Membranbiologie statt Ertüchtigung von Nachklärbecken

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1 50 Jahre Oswald Schulze Stiftung Technische Innovationen bei der Abwasserreinigung , Münster Membranbiologie statt Ertüchtigung von Nachklärbecken Norbert Engelhardt

2 Membranbelebungsanlagen des Erftverbands GKW Nordkanal EW (2004) Mönchen- Gladbach Neuss KA Titz-Rödingen EW (1999) Grevenbroich Bergheim Köln Düren KA Bergh.-Glessen EW (2008) Aachen Bonn Euskirchen 2

3 Kläranlagen im Vergleich Kläranlage Grevenboich Konventionelle Verfahrenstechnik Ausbau: EW ohne Flockungsfiltration anaerobe Schlammbehandlung drei Nachklärbecken Klärwerk Nordkanal Membranbelebungsanlage Ausbau EW mit Feinsiebung (noch) ohne Schlammfaulung 3 MBR-Halle

4 Anforderungen an die Abwasserreinigung Aktuelle und perspektivische Anforderungen Weitgehende Nährstoffelimination Geringer Energiebedarf Elimination von Mikroplastik Elimination von multiresistenten Keimen Hygienisierung des KA-Ablaufes Elimination von Spurenstoffen Kleinräumige Bauweise Effizienz (Schaffung wirtschaftlicher Kläranlagengrößen) Limitierende technische Faktoren Größe der biologischen Stufe (Beckenvolumina) Sedimentationsverfahren (Vorklärung, Nachklärung) Flächenverfügbarkeit (für zusätzliche Stufen bzw. Erweiterungen) Energiebedarf 4

5 Prinzip des Sedimentationsverfahrens Nachklärung Abwasser Belebtschlamm, Wasser Überlauf AFS im Ablauf NK: 5 15 mg/l Schlammabzug 5

6 Prinzip des Membranverfahrens Abwasser, Belebtschlamm, Wasser Überströmung Membran Porengröße der Membran: Mikrofiltration: 0,1 10 µm Ultrafiltration: 0,01 0,1 µm Nanofiltration: 0,001 0,01 µm Filtrat, Permeat AFS im Ablauf MBA: 0 mg/l

7 Trenngrenzen der Membranverfahren Filtrationsverfahren Mikrofiltration Partikelfiltration Ultrafiltration Umkehrosmose Nanofiltration Zurückgehaltene Stoffe Suspendierte Stoffe Moleküle, Salze Kolloide Viren Bakterien mm Durchmesser in [mm] 7 Nominale Porengröße der UF-Membrane

8 Größenvergleich Bakterien./. Membranporen E. Coli ca. 0,5-1,5 µm MS2-Virus (Coliphage) ca. 0,025 µm B. Subtilis ca. 0,3 µm Porengröße ca. 0,04 µm Membran Membran Ultrafiltration

9 Verfahrenstechnischer Vergleich konventionelle Kläranlage./. Membranbelebungsanlage Konventionelle Verfahrenstechnik Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter ggf. ggf. Membranbelebungsanlage Feinsieb Membranbelebung mit integrierter Membran Feinsieb Membranbelebung separater Membranfilter 9

10 Vorteile der Membrantechnologie Verbesserte Beschaffenheit des Kläranlagenablaufs vollständiger Feststoff- und Mikroplastikrückhalt geringe CSB- und BSB5- und Pges-Konzentrationen im Ablauf (Teil-)Hygienisierung (z. B. keine multiresistenten Keime im Ablauf) gute Vorbehandlung für nachgeschaltete Spurenstoffelimination Verbesserte technische (Betriebs-)Bedingungen keine Betriebsprobleme durch Schaum, Schwimm- oder Blähschlamm kleine Belebungsbeckenvolumina durch hohe Biomassekonzentrationen im Belebungsbecken (TS BB : 8 12 g/l (bis zu 15 g/l möglich)) Wegfall von Nachklärbecken und konventioneller Filtration geringer Platzbedarf vollständiger Rückhalt von PAK (bei simultaner Spurenstoffelimination) ohne Absetzbecken und/oder Sandfiltration 10

