF-Membran

Hydraulische Leistung der UF-Membranen

Sekundärabwässer aus AS- und AGS-Reaktoren wurden unter identischen Bedingungen durch eine 150kDa UF-Membran gefiltert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Permeatfluss der AGS-UF während des gesamten Filtrationsprozesses durchgängig höher war als der der AS-UF, was auf die besseren Sedimentationseigenschaften der AGS zurückzuführen ist, die zu einem geringeren Feststoffeintrag in das Abwasser und einer geringeren Membranverschmutzung führten (Abbildung 4.1a). Die Analyse des hydraulischen Widerstands ergab eine deutlich geringere Bildung von Kuchenschichten (reversibles Fouling) für AGS-Abwasser im Vergleich zu AS-Abwasser (Abbildung 4.1b). Diese Ergebnisse stimmen mit der Literatur (Ali et al., 2023) überein, wonach die Verschmutzung der UF durch AGS-Abwasser aufgrund der geringeren Feststofffracht geringer ist.

Hydraulische Leistung der NF-Membran

Nach der UF-Filtration wurde das Permeat mit einer 200Da Nanofiltration (NF) weiterbehandelt. Das AS-NF-System behielt während des gesamten Filtrationsprozesses einen relativ stabilen Permeatfluss bei, während das AGS-NF-System einen drastischen Rückgang des Flusses von 99 auf 10 LMH verzeichnete, als eine hydraulische Rückgewinnung von 80 % erreicht war (Abbildung 4.1c). Dieser Rückgang ging mit einem größeren reversiblen und irreversiblen Widerstand während der AGS-NF-Filtration einher, was auf eine stärkere Verschmutzung hinweist (Abbildung 4.1d). Dieses Ergebnis deutet auf einen möglichen Kompostierungsunterschied von organischen Stoffen mit niedrigem Molekulargewicht hin, die AGS-NF verschmutzen.

4.1.3 Mechanismus der UF-NF-Membranverschmutzung

Optische Kohärenztomographie (OCT) der verschmutzten UF- und NF-Membranoberfläche

Bilder der optischen Kohärenztomographie (OCT) zeigten eine dickere Kuchenschicht auf der UF-Membranoberfläche mit deutlich mehr Partikeln bei der Filtration von AS-Abwasser (Abbildung 4.2a) im Vergleich zu AGS-Abwasser (Abbildung 4.2b), was den beobachteten geringeren Durchfluss bei der AS-UF-Filtration unterstützt. In der NF-Phase war der Unterschied in der Kuchenschichtbildung zwischen AS-NF und AGS-NF in OCT-Bildern weniger deutlich (Abbildung 4.2c und d). Die REM-Analyse mit einer genaueren Bildauflösung der verschmutzten NF-Membranen zeigte jedoch eine dichtere, kompaktere Kuchenschicht auf der AGS-NF-Membranoberfläche, die zu dem beobachteten Flussrückgang beitrug.

Mechanismus der NF-Membranverschmutzung: spezifischer Widerstand der Kuchenschicht

Die Fouling-Mechanismen der NF-Membranen wurden durch Auswertung des spezifischen Widerstands der während der Filtration gebildeten Kuchenschichten analysiert. Obwohl die Gesamtanreicherung von organischem Kohlenstoff auf den Oberflächen der NF-Membranen zwischen AS und AGS ähnlich war (284,5 ± 71,4 mgC/m² für AS und 336,7 ± 98,9 mgC/m² für AGS), unterschied sich der spezifische Widerstand der Kuchenschicht erheblich.

Der spezifische Widerstand der AGS-NF-Kuchenschicht war deutlich höher als der der AS-NF-Kuchenschicht. Dieser höhere Widerstand deutet auf eine kompaktere und weniger poröse Struktur der aus AGS hergestellten Kuchenschicht hin. Der dichtere Kuchen auf der AGS-NF-Oberfläche schränkt den Wasserfluss stärker ein, was zu dem beobachteten drastischen Rückgang des Permeatflusses während der Filtration führt (Abbildung 4.3a).

