Abschlussbericht. DBU-Projekt, AZ: 20695
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- Lorenz Wagner
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1 An die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) An der Bornau Osnabrück Abschlussbericht DBU-Projekt, AZ: Entwicklung einer Ultrafiltrationsanlage zur weitergehenden Reinigung des Ablaufs aus vollbiologischen Kleinkläranlagen und Schmutzwasser ähnlicher Zusammensetzung Gemeinschaftsprojekt zwischen der Firma ATB Umwelttechnologien GmbH in Porta Westfalica und der Fachhochschule Bielefeld Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. Johannes Weinig Dipl.-Ing. Torsten Vogt Projektlaufzeit Oktober 2003 bis Februar 2005 (10/03 02/05) Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Torsten Vogt Dipl.-Ing. Sebastian Schach Vlotho/Minden 30. Mai 2005 Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 1 von 40
2 Gliederung Seite 0. Zusammenfassung 3 1. Veranlassung 4 2. Grundlagen Membrantechnologie Trenngrenzen Bauformen Werkstoffe Verfahren Flux limitierende Faktoren Wichtige Begriffe der Membrantechnologie Versuchsaufbau und Membranen Verfahren Ausgewählte und getestete Module Versuchsdurchführung und Ergebnisse Permeabilität verschiedener Module (Phase I) Einfluss von Belüftung, Rückspülung und Zugabe von Inertstoffen auf die Permeabilität (Phase II) Betrieb mit robuster Technik (Schwerkraftanlage für weitgehend feststofffreies Wasser) Entwicklung der Keimzahlen im Permeat (Phase III) Prototyp Schwimmtonne Diskussion und Ausblick Literaturverzeichnis 38 Anhang: Verzeichnis der Tabellen 39 Anhang: Verzeichnis der Abbildungen 40 Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 2 von 40
3 0. Zusammenfassung Zur Schonung der Wasserressourcen sollen Wässer unterschiedlicher Zusammensetzung zu Brauchwasser aufbereitet werden. Hierfür sollen die im großen Maßstab erprobten Verfahren für einen dezentralen robusten Betrieb in kleinen Einheiten verfügbar gemacht werden. Die Firma ATB Umwelttechnologien GmbH hat zusammen mit der Fachhochschule Bielefeld mit Fördermitteln der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) an der Entwicklung einer Ultrafiltrationsanlage zur weitergehenden Reinigung des Ablaufs aus vollbiologischen Kleinkläranlagen und Schmutzwasser ähnlicher Zusammensetzung geforscht. Von Oktober 2003 bis Februar 2005 wurden Untersuchungen an der FH Bielefeld auf dem Werksgelände der Firma ATB und auf der Kläranlage Möllbergen angestellt. Mit der Membranverfahrenstechnik können Feststoffe entfernt und pathogene Keime eliminiert werden. Mit dem so behandelten Abwasser kann eine Qualität nach der EU- Badegewässerverordnung erzielt und so einer Nutzung als Brauchwasser zugeführt werden. Diese Technologien können in semiariden Gebieten die Wasserprobleme entschärfen. Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine einfach zu installierende, kostengünstige und verfahrenstechnisch einfache Umsetzung der Membranfiltration (Ultrafiltration) als Erweiterung bestehender vollbiologischer Kleinkläranlagen zu entwickeln. Die Leistungsfähigkeit der Membranmodule wird nach Durchsatzleistung, Permeabilität und Keimreduktion beurteilt. Unterschiedliche Membranmodule wurden mit variierenden Betriebseinstellungen getestet. Die Leistungsunterschiede zwischen den Modulen sind erheblich. Entgegen der Vermutung sinkt die Permeabilität mit der Konzentration an Feststoffen im Rohwasser. Entgegen der Erwartung bildet sich eine dichtere Deckschicht auf der Membran aus. Trotz einer Veränderung des Spülzyklus ist die geringere Permeabilität nicht dauerhaft aufrecht zu halten. Auf eine Belüftung oder Überströmung der Membranoberfläche zur Aufrechterhaltung der Permeabilität, kann nicht verzichtet werden. So kann der Energieaufwand verfahrensbedingt nicht verringert werden. Eine Schwerkraftmembrananlage wurde entwickelt und erprobt. Für diese Anlage ist eine Pumpe entbehrlich. Allein der hydrostatische Druck reicht als treibende Kraft des Verfahrens. Dieses System ist stationär aufstellbar. Eine mobile Variante wurde mit dem Prototyp Schwimmtonne gebaut. Diese Schwimmtonne kann in ein Gewässer eingebracht werden und nach Bedarf kann über eine Pumpe Permeat abgezogen werden. Beide Systeme wurden stabil betrieben. Diese Systeme sind eine Lösung zur Erzeugung von Wasser, welches weitgehend frei von pathogenen Keimen ist. Die Kosten pro Kubikmeter Wasser sind aufgrund der Investition deutlich über den Kosten des Stadtwassers in Zentraleuropa. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 3 von 40
4 1. Veranlassung Der Schutz der natürlichen Lebensgrundlage Wasser ist politisches Ziel. Die United Nations (UN) haben die Dekade des Wassers proklamiert. Auf der Welt sind 1,2 Milliarden Menschen ohne Zugang zu sauberem Wasser. Diese Zahl soll bis zum Jahr 2015 auf die Hälfte reduziert werden. 2,4 Milliarden Menschen habe keine oder keine hinreichenden sanitären Einrichtungen. Für die Versorgung der Menschen mit sauberem Wasser stehen Technologien bereit. Mit der Entwicklung und Anpassung der vorhandenen Technologien kann ein Beitrag zum Schutz der natürlichen Ressource Wasser geleistet werden. Die in Zentraleuropa entwickelten Technologien setzen Infrastruktur voraus und bedingen diese (z.b. Energieversorgung, Wasserver- und Entsorgung). Mit dezentralen Lösungen können in der Wassertechnologie die Kreisläufe kleinräumig geschlossen werden. Diese Technologien können in Deutschland und Europa direkt angewendet werden, was ja auch teilweise geschieht. Haupthemmnis für ein Umdenken und einer intensiveren Forschung, weg von zentralen hin zu dezentralen Lösungen, ist der hohe Fixkostenanteil bei den (zentralen) Infrastrukturmaßnahmen. Ressourcenschonendes Handeln mit einer Verringerung des Verbrauchs von Wasser führt zu höheren spezifischen Kosten. Eine intensivere Forschung für dezentrale Lösungen und die Anwendung und Erprobung dieser Technologien in Deutschland und Europa schont unsere Wasserressourcen und schafft Vorraussetzungen, diese Technologien weltweit zu vermarkten. Die weitergehende Reinigung des Ablauf aus vollbiologischen Kleinkläranlagen zu Badegewässerqualität ist ein