11 Beispiel 1: GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage Verfahrensschema (2004) Rechen Sand- Fettfang Siebe FM Denitrifikation/ Variozone Nitrifikation/ Membranfiltration Permeat Kenngrößen: Ausbaugröße: Abwassermenge RZ ÜSS MSE EW m³/d (Mischwasserzufluss) Eindicker Volumen Belebung m³ (DN - Vario - N) Bemessung TS Belebung 12 g/l ( derzeit 8-10 g/l ) Filterfläche Membrane m² (Hohlfaserkapillare) Nominale Porengröße 0,04 µm (Ultrafiltration) 11

12 Flächenvergleich Membranbelebungsanlage./. Konventionelle Kläranlage Beispiel: Klärwerk Nordkanal ( EW) Ausbau mit Membrantechnik Konventioneller Ausbau Siebung 12

13 GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage, EW Verfahrenstechnische Änderung 2018 Konventionelle Verfahrenstechnik Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter Verfahrenskonzept Membranbelebungsanlage Nordkanal (alt / neu)l 2004 Feinsieb Membranfilter 2018 Feinsieb Membranfilter 13

14 GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage, EW Umbaukonzept Membranbelebungsanlage mit Klärschlammfaulung und Eigenstromgewinnung Ziel: Reduzierung der Betriebskosten Reduzierung Energieverbrauch von ca. 0,6 kwk/m³ auf 0,45 kwh/m³ Eigenstromerzeugung Reduzierung Klärschlammanfall Stand der Bauabwicklung: Bau im Zeitplan (Fertigstellung Jahresende 2018) Kosten: ca. 9,5 Mio Förderung durch NRW + BMU (in Summe ca. 50%) 14

15 GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage, EW 2018: Ergänzung mit anaerober Schlammstabilisierung und BHKW Vorklärbecken + Siebung Deammonifikation Gasspeicher Faulbehälter BHKW- Gebäude Gefördert durch: Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW + Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 15

16 Beispiel GKW Nordkanal Kennzahlen Ausbauvarianten Bauwerke Konventioneller Ausbau MBR-Anlage (2004) MBR-Anlage (2018) Rechen 8 mm 5 mm 5 mm Sandfang 24,5 m 24,5 m 24,5 m Siebung - 1,5 mm (Masche) 1,5 mm (Masche) Vorklärung 750 m³ m³ Belebung m³ m³ m³ Nachklärung m² 0 0 Filterfläche 130 m² m² m² Schlammspeicher m³ m³ m³ Faulbehälter m³ m³ Gasbehälter m³ m³ Umbauter Raum m³ m³ m³ Flächenbedarf m² m² m³ 16 Versiegelte Fläche m² m²

17 Beispiel 2: Kläranlage BM-Glessen (5.000 EW) Lageplan, Bestand 2005 Belebungsbecken Pumpwerk Sandfang Betriebs- gebäude Rechen Nachklärung Schlamm- speicher Glessener Bach 17

18 Verfahrenstechnischer Vergleich (KA Glessen) konventioneller Ausbau./. Membranbelebungsanlage Ausbaukonzept mit konventioneller Verfahrenstechnik (5.000 EW EW) Rechen Sandfang Verteiler Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter neu ggf. Ausbau mit Membranbelebungsverfahren (5.000 EW EW) Feinsieb Membranfilter 18

19 Kläranlage BM-Glessen, EW Lageplan 2008 GKW Nordkanal, Erftverband

20 Kläranlage BM-Glessen, EW alte Überwachungswerte BSB 5 CSB NH 4 -N P ges 30 mg/l 90 mg/l 10 mg/l 2 mg/l Fläche der alten Kläranlage (5.000 EW) Ergänzung um Membranfiltration (9.000 EW) neue Überwachungswerte BSB 5 CSB NH 4 -N P ges 6 mg/l 30 mg/l 1,5 mg/l 0,6 mg/l 20