REM-Bilder bestätigten diese Ergebnisse. Die AGS-NF-Membranoberfläche wies eine fest verdichtete Kuchenschicht auf (Abbildung 4.3d), im Gegensatz zu der eher locker strukturierten Kuchenschicht auf der AS-NF-Membranoberfläche (Abbildung 4.3c). Diese kompakte Beschaffenheit der AGS-Kuchenschicht trägt zu ihrem höheren Widerstand und größeren Einfluss auf den während der NF-Phase beobachteten Flussrückgang bei. Dies bestätigt die Hypothese, dass unterschiedliche Speisewassereigenschaften einen starken Einfluss auf die Leistung der dichten Membran haben.

4.1.4 Auswirkung der UF- und NF-Membranen auf die Wasserqualität

UF-NF DOC und anorganische Salzrückhaltung  

Trotz der Unterschiede in der hydraulischen Leistung wiesen sowohl AS- als auch AGS-Systeme eine ähnliche Entfernung von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) im UF-NF-Verfahren auf. Die UF-Filtration erreichte sowohl für AS- als auch für AGS-Abwässer eine DOC-Rückhaltung von etwa 15 %, während die NF-Filtration eine DOC-Rückhaltung von etwa 97 % erzielte (Abbildung 4.4a). Die Leistung bei der Rückhaltung anorganischer Salze war bei AS und AGS ebenfalls ähnlich, wobei bei der UF-Filtration keine Rückhaltung erfolgte, während sie bei der NF-Filtration etwa 65 % betrug.

Mikrobielles Wachstumspotenzial als Indikator für die AOC-Konzentration aus der NF-Filtration

Das mikrobielle Wachstumspotenzial wurde als Indikator für die Menge an assimilierbarem organischem Kohlenstoff im NF-Zulauf, Retentat und Permeatstrom bewertet (Abbildung 4.5). Das AS-Abwasser enthielt mehr AOC und die meisten davon wurden von der NF-Membran zurückgehalten. Im Vergleich dazu enthielt das AGS-Abwasser relativ wenig AOC, was zum mikrobiellen Wachstum beiträgt, aber der Anteil, der die NF-Membran passierte, war höher, was ein relativ größeres bakterielles Wachstum im NF-Permeat verursachte.

Andererseits enthielt das AS-NF-Retentat höhere AOC-Konzentrationen (889,9mg/L) als das AGS-NF-Retentat (389,2mg/L), was auf ein höheres Risiko der Biofilmbildung und des langfristigen Biofoulings im AS-NF-System trotz besserer kurzfristiger Leistung hinweist.

4.2 Clean-in-Place von dichten Membransystemen reduziert die Stoffwechselaktivität der Bewuchsschicht und die Entfernung von assimilierbarem organischem Kohlenstoff

4.2.1 Biofilmentwicklung in einem mit Spacern gefüllten Kanal

In der industriellen Praxis wird die relative Änderung des Druckabfalls üblicherweise als Kriterium für die Einleitung einer Reinigung verwendet. Die primäre Abhängigkeit des Druckabfalls von den Flüssigkeitseigenschaften und der Geschwindigkeit kann in relativen Darstellungen des Druckabfalls entfernt werden, z. B. die Zunahme des Druckabfalls geteilt durch den anfänglichen Druckabfall (Huisman et al., 2023). Der relative Druckabfall steht in der Regel in engem Zusammenhang mit der Menge des im Zulaufkanal entwickelten Biofilms. Der Biofilm-Volumenanteil wurde anhand täglicher OCT-Bilder bestimmt, und der relative Druckabfall als Funktion des Biofilm-Volumenanteils in 12 Membranfouling-Simulatoren (MFS) ist in Abbildung 4.6 dargestellt. Daraus ergibt sich ein klares Bild davon, wie die Biofilmentwicklung die hydrodynamischen Bedingungen im Kanal beeinflusst.

4.2.2 Die Rolle der Stoffwechselaktivität des Biofilms bei der DOC-Entfernung

Da der Biofilm im Kanal wächst, ist ein deutlicher Unterschied zwischen dem Durchfluss von organischen und anorganischen Stoffen zu beobachten. Obwohl am Ende jedes MFS-Experiments eine große Menge an Biofilm mit einem RPD von über 500 % zu beobachten war, änderte sich der Gesamtdurchfluss anorganischer Salze (einschließlich Na, Ca, Mg; Cl) mit zunehmendem Biofilmvolumenanteil nicht (schwarze Quadrate in Abbildung 4.7a). Allerdings wurde während der Entwicklung des Biofilms ein signifikanter Rückgang des DOC-Durchgangs beobachtet, was auf die Rolle der Stoffwechselaktivität des Biofilms bei der Entfernung von DOC aus dem Speisewasser hinweist, trotz einer sehr kurzen hydraulischen Verweilzeit von weniger als 2s in diesem Langzeitexperiment im Labormaßstab.