solcher Ansatz mit dezentralen Methoden Wasserkreisläufe zu schließen. Dafür gibt es auch Deutschland viele Ansätze. Im ländlichen Raum sind viele Haushalte nicht an die Schmutzwasserkanalisation angeschlossen. Wegen der großen Entfernungen zu zentralen Kläranlagen ist der Ausbau einer Kanalisation unwirtschaftlich. Auch schwierige Untergrundverhältnisse und Leitungshindernisse sind Gründe um auf einen Ausbau der öffentlichen Kanalisation zu verzichten. Diese Haushalte werden üblicherweise über Kleinkläranlagen entsorgt. Diese müssen das häusliche Abwasser vollbiologisch reinigen. Mit höheren Qualitätsanforderungen an das so behandelte Abwasser kann das Wasser gefahrlos ortsnah verbracht werden oder auch zu Brauchwasserzwecken genutzt werden. Das Wasser soll Badegewässerqualität haben. Die Firma ATB Umwelttechnologie GmbH in Porta Westfalica ist ein Unternehmen mit hervorragendem Know How auf dem Gebiet der dezentralen Abwasserbehandlung mit vollbiologischen Kleinkläranlagen. Die Unternehmensleitung ist ständig bestrebt, vorhandene Technologien weiter zu entwickeln und zu vermarkten. Die Fachhochschule Bielefeld beschäftigt sich bei der Wasserverfahrenstechnik intensiv mit dezentralen Lösungen. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 4 von 40
5 Derzeit wird bei Kleinkläranlagen nur der Abbau von Kohlenstoffverbindungen gefordert. Mit neuen Abwasserverfahrenstechniken wie Membranbelebungsanlagen können neben der Elimination von organischen- und Stickstoff- Verbindungen auch Keime, hier vor allem coliforme Keime, zurückgehalten werden. Durch diese Entkeimung des Abwassers kann Badegewässerqualität nach der EU- Badegewässerverordnung erzielt werden. So ist eine theoretische Mehrfachnutzung dieser Abwässer möglich. Solche Technologien können in semiariden Gebieten die Wasserprobleme entschärfen. Einerseits kann das Abwasser geordnet und seuchenhygienisch unbedenklich entsorgt werden und andererseits kann das so behandelte Wasser als Brauchwasser verwendet und so die natürlichen Wasserressourcen geschont werden. Die Firma ATB Umwelttechnologien GmbH und die Fachhochschule Bielefeld haben bei der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) einen Antrag auf Fördermittel gestellt zur Entwicklung einer Ultrafiltrationsanlage zur weitergehenden Reinigung des Ablaufs aus vollbiologischen Kleinkläranlagen und Schmutzwasser ähnlicher Zusammensetzung. Die Fördermittel wurden im Herbst 2003 bewilligt. In der Zeit von Oktober 2003 bis Februar 2005 wurden Untersuchungen an der FH Bielefeld auf dem Werksgelände der Firma ATB und bei Feldversuchen gemacht. Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine einfach zu installierende, kostengünstige und verfahrenstechnisch einfache Umsetzung der Membranfiltration (Ultrafiltration) als Erweiterung bestehender vollbiologischer Kleinkläranlagen zu entwickeln. Der Abschlussbericht zu diesem Forschungsvorhaben wird hiermit vorgelegt. Im Zwischenbericht wurden die Literaturrecherche beigefügt. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 5 von 40
6 2. Grundlagen Im vorliegenden Kapitel werden die Grundlagen der Membrantechnologie zusammengefasst und die Einflussfaktoren für die Zielstellung der Untersuchung thematisiert Membrantechnologie Unter Membranen versteht man flächige, teildurchlässige Gebilde, also Strukturen, die für zumindest eine Komponente eines sie berührenden Fluids einer Flüssigkeit oder eines Gases permeabel, für andere hingegen undurchlässig sind. (Membranverfahren; Melin, Rautenbach; 2004) Abbildung 1: Funktionsweise einer Membran (nach Rautenbach 1997) Die Stofftrennung mit Membrantechnik ist ein rein physikalisches Trennverfahren. Hierbei werden die abgetrennten Stoffe weder thermisch noch chemisch oder biologisch verändert. Das Funktionsprinzip ist ähnlich wie bei einem Filter. Ein zu trennendes Stoffgemisch wird durch die Membran gedrückt und dabei selektiert. [Abbildung 1] Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 6 von 40
7 2.2. Trenngrenzen Membranverfahren unterscheiden sich in erster Linie durch verschiedene Trenngrenzen und den transmembranen Druckdifferenzen voneinander. Man unterscheidet zwischen Mikro-, Ultra-, Nanofiltration und Umkehrosmose, wobei jedoch für den Einsatz in der kommunalen Abwasserreinigung vorwiegend Mikround Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Porenmembranen, deren Trenngrenze in einem Bereich von 10 µm bis 0,8 nm liegt. In der folgenden Abbildung 2 sind die verschiedenen Membranverfahren den zurückgehaltenen Partikelgrößen und der dazugehörigen Druckkraft gegenübergestellt. Zudem sind Größenbereiche von Bakterien und Viren zum Vergleich abgebildet. Abbildung 2: Trenngrenze der einzelnen Membranverfahren (nach Krauth et al. 1999) 2.3. Bauformen Bei den unterschiedlichen Bauarten der Membranmodule kann man zwischen zwei Grundformen unterscheiden. Das sind zum einen rohrförmige Membranen und zum anderen flache Membranen. Diese wiederum lassen sich unterscheiden in Plattenmodule und Wickelmodule. Plattenmodule sind im Gegensatz zu den meisten anderen Bautypen weitgehend unempfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Sie scheinen daher wegen ihrer Robustheit für den Einsatz in Kleinkläranlagen besonders geeignet. Die Wartung kann bei dezentralen Wassertechnologien unterschiedliche Qualität haben. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 7 von 40
8 2.4. Werkstoffe In Abhängigkeit von der Wasserzusammensetzung und der Eigenschaften der Inhaltstoffe sowie betrieblichen Parametern werden die Materialien für die Membranen ausgewählt. Die Materialien können in organisch (z.b. Polymere) oder anorganisch (z.b. Keramik) unterschieden werden. Polymermembrane sind aufgrund der Materialkosten und der Modulkonstruktion günstiger als Membranen aus anderen Materialen Verfahren Der Permeatfluss oder Flux, d. h. die Menge an feststofffreiem Wasser ist abhängig von dem auf die Membran erzeugten Druck und von der Art und Dicke der Deckschicht auf der Membran. Die Deckschicht kann mit der Art der Anströmung der Membran beeinflusst werden. Man unterscheidet zwischen dem dynamischen Betrieb (Crossflow- Filtration) und dem statischen Betrieb (Dead- End- Filtration). Abbildung 3: Schematische Darstellung einer Membran bei Crossflowbzw. Dead- End- Filtration (nach Melin 1999) Beim Dead- End- Betrieb wird der Feedstrom (Rohwasser) so lange senkrecht zur Membran geleitet, bis der maximale Transmembrandruck erreicht ist. Durch den Rückhalt suspendierter Stoffe auf der Feedseite der Membranoberfläche bildet sich eine Deckschicht, die die Filtrationsleistung vermindert. Als Gegenmaßnahme wird im Dead- End- Betrieb das Modul intermittierend mit Permeat zurückgespült. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 8 von 40