21 Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen Hygienische Qualität des gereinigten Abwassers Parameter Einheit Durchschn. Wert Max. Wert Nachweismethode EG Badegewässerrichtlinie Salmonellen /100 ml < 30 < 30 DIN (MPN-Methode) k.a. Intestinale Enterokokken /100 ml 1 4 DIN EN ISO * E-coli /100 ml 1 6 Colilert -18/Quanti-Tray 500 * Coliforme Bakt. /100 ml < Colilert -18/Quanti-Tray k.a. * ausgezeichnete Qualität 21

22 Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen Elimination von Mikroplastik in Kläranlagen Vergleich des Ablaufs unterschiedlicher Kläranlagen/-verfahren GKW Nordkanal Quelle: Abschlussbericht Forschungsprojekt Mikroplastik, Hochschule Bremen,

23 Partikelrückhalt in einer Kläranlage Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen Vorreinigung Vorklärung Biologische Stufe Nachklärung Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 10 34% 66 90% 80 90% Beispiel: Von Partikeln im Zulauf gelangen in den Ablauf: Partikel. 23 nach Talvitie, 2018

24 Partikelrückhalt in einer Kläranlage Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen Vorreinigung Biologische Stufe Sand- Filtration Vorklärung Nachklärung Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 1 10% 66 90% 90 99% 80 90% Beispiel: Von Partikeln im Zulauf gelangen in den Ablauf Partikel. 24 nach Talvitie, 2018

25 Partikelrückhalt in einer Kläranlage Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen Vorreinigung Vorklärung Biologische Stufe Membran- Filtration Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 0,01 0,1% 99,9-99,99% Beispiel: Von Partikeln im Zulauf gelangen in den Ablauf 1 10 Partikel. 25 nach Talvitie, %

26 Entwicklung der spez. Kosten getauchter Membranen MBA Rödingen (3.000 EW) MBA Nordkanal ( EW) KA Glessen (9.000 EW) 26 nach Brepols

27 Reinigungsleistung Betriebssicherheit - Wirtschaftlichkeit der Membranbelebungsanlagen des Erftverbandes Qualität des gereinigten Abwassers: hervorragend seit mehr als 14 Jahren: ständig hohe Reinigungsleistung frei von Feststoffen bzw. Partikeln nahezu hygienisiert (keine multiresistenten Keime) frei von Mikroplastik Betriebssicherheit: sehr hoch seit mehr als 14 Jahren: 100% Verfügbarkeit Standzeit der Membranen: wirtschaftlich IST (2018): > 14 Jahre Energiebedarf: normal IST ( 2016): < 0,60 kwh/m³ Plan ( 2019): < 0,45 kwh/m³ (mit Vorklärung + Faulung) 27

28 Fazit und Ausblick Membranbelebungsanlagen zeigen im langjährigen Dauerbetrieb durchgängig sehr gute und stabile Betriebsergebnisse. Der Ablauf von MBA unterschreitet die Grenzwerte der EG-Badegewässerrichtlinie bei weitem. (Teil-Hygienisierung) Die Standzeit der Ultrafiltrationsmembrane in der MBA Nordkanal beträgt mittlerweile mehr als 14 Jahre. Der spezifische Energieverbrauch der MBA Nordkanal liegt derzeit unter 0,60 kwh/ m³. Mit der Inbetriebnahmen anaeroben Schlammbehandlung wird eine weitere Senkung auf 0,45 kwh/m³ erwartet. Durch Umrüsten konventioneller Kläranlagen zu Membranbelebungsanlagen kann die Kapazität der vorhandenen biologischen Stufe mehr als verdoppelt werden (höherer TS BB, keine Nachklärung erforderlich) Mit Membranbelebungsanlagen können viele aktuell diskutierten Problemstoffe in einer Behandlungsstufe eliminiert (Mikroplastik, multiresistente Bakterien) oder signifikant reduziert werden (z. B. Phosphor, Spurenstoffe bei PAK-Zugabe). 28

29 Membranbelebungsanlagen statt Ertüchtigung von NK-Becken Ein besonderer Dank geht an: Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft Natur- und Verbraucherschutz NRW 29