Die Rolle der Stoffwechselaktivität des Biofilms bei der DOC-Entfernung wird auch durch die DOC-Entfernungsrate bestätigt, die durch die Massenbilanz der DOC-Masse in Zulauf, Retentat und Permeat berechnet wird (Abbildung 4.7b). Mit der Erhöhung des Biofilm-Volumenanteils im Zulaufkanal ist ein signifikanter Anstieg der DOC-Entfernungsrate bis zu einem Biofilm-Volumenanteil von 0,06 zu beobachten. Danach erreicht der Biofilm seine Wachstumsgrenze und die DOC-Entfernungsrate bleibt konstant. Diese Entwicklung der DOC-Entfernungsrate stimmt mit der Monod-Kinetik überein, die besagt, dass die Biomasse einen selbstlimitierenden Zustand erreicht und die Verwendung von DOC hauptsächlich zur Aufrechterhaltung der Biomasse beiträgt, im Gegensatz zur Wachstumsphase, in der der DOC für die Zellproduktion und -entwicklung verwendet wird.

4.2.3 Auswirkungen der chemischen Reinigung der Membranen (CIP) auf die Stoffwechselaktivität des Biofilms und die DOC-Passage

In der Praxis wird die chemische Reinigung der Membranen (CIP) häufig angewandt, um das Fouling der Membranen zu entfernen und die hydraulische Leistung der Membranen wiederherzustellen. Die Anwendung der chemischen Reinigung basiert in der Regel auf dem Anstieg des relativen Druckabfalls, der die Menge des Biofoulings im Kanal anzeigt. Daher wurde in diesem Experiment das am häufigsten verwendete Reinigungsprotokoll mit 0,1% NaOH und 0,2 %HCl ausgewählt, um die Simulatoren für das Fouling der Membran zu reinigen. Wie in Abbildung 4.8a zu sehen ist, reduzierte die CIP effektiv die Menge an Biomasse (Volumenanteil des Biofilms) sowie den relativen Druckabfall für den hydraulischen Leistungsindikator. Dieser Effekt der Entfernung wird auch in Abbildung 4.8d anhand von OCT-Querschnittsbildern veranschaulicht.

Nach CIP stieg der DOC-Durchlass jedoch von 14 % auf 28 %, was auf eine Abnahme der Permeatqualität mit der DOC-Konzentration des organischen Kohlenstoffs hinweist (siehe Abbildung 4.8b). Gleichzeitig blieb der Durchfluss von anorganischen Salzen konstant (79 % vor und nach CIP), was darauf hindeutet, dass die Membran nicht durch die Chemikalien beschädigt wurde. Diese Ergebnisse ermöglichten ein tieferes Verständnis der Rolle der metabolischen Aktivität des Biofilms, die eine positive Rolle bei der DOC-Entfernung spielte. Die chemische Reinigung der Membran wirkt sich negativ auf die Permeatqualität aus, da sie die Stoffwechselaktivität des Biofilms reduziert.

Das CIP der Membranen war nicht effektiv genug, um die Biomasse zu entfernen, während immer noch ein Rest des Biofilms im Kanal zu finden ist, wie in Abbildung 4.8a (Biofilm-Volumenfraktion) und 4.8c (TOC) dargestellt. Das CIP reduzierte jedoch effektiv die Zellaktivität, wie in Abbildung 4.8c zu sehen ist, mit einer starken Reduzierung des ATP der Biomasse auf der Membranoberfläche und dem Feed Spacer. Das CIP tötet, reinigt aber nicht. Dies bestätigte auch die Hypothese, dass der Verlust der Stoffwechselaktivität des Biofilms die DOC-Entfernung reduziert und uns eine neue Perspektive für die Kontrolle des Biofilms bietet, während es auch positive Auswirkungen auf die Optimierung der Permeatqualität haben kann.