9 Beim Cross- Flow- Betrieb wird der Feedstrom mit hoher Geschwindigkeit (> 3 m/s) parallel zur Membranoberfläche geführt. Dadurch wird auf der Membranoberfläche infolge der Scherkräfte ein Gleichgewichtszustand zwischen Deckschichtbildung und ablösung angestrebt. Zur Erzeugung der erforderlichen Überströmungsgeschwindigkeit muss viel Energie eingetragen werden. Bei getauchten Membranmodulen in der Nachklärung eines Belebungsverfahrens wird eine Mischform der zuvor beschriebenen beiden Verfahren angewendet, das Semi- Cross- Flow- Verfahren Flux limitierende Faktoren Die den Permeatfluss (Flux) beeinflussende Deckschichtbildung kann durch drei Mechanismen erklärt werden, das Biofouling, das Kolloidale Fouling und das Scaling. Biofouling Die Biofilmbildung auf der Membranoberfläche wird durch Adhäsion und das Wachstum von Mikroorganismen hervorgerufen. Wird eine Leistungsminderung der spezifischen Membranflüsse durch Biofilmbildung hervorgerufen, spricht man von Biofouling. Mikroorganismen produzieren sogenannte extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) mit denen sie sich an die Membranoberfläche anheften können. Kolloidales Fouling Als kolloidales Fouling wird die Anlagerung von fein verteilten bzw. fein zerteilten gelösten Stoffen bezeichnet, die eine Schleimschicht auf der Membranoberfläche erzeugen. Dieser Vorgang führt zu einer Abnahme der Filtrationsleistung. Durch kolloidales Fouling verstopfen die Poren der Membran. Scaling Das Membranverfahren ist ein druckgetriebener Prozess. Stoffe auf der Retentatseite können sich so leichter in der flüssigen Phase lösen. Bei geringerem Druck können die gelösten Stoffe (Salze) auskristallisieren. Die so gebildeten Kristalle können ebenfalls zu einer Verminderung des Permeatflusses führen. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 9 von 40
10 2.7. Wichtige Begriffe der Membrantechnologie Wichtige Begriffe der Membrantechnologie werden im folgenden erläutert. Flux Der auf die aktive Membranfläche bezogene Permeat- Volumenstrom wird als Flux bezeichnet. In einigen Literaturangaben wird dieser auch als Fluss oder Permeatfluss beschrieben. In der kommunalen Abwasserreinigung wird mit einem Flux von 25 bis 30 l/(m² h) gerechnet (ATV-DVWK KA 7, 2000). mit: Permeabilität Der auf die transmembrane Druckdifferenz bezogene Flux wird als Permeabilität bezeichnet und wird zum Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener Membranen verwendet. mit: Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 10 von 40
11 Transmembrane Druckdifferenz Die Separation eines Stoffgemisches durch die Membran ist ein druckgetriebener Prozess. Die Druckdifferenz zwischen der Permeat- und Konzentrat- (Feed-) Seite, wird als transmembrane Druckdifferenz bezeichnet. Sie ist die Differenz zwischen dem arithmetischen Mittel aus Feed- und Permeatdruck. mit: Überströmungsgeschwindigkeit Die Überströmungsgeschwindigkeit v Ü ist die Fließgeschwindigkeit des Feeds im Cross- Flow- Betrieb von Membranmodulen. Die Überströmungsgeschwindigkeiten liegen zwischen 2-3 m/s. mit: Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 11 von 40
12 3. Versuchsaufbau und Membranen Im Folgenden werden die Versuchsanlage und die Auswahlkriterien für die Module dargestellt Verfahren Die Leistungsfähigkeit der Module wurde auf der Kläranlage Möllbergen getestet. Hierfür wurde Wasser aus dem Ablauf der kommunalen Kläranlage verwendet. Die Wasserzusammensetzung war homogen. Die Kläranlage Möllbergen hat eine Anschlussleistung von EW. Die Versuchsanordnung ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 4: Lageplan der Versuchsanordnung, Feldversuche auf der KA Möllbergen Die Versuchsanlage besteht aus sechs PE- Behältern mit einem Nutzvolumen von jeweils 1 m³. Ein weiterer PE- Behälter dient als Vorlagebehälter und Zwischenspeicher. Er wird automatisch mit Abwasser aus dem Venturigerinne des Kläranlagenablaufs gespeist. Die Module wurden nach technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausgewählt. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 12 von 40
13 Technische Eignung Die Membranen sollen vorwiegend dezentral eingesetzt werden. Das System soll kompakt, wartungsarm und preisgünstig sein. Die Anlage soll robust gefahren werden und sicher in der Anwendung sein. Als Feed soll der Ablauf von vollbiologisch betriebenen Kleinkläranlagen verwendet werden. Darüber hinaus sollen andere weitgehend feststofffreie Wässer verwendet werden, wie Wasser aus Brunnen, Seen, Flüssen oder Wasserlöchern. Die letzgenannten Wässer sollen im Hinblick auf eine globale Verwendbarkeit dieser Systeme getestet werden. Bei passablen Betriebergebnissen können diese Systeme in semiariden Gebieten betrieben werden. Die Forderung an die Membransysteme sind: Weitgehend keimfreies Permeat; Dauerhafter wartungsarmer Betrieb; Geringer bis keine Chemikalienzugabe erforderlich Wirtschaftlichkeit Ein Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, eine wirtschaftliche Lösung einer Membraneinheit zu entwickeln. Hierzu wurden Angebote verschiedener Hersteller angefordert und ausgewertet. Es wurden schließlich vier Module ausgewählt, drei Polymermembranen und eine Keramikmembran. Zur besseren Vergleichbarkeit der Leistung der Module wurde, mit Ausnahme des Keramikmoduls, eine ähnliche Membranflächen gewählt. Keramikmembrane sind weniger empfindlich gegenüber Temperatur, PH- Wert, Chemikalien oder Druck. Allerdings sind die Kosten dieser Module höher als bei Modulen aus organischem Material. In Tabelle 1 werden die Daten getesteter Module dargestellt. Tabelle 1: Marktpreise für Modulbauformen [Quelle: Vortrag Wasser OWL, M. Koppmann] Modulbauform Preis pro m 2 Plattenmodule 120 Rohrmodule 500 Keramikmodule Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 13 von 40
14 3.2. Ausgewählte und getestete Module In Tabelle 2 wird zunächst eine Übersicht über die Eigenschaften der in Frage kommenden Module gegeben. Im Anschluss werden die Membranen beschrieben. Tabelle 2: Filtrationsart, Material, Bauform, Membranfläche und Porengröße verschiedener Module Modul Filtrationsart Material Bauform Membran- Fläche Poren- Größe Firma Memos Ultrafiltration Polymer (PES) Rohrmodul Röhrendurchmesser n 6 mm 2,4 m 2 20 nm Firma Weise Mikrofiltration/ Ultrafiltration Polymer (PES) Plattenmodul Abstände 2,5 mm 2,85 m nm Firma A3 Mikrofiltration Polymer (Polyphenolharz) Plattenmodul Abstände 3 mm 2,8 m nm Firma Atech Mikrofiltration/ Ultrafiltration Keramik (Aluminiumoxid) Rohrmodul Röhrendurchmesser 3,6 mm 0,215 m nm Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 14 von 40
15 MEMOS Membranes Modules Systems GmbH Die getesteten Module der Firma MEMOS sind Ultrafiltrations- Rohrmodule mit einer Membranfläche von 2,4 m² und einer angegebenen Porenweite von 20 nm. Die Filtration erfolgt vom Rohrinnern nach außen. An den Enden der Polymermembran sind die einzelnen Membranelemente mit Epoxydharz vergossen. Abbildung 5: Bild des Moduls der Firma MEMOS A3 Abfall-Abwasser-Anlagentechnik GmbH Bei dem Modul A 3 handelt es sich um ein modifiziertes Serienmodul. Bei diesem Modul wird die Membran beidseitig auf ein Trägerelement geklebt. Ein Rückspülen ist nicht möglich. Das Modul hat eine Porenweite von 200 nm und eine Fläche von 2,8 m². Die Plattenabstände liegen bei etwa 3 mm. Abbildung 6: Bild des Moduls A 3 Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 15 von 40
16 Atech Innovations GmbH Bei dem eingesetzten Modul der Fa. ATECH handelt es sich um eine Keramikmembran. Das Rohrmodul mit einer angegebenen Porengröße von 100nm hat eine Membranfläche von 0,215 m². Der Betrieb unterscheidet sich hier wesentlich von dem der anderen. Das Modul wurde in ein zylindrisches Gehäuse eingesetzt. So funktioniert der Semi-Cross-Flow durch einen angeschlossenen Luftschlauch nach dem Prinzip eines Drucklufthebers. Abb. 7: Bild des Moduls der Firma Atech Weise-Water-Systems-GmbH & Co. KG Von diesem Hersteller wurde ein leicht verändertes Modul der Serienproduktion getestet. Aus Gründen der Vergleichbarkeit, wurde die Membranfläche von 5,5 m² auf 2,85 m² reduziert. Der Plattenabstand von 2,5 mm wurde beibehalten, aber nur noch jede zweite Membranplatte war aktiv. Das Material der Membran ist Polyetersulhfon und hat eine angegebene Porenweite von 30 bis 150 nm. Abbildung 8: Bild des Moduls der Firma Weise Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 16 von 40
17 4. Versuchsdurchführung und Ergebnisse Die Versuche wurden zwischen Oktober 2003 und Februar 2005 auf der Kläranlage Möllbergen, bei der FH Bielefeld im Labor in Minden und auf dem Betriebsgelände der Firma ATB Umwelttechnologien GmbH durchgeführt. Halbtechnische Versuche Die Versuche zur Auswahl geeigneter Membranmodule, der zugehörigen Betriebsbedingungen wie Transmembrandruck oder Lufteintrag wurden in mehrere Phasen gegliedert. Dabei bauten die einzelnen Versuchsphasen aufeinander auf und es wurden die Erkenntnisse der jeweils vorhergehenden Versuchsphase in die neue mit eingearbeitet. Der grundsätzliche Ablauf der Verfahrensweise veränderte sich dabei kaum und war wie folgt. Aus dem Vorlagebehälter wurde das Wasser zeitgesteuert in die Behälter gepumpt, in denen die Membranmodule eingebaut waren. Unter den Modulen waren Belüfter angeordnet. Diese erzeugten einen mittelblasigen Luftstrom, der zwischen den Membranflächen aufstieg und den Semi- Cross- Flow erzeugte. Die eingeblasene Luftmenge betrug in der ersten Phase ca. 3,6 m³/ h. Die Modulhersteller gaben für den Einsatz ihrer Module größere Luftmengen an. Doch da die Membranen bei diesem Projekt bei weitaus geringerem TS- Gehalt laufen und somit geringere Massen durch den Lufteintrag bewegt werden müssen, wurden Kompressoren mit geringerem Energiebedarf und somit auch geringerem Lufteintrag ausgewählt. Die Steuer- und Regelungstechnik sowie die Permeatbehälter sind in den Abbildungen 9 und 10 dargestellt. Abbildung 9: Bild der Feldversuchsanlage, Equipment Abbildung 10: Bild der Feldversuchsanlage, Steuer- und Regelungstechnik Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 17 von 40
18 Um ein Austrocknen der Membranen zu verhindern, befanden sich diese permanent unter Wasser. Ein Schwimmerschalter steuerte dabei das Ein- und Ausschalten der Permeatpumpe. Der Abzug des Permeats war mit einer elektronischen Soll- Istwert Regelung druckgesteuert und folgendermaßen programmiert: In den Abzugsphasen wechselten sich der achtminütige Abzug und eine zweiminütige Rückspülphase ab. Der Transmembrandruck wurde beim Abzug langsam bis zum voreingestellten Wert hochgefahren und hielt diesen dann konstant (Konstantdruckregelung). Zu Beginn der Rückspülphase wurde die Permeatpumpe abgeschaltet und ein Bypassventil ließ ca. 1 Liter Permeat zurück in die Module laufen. Dadurch konnten diese entspannen. Weiterhin waren in dem Container zwei Datenlogger untergebracht, die permanent den jeweiligen Durchfluss und Transmembrandruck der einzelnen Membranmodule aufzeichneten. Laborversuche Eine weitere Versuchseinrichtung wurde im Labor für Wasserwirtschaft, Abfalltechnik und Umweltanalytik der Fachhochschule Bielefeld in Minden aufgebaut (Abb. 11). In zwei Kunststoffbehältern (Volumen je 300 Liter) wurden einzelne Membranplatten schwimmend angebracht. Während in dieser Versuchsreihe die Wasserzusammensetzung und die Membraneigenschaften variierten, blieben der Transmembrandruck (300mbar) und die Abzugszeiten zunächst konstant. Abbildung 11: Bild der Laborversuchsanlage, FH Bielefeld Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 18 von 40