4.3 Auswirkung der Alginatgelschicht auf die Durchlässigkeit für organische und anorganische gelöste Stoffe: experimentelle Bewertung der durch das Gel verstärkten Konzentrationspolarisation bei der Anwendung der Membrantechnologie in der Abwasserwiederverwendung

In der vorangegangenen Studie wurde bei der Untersuchung der Langzeit-Membranfiltration hinsichtlich der Auswirkung von CIP auf die Stoffwechselaktivität des Biofilms und die DOC-Passage das Phänomen der durch den Biofilm verstärkten Konzentrationspolarisation nicht über den gesamten Filtrationszeitraum beobachtet, obwohl eine große Menge an Biofilm beobachtet wurde. Dies könnte auf die physikalische Struktur des Biofilms zurückzuführen sein, da er nicht dicht genug war, um die Rückdiffusion zu behindern und die Konzentrationspolarisation zu verstärken. Daher führen wir ein weiteres Experiment mit einer Alginat-Gelschicht durch, um den Biofilm zu imitieren und um zu sehen, ob das Phänomen sowohl auf der NF90- als auch auf der NF270-Membran signifikant genug ist oder nicht. Obwohl ein deutlicher Anstieg des hydraulischen Widerstands der Gelschicht auf der NF90-Membran beobachtet wurde (Abbildung 4.9b), blieb der Salzdurchlass während der gesamten Filtrationsdauer konstant. Die erhöhte Konzentrationspolarisation wurde bei dieser vereinfachten Methode leider nicht beobachtet.

Es gibt viele Gründe, die dazu führen können, dass das Phänomen im Vergleich zur Literatur unbedeutend ist. Ein Hauptgrund ist, dass eine verstärkte Konzentrationspolarisation hauptsächlich bei der Meerwasserentsalzung mit einer mindestens 10-fach höheren Salzkonzentration und einer größeren Rückgewinnung beobachtet wurde. Die niedrige Konzentration und die einfache Kombination von Ionen kann zu einer weniger signifikanten Erkennung während des Experiments führen. Auf dieser Grundlage wird das nächste Experiment mit echtem Abwasser und großtechnisch durchgeführt, um zu sehen, ob es immer noch nicht signifikant ist, wenn wir komplexere Ionen und höhere Konzentrationen durch Filtration im echten Leben mit echtem Abwasser haben.  Dies würde mit dem AP2 übereinstimmen, dass die physikalische Struktur des Biofilms einen Einfluss auf BECP haben kann, wenn reales Abwasser verwendet wird.

5. Ausblick

Letztes Jahr, im Jahr 2023, wurde im Rahmen der Arbeit am AGS AS-Membran-Hybridsystem die Auswirkung der Auswahl einer vorgeschalteten biologischen Abwasserbehandlung auf die nachgeschaltete Membranleistung für die Wiederverwendung von Abwasser untersucht. Dies entspricht dem AP1 des Forschungsvorschlags, wie sich die Eigenschaften des Speisewassers auf die Leistung der dichten Membran und die Qualität des wiedergewonnenen Wassers auswirken können. Durch die Verwendung von echtem Abwasser und die Nachahmung desselben Prozesses der Abwasserwiederverwendung ist die Hypothese näher an der Realität. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben einen guten Einblick, wie sich die Unterschiede in der Zusammensetzung des Speisewassers auf den Fouling-Mechanismus der NF-Membran und die Qualität des zurückgewonnenen Wassers auswirken können.

In diesem Jahr 2024 wurde ein weiterer Schritt von der Kurzzeit- zur Langzeitbewertung der Membranverschmutzung in Bezug auf die positive Auswirkung des Biofilms auf die DOC-Entfernung bestätigt, und auf dieser Grundlage hat die meist verwendete chemische Reinigung der Membran, bei der der Biofilm zwar abgetötet, aber nicht effektiv gereinigt wurde, einen negativen Effekt auf die Permeatqualität gezeigt. Dies deckt sich mit der im Vorschlag AP3 aufgestellten Hypothese, dass wir das derzeitige CIP-Protokoll neu bewerten müssen, um die Biomasse nicht abzutöten, sondern extrazelluläre polymetrische Substanzen zu lösen, um ihren hydraulischen Widerstand zu verringern. Diese Ergebnisse lieferten auch eine neue Perspektive für die Entwicklung des Biofilms, da seine Stoffwechselaktivität einen starken positiven Effekt auf die Entfernung von organischem Kohlenstoff hat, was letztendlich die Qualität des gereinigten Wassers verbessern kann. Zukünftige Studien sollten sich darauf konzentrieren, die Aktivität des Biofilms zu nutzen, um die Qualität des gereinigten Wassers zu verbessern und seinen hydraulischen Widerstand zu verringern.