19 4.1. Permeabilität verschiedener Module (Phase I) Die erste Versuchsphase des Projektes erstreckte sich über fünf Monate von Oktober 2003 bis März In dieser Zeit wurden die Membranbehälter mit Abwasser aus der Nachklärung der KA Möllbergen beschickt. Das Ziel während dieser Versuchsphase war es, die Leistungsfähigkeit verschiedener Membranmodule hinsichtlich hydraulischer und mikrobiologischer Leistung zu vergleichen und ein geeignetes Modul für den Einsatz in einer dezentrale Anlage zu finden. Abbildung 12: Bild der Feldversuchsanlage auf der KA Möllbergen In den halbtechnischen Versuchen wurden zwei baugleiche Rohrmodule der Firma MEMOS, zwei Plattenmodule der Firma A3 und zwei Plattenmodule der Firma Weise- Water- Systems- GmbH getestet. Ein Keramikmodul der Firma Atech Innovations GmbH wurde später anstelle eines A3 Moduls eingesetzt. Während die Weise- und A3 Module mit einem Unterdruck von 130 mbar betrieben wurden, betrug der Transmembrandruck des Atech Moduls zunächst 300 mbar, später 500 mbar. Bei den Memos Membranen wurde das Permeat mit 300 mbar, abgezogen, wobei der Druck für kurze Zeit bis auf 200 mbar abfiel. Neben den rein physikalischen Parametern wie Druck und Durchfluss, die durch einen Datenlogger aufgezeichnet wurden, wurden auch mikrobiologische Parameter wie gesamtcoliforme und fäkalcoliforme Keime untersucht. Außerdem wurden regelmäßig Temperatur, CSB, ph- Wert und abfiltrierbare Stoffe der Anlagen bestimmt. Die wichtigsten Ergebnisse werden im folgenden Kapitel näher dargestellt. Die Messmethoden wurden nach den einschlägigen DIN Normen gewählt. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 19 von 40
20 Ergebnisse Phase I (Auswahl) Bei den Untersuchungen hinsichtlich der Permeabilität überzeugten besonders die Module der Firma Weise. Die Durchflusswerte aller Module sind in Abbildung 13 dargestellt. Auf der Y- Achse ist die Permeabilität in l/(h m 2 bar) und auf der X- Achse der Versuchsfortschritt nach durchgesetztem Permeat [m³] abgetragen. Permeabilität der Module nach externer Reinigung A3-01 A3-02 Weise-01 Weise-02 Memos-01 l/h*m²*bar Memos-02 Atech Versuchsfortschritt nach Permeatdurchsatz in m³ Abbildung 13: Permeabilität der Module über den Versuchsfortschritt als Permeatdurchsatz in m³, Feldversuch Nach einer kurzen Einfahrphase liefen besonders die Weise Module relativ konstant und hatten als einzige, auch nach etwa drei Monaten noch eine Permeatbilität von 150 l/(h m² bar). Weiterhin kann man anhand des Weise 02 Moduls auch den Einfluss einer externen Reinigung mit Wasserstoffperoxyd erkennen. Diese hob den Durchfluss bei diesem Modul von etwa 140 l/(h m² bar), auf fast 400 l/(h m² bar). Den Chemikalienbedarf sowie die Rückspülung bzw. Alternativen dazu galt es in den folgenden Versuchsabschnitten zu optimieren. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 20 von 40
21 Bei der Analyse der mikrobiologischen Reinigungsleistung, also dem Rückhalt an fäkalcoliformen Keimen ergaben sich keine gravierenden Unterschiede. Abbildung 14 zeigt, dass nach Beginn der Laufzeit der einzelnen Module, die Zahl der fäkalcoliformen Keime in je 100 ml Permeat zwischen 0 und 85 lag. Mit zunehmender Betriebsdauer und damit einhergehender Deckschichtbildung, nahm die Reinigungsleistung aller Module zu. Gleichzeitig nahm die Permeabilität entsprechend ab (vgl. Abb. 13). Erst nach einer externen Reinigung der Module mit Wasserstoffperoxyd und dem damit verbundenen Lösen der Deckschicht stieg die Zahl der im Permeat nachgewiesenen fäkalcoliformen Keime geringfügig wieder an. Es ist festzuhalten, dass über die gesamte Versuchsdauer der Richtwert von 100 fäkalcoliformen Keimen zu keiner Zeit von den getesteten Module überschritten wurde. 30 Fäkalcoliforme Keime im Permeat Anzahl der Keime/ 100 ml Memos01 Memos02 Weise01 Weise02 A3-01 A3-02 Atech Tage seit Versuchsbeginn Abbildung 14: Anzahl der coliformen Keime im Permeat über die Versuchsdauer in Tagen seit Beginn, Feldversuch Aufgrund der hydraulischen Zuverlässigkeit und den stabilen Ablaufwerten wurden für die weiteren Untersuchungen die Polymermembranmodule der Firma Weise- Water- Systems- GmbH & Co. KG ausgewählt Einfluss von Belüftung, Rückspülung und Zugabe von Inertstoffen auf die Permeabilität (Phase II) In der anschließenden Versuchsphase wurden Serien- Module der Firma Weise auf dem Prüffeld untersucht. Diese hatten einen größeren Plattenabstand (5,5 mm statt bisher 2,5 mm) und eine größere Membranfläche (3,5 m² statt bisher 2,85 m²), als die vorherigen Module. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 21 von 40
22 Halbtechnische Versuche Im Rahmen der halbtechnischen Versuche wurden u.a. Untersuchungen hinsichtlich der Rückspülung mit Wasserstoffperoxyd und Veränderungen des Lufteintrages durchgeführt. Diese Analysen sollten dazu dienen, eine Permeabilität von ca. 150 l/(m² h bar) aufrecht zu halten und damit die Lebensdauer der Module zu optimieren. Ein alternatives Verfahren, die Permeabilität aufrechtzuerhalten, liegt in der Zugabe von künstlichen, abrasiv wirkenden Stoffen. Hierfür wurde die Hypothese aufgestellt, dass durch die Überströmung der Membranflächen mit belebtem Schlamm diese gereinigt wird. Als Zugabestoff scheint inertes, kugelförmiges Material geeignet. Verwendet wurde dabei PS- Granulat mit einem Durchmesser von ca. 0,5 mm. Dies Verfahren wurde später der täglichen Rückspülung mit Wasserstoffperoxyd gegenübergestellt und verglichen. Laborversuche In den Laborversuchen wurden die ersten Erfahrungen hinsichtlich der Betriebsbedingungen einer Membrananlage in feststoffarmen Wasser näher untersucht. So wurden im Labor an der FH- Bielefeld einzelne Membranplatten untersucht. Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Vergleich einer herkömmlichen Polymermembranplatte mit einer zwar baugleichen, aber zusätzlich mit Silber beschichteten Polymermembran. Hintergrund dieser Idee war die These, dass Membranen in feststoffarmen Wasser durch die verstärkte Bildung von EPS- Schichten schlechter arbeiten, als in der Belebung. Der Versuch sollte darüber Aufschluss geben, ob durch die bakterizid wirkende Silberbeschichtung ein geringerer Abfall der Permeabilität über die Zeit erreicht wird. Ergebnisse Zunächst wurden bei drei Modulen die Luftmengen zur Erzeugung des Semi- Crossflow variiert. Die Ergebnisse der Permeabilität über die Summe des Permeatdurchsatzes sind in Abb. 15 dargestellt. Bei dem Modul ohne Belüftung sank die Permeabilität im Verhältnis zu den beiden anderen Modulen stark ab, so dass diese Anlage gestoppt wurde. Die Permeabilität der beiden anderen Module ging in weit geringerem Maße zurück. Beim Vergleich dieser beiden ist zu erkennen, dass das Modul mit dem höheren Lufteintrag (67% größere Luftmenge) eine zwischen 10% und 50% höhere Permeabilität aufweist. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 22 von 40
23 500 Vergleich verschiedener Belüftungsmengen Permeabilität in l/ m2 h bar Betriebsstörung Modul ohne Bel. Modul 3,6 m3/ h Modul 6 m3/h Summe des Permeatdurchsatzes in m3 Abbildung 15: Permeabilität in l/(m 2 h bar) von drei verschiedenen Module über die Summation des Permeatdurchsatzes in m 3 Der kurzzeitige Anstieg des Flux ist auf eine längere Störung der Versuchsanlage zurückzuführen. Die Module konnten sich während des Stillstands regenerieren. Die Tatsache, dass Module unter wechselnden Bedingungen eine höhere Permeabilität halten können wird auch vom Hersteller der Module bestätigt. Im weiteren Verlauf der Versuchsreihen wurden zwei gleiche Weise Module unterschiedlich mit H 2 O 2 zurückgespült. In Abbildung 16 ist die Permeabilität über die Summe des Permeatdurchsatzes aufgetragen. Das eine Modul wurde einmal täglich mit einem Liter 0,5%igem H 2 O 2, das zweite einmal wöchentlich mit einem Liter 3%igem H 2 O 2 zurückgespült. Abb. 16 zeigt, dass die tägliche Rückspülung mit der geringer konzentrierten Lösung einen größeren Flux bewirkt. Nach einem Durchsatz von 43 m 3 (entspricht einer Laufzeit von etwa 72 Tagen bei 4 EW), wurde das Modul mit der schlechteren Permeabilität gestoppt. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 23 von 40
24 500 Vergleich unterschiedlicher Chemikalenrückspülungen 450 Permeabilität in l/ h m2 bar Regeneration durch 10- tägigen Ausfall der Anlage Modul tägliche Rückspülung Modul wöch. Rückspülung ,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Summe des Permeatdurchsatzes in m3 Abbildung 16: Permeabilität in l/(m 2 h bar) verschiedener Modulen über die Summation des Permeatdurchsatzes in m 3, mit H 2 O 2 - Regeneration Weiter wurde die Permeabilität des täglich zurückgespülten Moduls verglichen mit der Permeabilität eines Moduls, dessen Membranflächen von Polymergranulat überströmt werden. Der Überlauf des Behälters wurde mit einem Geotextil abgedichtet, so dass ein Ausspülen des Granulat verhindert wurde. Abbildung 17 zeigt, dass das Granulat eine vergleichbar positive Wirkung auf den Erhalt der Permeabilität hat, wie die Rückspülung mit Peroxyd. Die in der Grafik dargestellten Peaks der Kurve des täglich zurückgespülten Moduls ergeben sich aus einer dreiwöchigen Betriebspause und einer externen Reinigung. Die Qualität des gereinigten Wassers wurde regelmäßig über den gesamten Versuchszeitraum überprüft. Das Wasser erreichte hinsichtlich coliformer und fäkalcoliformer Keime EU- Badegewässerqualität. Es bleibt zu überprüfen, inwieweit die Membranoberfläche durch das Granulats als abrasiver Stoff auf lange Sicht beschädigt wird. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 24 von 40
25 500 Vergleich verschiedener Hilfsmittel und Zusätze (alle mit identischer Belüftung) Regeneration durch 3-wöchige Betriebspause externe Reinigung Permeabilität in l/ h m2 bar Modul täglich rückgespült Modul Feedzusatz Granulat nach Permeatdurchsatz in m3 Abbildung 17: Permeabilität in l/(m 2 h bar) gleicher Module über die Summation des Permeats in m 3, mit H 2 O 2 - Regeneration bzw. Granulat- Abrasion Abbildung 18 zeigt die Ergebnisse aus dem parallel stattfindenden Dauerversuch im Labor. Dargestellt ist die Permeabilität einer mit Silber beschichteten und einer herkömmlichen Polymermembran über die Summe der reinen Abzugszeit. Der sprunghafte Verlauf der Graphen resultiert aus variierenden Betriebsparameter wie veränderte Belüftung und Abzugszeiten. Es ist zu erkennen, dass über den Versuchszeitraum von insgesamt 92 Tagen die Permeabilität beider Membranen vergleichbar war. Daraus kann man schließen, nicht die durch Mikroorganismen verursachten EPS- Schichten beeinflussen die Permeabilität negativ. Die starke Abnahme des Fluxes liegt an der geringen Partikelgröße der Feststoffe im Rohwasser. Diese sind zwar in schlammhaltigen Wässern auch vorhanden, dort aber zu größeren Flocken verbunden, so dass sie ihre abrasive Wirkung auf der Membranoberfläche entfalten können und den Durchgang durch die Membran freispülen. Es ist anzunehmen, dass in unserem Anwendungsfall kolloidale Partikel sowohl die Membranporen von Innen verschließen, als auch eine undurchlässigere Deckschicht bilden. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 25 von 40
26 Permeabilität über die Zeit 350 Permeabilität (L/h m² bar) Membran Ag-beschichtet herkömmliche Membran Zeit [ h ] Abbildung 18: Vergleich der Permeabilität in l/(m 2 h bar) über die Betriebszeit in h einer Silber (Ag)-beschichteten und herkömmlichen Membran Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 26 von 40
27 4.3. Betrieb mit robuster Technik (Schwerkraftanlage für weitgehend feststofffreies Wasser) Im weiteren wurde ein Betrieb mit reduziertem Technikeinsatz gefahren. Hintergrund für diese Versuchsanordnung ist ein Wartungsarmes System. Dies ist wünschenswert bei dezentralen Techniken. Zusätzlich für den Einsatz in ariden und semiariden Gebieten sind robuste Systeme wünschenswert, die mit einem geringen Energiebedarf arbeiten. Hierfür wurden die Absetzwirkung bzw. der hydrostatische Druck in einem Absetzbehälter simuliert. In einem solchen Absetzbecken liegt weitgehend feststofffreies Wasser vor. Zur näheren Untersuchung des Reinigungsmechanismus wurde eine weitere Laboranlage auf dem Gelände der Fa. ATB aufgebaut. Für die Versuche wurde die Anlage mit gesammelten Regenwasser von der Dachfläche der Produktionshalle betrieben. Die Versuchsanlage ist in Abb. 19 dargestellt und hat folgende Bestandteile: zylindrischer Behälter (Volumen 220 Liter): Membranmodul mit Gehäuse und Tellerbelüfter; Schwimmerschalter mit einer Hysterese von 10cm; Kompressor; Tauchpumpe im Regenwasserspeicher; Magnetventil in der Permeatleitung; Kugelhahn für den Ablauf; SPS zur Steuerung der Abzugs- und Pausenzeiten; Behälter mit Kugelhahn (Vol 5 Liter) zur evtl. Rückspülung mit Chemikalien; Diverse Leitungen und Schläuche; Permeatleitung Luftschlauch Behälter zur Chemikalienrückspülung Regenwasser- Zuleitung Magnetventil Ablauf Abbildung 19: Bild der Schwerkraftmembrananlage Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 27 von 40