Der Grund, warum wir im letzten Experiment synthetisches Abwasser verwendet haben, war, dass wir die Komplexität von echtem Abwasser reduzieren wollten, um zunächst das Prinzip zu bestätigen, das noch nie zuvor untersucht oder berichtet wurde. Dadurch wird sichergestellt, dass die DOC-Entfernung direkt von der Stoffwechselaktivität des Biofilms abhängt und nicht von anderen unbekannten Parametern. Sobald die Hypothese, wie im Ergebnis gezeigt, bestätigt wurde, können wir mit der Beobachtung in der großtechnischen Anlage fortfahren. Dies ist ein notwendiges Verfahren für wissenschaftliche Strenge. Die durch den Biofilm verstärkte Konzentrationspolarisation sowohl organischer als auch anorganischer gelöster Stoffe bei der dichten Membranfiltration wurde im Labormaßstab nicht beobachtet. Wie im vorangegangenen Abschnitt erläutert, kann die vereinfachte Methode mit künstlichem Abwasser die Beobachtung des Phänomens erschweren, z. B. aufgrund der geringen Ionenkonzentration, der geringeren hydraulischen Rückgewinnung und der weniger komplexen Eigenschaften des Speisewassers. Derzeit kann jedoch noch nicht gesagt werden, dass dieses Phänomen für die Abwasseraufbereitung mit einer dichten Membran wirklich von Bedeutung ist, da die Salzkonzentration im Abwasser im Allgemeinen viel geringer ist als im Meerwasser und das Verständnis dieses Phänomens hauptsächlich auf der Meerwasserentsalzung beruht.

Vom ersten bis zum zweiten Jahr der Forschungsarbeit haben wir die Untersuchung von der kurzfristigen Membranfiltration bis zur langfristigen Bewertung des Biofoulings durchgeführt, aber beides waren Experimente im Labormaßstab. Im dritten Jahr der Forschungsarbeit planen wir einen weiteren Schritt, indem wir reale MBR-Abwässer auf RO-Modulen in Originalgröße verwenden, die zuvor in einer RO-Filtrationsanlage in Originalgröße montiert wurden. Ziel ist es, 1) den Mechanismus des Membranfoulings mit Hilfe von RO-Modulen im Originalmaßstab zu untersuchen; 2) den Einfluss von CIP auf die physikalische Struktur und die Stoffwechselaktivität des Biofilms zu untersuchen; 3) zu untersuchen, ob eine durch den Biofilm verstärkte Konzentrationspolarisation (BECP) bei komplexer DOC-Zusammensetzung in realen Abwässern während des Langzeitbetriebs beobachtet werden kann, die nicht nur kleinen, sondern auch größeren langsam/nicht biologisch abbaubaren organischen Kohlenstoff enthalten. Die voraussichtliche Betriebsdauer wird 6-8 Monate betragen, und das RO-Modul wird von Acciona bereitgestellt. Die Ergebnisse aus dem nächsten Jahr, in dem reale Abwässer in einem großtechnischen Umkehrosmose-Modul verwendet werden, werden nicht nur die bisher beobachteten Phänomene bewerten und validieren, sondern auch das Wissen in die Praxis einbringen, wie im Forschungsplan vorgeschlagen. Dies passt perfekt zu den AP2 und AP3 des Vorschlags und bringt sogar ein tieferes Verständnis der Membranfiltration für die Wiederverwendung von Abwasser, da wir nicht nur echtes Abwasser, sondern auch ein Filtrationssystem im realen Leben statt im Labormaßstab verwenden werden. Die Beobachtungen werden nicht nur für die wissenschaftliche Forschung relevant sein, sondern auch für die praktische Anwendung, um die dichte Membranfiltration für die Abwasserrückgewinnung und die Qualität des wiedergewonnenen Wassers zu optimieren.

Am Ende werden die Ergebnisse der Studie gezielte Biofilm-Management-Strategien für eine verbesserte Rückhaltung organischer gelöster Stoffe in dichten Membranen liefern. Dies wird die Bereitstellung von biologisch stabilen Permeaten mit minimalem Chlorbedarf für eine nachhaltige Brauch- und Trinkwasseraufbereitung und -verteilung ermöglichen.