28 Für einen notwendigen robusten Betrieb solcher Anlagen (z.b. in strukturschwachen Ländern), wurde die Technik verändert. Das Permeat wird ausschließlich durch den statischen Wasserdruck abgezogen. Dieser wurde für die Versuchszwecke durch einen Schwimmerschalter auf einen Wasserstand von 5 bis 15cm über dem Modul reguliert. Der sich daraus ergebende Transmembrandruck beträgt demnach 5 bis 15mbar. Abbildung 20: Bild der Schwerkraftmembrananlage, Sicht in befüllte Anlage, links ohne Betrieb, rechts in Betrieb Die Permeatabzugszeit wurde auf 12 Stunden pro Tag eingestellt. Es ist nur Energie für den Betrieb des Belüfters erforderlich. Permeat wird ohne zugeführte Energie abgezogen. Auch für die Beschickung der Anlage mit Regenwasser ist nicht zwingend ein Schwimmerschalter und eine Pumpe erforderlich. Dieses könnte auch durch Befüllen per Hand erfolgen. Auch die Steuerung kann komplett wegfallen, wenn das Magnetventil durch einen manuell zu bedienenden Kugelhahn ersetzt wird. Der Durchsatz der Schwerkraft- Membrananlage ist in Abbildung 21 dargestellt. Die Permeabilität in l/(h m² bar) (Y- Achse) ist über die Versuchszeit in Tagen (X- Achse) abgetragen. Das Modul hatte in der ersten Zeit einen relativ konstanten Flux. Nach etwa 40 Tagen nahm die Permeabilität linear ab. Nach dem 115. Tag wurde bei dem Modul eine In- Situ- Reinigung vorgenommen, um das Modul zu regenerieren. Allerdings wurde dadurch nur eine geringe Erhöhung der Permeabilität erreicht. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 28 von 40
29 Verlauf der Permeabilität Permeabilität [l/ h m 2 bar] Permeabilität Versuchszeit [Tagen] Abbildung 21: Permeabilität der Schwerkraftanlage in l/(h m² bar) über die Versuchszeit in Tagen 4.4. Entwicklung der Keimzahlen im Permeat (Phase III) Mit den Erkenntnissen über akzeptable Permeabilität und Betriebsweisen wurden für die geeigneten Modulkonstruktionen die Entwicklung der Keimzahlen gemessen. Laborversuche Zeitgleich mit Feldversuchen wurde im Labor die Beständigkeit der Membranoberflächen gegenüber einem evtl. mechanischen Abrieb durch das Granulat untersucht. Es wurden sowohl einzelne Membranplatten, als auch ein Membranmodul durchgängig betrieben. Dabei wurde in das Rohwasser etwa 10 l kugelförmiges TPE Granulat (Durchmesser: 2 mm) gegeben. Um die Dichtheit der Membranen zu überprüfen, wurde das Wasser regelmäßig mit keimangereicherten Substrat angeimpft und anschließend sowohl Feed als auch Permeat auf gesamtcoliforme und fäkalcoliforme Keime analysiert. Der Versuchszeitraum erstreckte sich über drei Monate, in denen die Parameter Abzugsdruck, Belüfterenergie und Belüftungszeitraum konstant blieben. Die Anlage lief ganztägig und ist unten dargestellt, links mit Belüftung an, rechts mit Belüftung aus. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 29 von 40
30 Vogt, Torsten, Sebastian Schach u. Johannes Weinig Ergebnisse Die Ergebnisse aus dieser Versuchsphase zeigen, dass die Membran über einen Zeitraum von drei Monate Keime sicher zurückhält. In den Abbildungen 24 und 25 sind die Ergebnisse der Keimanalysen, gesamtcoliforme und fäkalcoliforme Keime, grafisch dargestellt. Abbildung 22: Bild der Abbildung 23: Bild der Laborversuchsanlage, Laborversuchsanlage, Belüftung an Belüftung aus Zahl der gesamtcoliforme Keime in Permeat und Rohwasser gesamtcoliforme Keime [je 100ml] Permeat 100 Rohwasser EU- Richtwert Versuchszeit [Tage] Abbildung 24: Gesamt- coliforme Keime in Permeat und Rohwasser über die Versuchszeit in Tagen Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 30 von 40
31 Das Permeat blieb hier zu jeder Zeit unterhalb der Grenz- und Leitwerte der EU Badegewässerverordnung. Dies zeigt, dass die Membranoberfläche während dieser Zeit durch das Granulat nicht beeinträchtigt worden sein kann. Zahl der fäkalcoliforme Keime in Permeat und Rohwasser 1000 fäkalcoliformen Keime [je 100ml] Versuchszeit [Tagen] Rohwasser EU Richtwert Permeat Abbildung 25: Fäkal- coliformen Keime in Permeat und Rohwasser über die Versuchszeit in Tagen Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 31 von 40
32 4.5. Prototyp Schwimmtonne Mit den Ergebnissen für eine optimierte Maschinentechnik, das Membranmodul selbst, Betriebsarten und Einsatzbereiche wurde eine Pilotanlage für die weitergehende Reinigung von häuslichem Abwasser und von Oberflächenwasser entwickelt. Der Aufbau dieser Anlage wird hier erläutert, erste Ergebnisse präsentiert. Der Aufbau des Prototyps Schwimmtonne ist in Abb. 26 dargestellt. Abbildung 26: Skizze der schwimmfähigen Membrananlage Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 32 von 40
33 Diese kompakte Membraneinheit besteht aus einem ca. 60 Liter fassenden PE- Behälter, an dessen Oberseite ein Schwimmkörper befestigt ist. Die Behälterwand ist mit Flies abgedichteten Öffnungen versehen, durch die das Feed in den Reaktor eindringt, gleichzeitig das Granulat aber nicht austreten kann. Im Behälter befindet sich das Membranmodul. Darunter ist ein Tellerbelüfter angebracht. Dieser sorgt für den Semi- Cross- Flow und für eine gleichmäßige Verwirbelung des Granulats im Behälter. Es wurde wie auch parallel in den Laborversuchen, Granulat mit einem größeren Durchmesser als in den halbtechnischen Versuchen verwendet. Bei diesem (TPE Granulat, Durchmesser ca. 2 mm) ist die Gefahr geringer, dass durch kleine Leckagen, Wartungsarbeiten, etc., Granulat ausgespült wird. Abbildung 27: Bild des in die Schwimmtonne eingebautes Membranmoduls Abbildung 28: Bild der Schwimmtonne Die einzelnen Komponenten, die für einen geregelten Betrieb der Anlage benötigt werden sind folgende: Technikbox bestehend aus: Gehäuse/ Freiluftsäule für die Steuereinheit; Steuergerät; Pumpeneinheit; Kompressor; Vorlagebehälter; Membraneinheit mit: Gehäuse (für die Membraneinheit); Membranmodul; Sensorbox: Sensoreinheit; Schimmerschalter; div. Schläuche; Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 33 von 40
34 Die Nachrüsteinheit wurde im Januar 2005 hinter eine bestehende vollbiologische Kleinkläranlage (AQUAmax ) in eine Sammelgrube auf dem Firmengelände eingebaut. Da sich die Einfahrphase mit dem Projektende überschnitt und es witterungsbedingt häufiger zu Störungen im Betrieb kam, können hier noch keine aussagekräftigen Betriebsergebnisse dargestellt werden. Einen möglichen Ersatz der Reinigungschemikalien durch künstlich abrasiv wirkende Stoffe gilt es näher zu untersuchen. So ist nicht restlos geklärt, ob die Membranoberfläche über einen Zeitraum von drei Monaten hinaus unbeschädigt durch das Granulat bleibt. Abbildung 29: Bild des Prototyp Schwimmtonne Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 34 von 40
35 5. Diskussion und Ausblick Für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Membranmodule werden Flux, Permeabilität und Keimreduktion herangezogen. Während der Projektdauer von 17 Monaten wurden von der FH zusammen mit ATB folgende Punkte abgearbeitet: Literaturrecherche Entwicklung von Verfahren zum Betrieb einer Membrananlage durch Nachrüstung einer bestehenden Kleinkläranlage Marktanalyse geeigneter Membranmodule Betrieb einer Feldversuchsanlage im halbtechnischen Maßstab mit sechs Reaktoren Laborversuchen Beprobung und Untersuchung der Versuchsanlage Durchführung mikrobiologischer Untersuchungen Beurteilung der Leistungsfähigkeit verschiedener Module und Verfahren Entwicklung einer Steuerung Bau eines Prototyps und Inbetriebnahme Während der Untersuchungen auf der Versuchsanlage wurden unterschiedliche Membranmodule variierenden Betriebseinstellungen ausgesetzt, bei denen sich teilweise erhebliche Leistungsunterschiede zwischen den Modulen zeigten. Entgegen der ursprünglichen Annahme, nimmt die Permeabilität in feststoffarmen Wasser jedoch stärker ab als bisher angenommen. Ursache hierfür scheint die Herausbildung einer dichteren Deckschicht und das Verblocken der Membranporen durch die geringere Partikelgröße in feststoffarmen Wasser zu sein. Eine häufigere Spülung der Membranen kann das Abfallen der Permeabilität nicht dauerhaft verhindern. Auch durch eine zusätzliche Beschichtung einer herkömmlichen Polymermembran mit antibakteriell wirkendem Silber konnte die Deckschichtbildung nicht vermindert werden. Auf eine Belüftung oder Überströmung der Membranoberfläche kann demnach bei der Versuchsanordnung nicht verzichtet werden. Die Verringerung des Energieaufwandes ist verfahrensbedingt so nicht möglich. Als Alternative zum bislang üblichen Einsatz von Reinigungschemikalien, erwies sich die Verwendung von künstlich abrasiv wirkenden Stoffen. Das eingesetzte, kugelförmige Granulat erzeugte zusätzliche Scherkräfte an der Membranoberfläche und konnte damit das Wachstum der Deckschicht verringern. Ähnlich wie durch den Einsatz von Wasserstoffperoxyd konnte mit dem Granulat die Standzeit des Moduls verlängert werden. Der Keimrückhalt konnte im Rahmen der EU- Badegewässerrichtlinie bei allen Modulen eingehalten werden. Voraussetzung dafür ist ein sachgerechter Umgang bei Wartungs- und Installationsarbeiten, so dass es dabei zu keinerlei Verkeimungen innerhalb des Systems kommt. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 35 von 40
36 Der Betrieb von Membranen in feststoffarmen Wasser gestaltet sich schwieriger als der Betrieb direkt in der Belebung. Das primäre Ziel, die Entwicklung einer möglichst kompakten Nachrüsteinheit für vorhandene vollbiologische Systeme, konnte erreicht werden. Jedoch bleibt die wirtschaftliche Umsetzung dieser Ergebnisse unter den derzeitigen technischen Rahmenbedingungen schwierig. Eine Schwerkraft- Membrananlage wurde entwickelt und erprobt. Für diese Anlage ist eine Pumpe entbehrlich. Allein der hydrostatische Druck reicht als treibende Kraft des Verfahrens. Dieses System ist stationär aufstellbar. Eine mobile Variante wurde mit dem Prototyp Schwimmtonne gebaut. Diese Schwimmtonne kann in ein Gewässer eingebracht werden und nach Bedarf kann über eine Pumpe Permeat abgezogen werden. Beide Systeme wurden stabil betrieben und bieten eine Lösung zur Erzeugung von Wasser, welches weitgehend frei von coliformen und gesamtcoliformen Keimen ist. Die Abschätzung der Preise für die verschiedenen Prototypen werden in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3: Preisabschätzung der verschiedener Anlagen Technikbox MBR- Einheit Sensorbox Gesamtpreis Schwimmtonne 3.100, ,-- 380, ,-- Schwerkraftmembran 480, ,-- 150, ,-- Die Kosten einer Membrananlage werden im Wesentlichen durch die Membranmodule, sowie die Steuerungs- und Regelungstechnik bestimmt. Für die Nachschaltung einer Kleinkläranlage und dem Vergleich mit sich auf dem Markt befindlichen Membranbelebungsanlagen muss man jedoch bedenken, dass eine zusätzliche vollbiologische Kläranlage erforderlich wäre. Mit der Schwerkraft Membrananlage wurde eine Anlage entwickelt, in der der erforderliche Energieaufwand reduziert und die Verfahrenstechnik erheblich einfacher konzipiert wurde. Der vergleichsweise geringe Preis der Schwerkraftanlage muss in Relation zu den ebenfalls geringeren Flux Leistungen des Moduls gesehen werden. Die Kosten für die Wartung der Anlagen wurden wegen der unsicheren Datenbasis nicht abgeschätzt. Es kann jedoch gesagt werden, dass die Reinigung der Module umfangreicher ist, als die Wartung einer konventionellen Kleinkläranlage. Da die Membrankosten ein wesentlicher Faktor, nicht nur bei der Investition, sondern auch bei den Betriebskosten darstellt (Regeneration bzw. Reinigung der Membranmodule sowie erhöhte Kosten durch längere Belüftung), ist es wichtig, die Laufzeit bzw. die Membranstandzeit zu erhöhen. Mit einer optimierten Regelung des Permeatabzuges kann ein schonender Betrieb der Membranmodule gewährleistet werden, wodurch längere Membranstandzeiten möglich sind. Gemeinschaftsprojekt ATB Umwelttechnologie GmbH und FH Bielefeld Seite 36 von 40
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