Abschlussbericht OPTIMIERUNG DER GESTALTUNG UND DES BETRIEBS VON MEMBRANANLAGEN IN DER KOMMUNALEN ABWASSERREINIGUNG OBEMEKA

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1 Abschlussbericht OPTIMIERUNG DER GESTALTUNG UND DES BETRIEBS VON MEMBRANANLAGEN IN DER KOMMUNALEN ABWASSERREINIGUNG OBEMEKA Antragsteller: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Templergraben Aachen ausführende Institution: Institut für Siedlungswasserwirtschaft Laufzeit: Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WA0596 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. Aachen, April 2007

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3 Abschlussbericht OBEMEKA Seite I Inhaltsverzeichnis Bilderverzeichnis... III Tabellenverzeichnis... V Abkürzungsverzeichnis... V 1 Einleitung Projektinhalte Ziele Kooperation mit Japan Sewage Works Agency Vorgehensweise Einleitung Methoden Stand der Technik Einleitung Planung und Betrieb kommunaler MBR in Deutschland Vorreinigung Belebungsstufe Membranstufe Fouling Spülung/ Chemische Reinigung Energiebedarf Kommunale MBR Anlagen in Deutschland Kommunale MBR-Anlagen in Europa Umfrageergebnisse Übersicht über die betrachteten Anlagen Gründe für die Wahl des MBR Verfahrens Zulaufbedingungen Vorbehandlung Betrieb der Belebungsstufe Anordnung der Membranstufe Hydraulische Aufenthaltszeiten in der biologischen Stufe Flussraten Crossflow Belüftung Filtrations- und Reinigungszyklen Austausch von Membranmodulen Reinigungsleistung Kosten Betriebsprobleme und Lösungsansätze... 38

4 Abschlussbericht OBEMEKA Seite II 7 Verwertungsplan Wirtschaftlicher Nutzen Wissenschaftliche und technische Erfolgsaussichten Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit Literaturverzeichnis Anlage 1 Fragebogen...47 Anlage 2 Liste der europäischen kommunalen MBR...54 Anlage 3 Detaillierte Ergebnisse der Anlagenbesichtigungen...57

5 Abschlussbericht OBEMEKA Seite III Bilderverzeichnis Bild 1: Fließdiagramme der konventionellen Verfahrenstechnik und des Membranbelebungsverfahren...9 Bild 2: Gesamtanzahl kommunaler MBR-Anlagen in Deutschland, zugehörige hydraulische Gesamtkapazität und installierte Membranfläche...15 Bild 3: Entwicklung der Zahl an MBR und Kapazitäten in Europa...17 Bild 4: Bild 5: Bild 6: Bild 7: Bild 8: Bild 9: Bild 10: Bild 11: Anzahl der MBR Installationen (links) und deren Kapazitäten (rechts) verteilt nach Ländern...18 Summenhäufigkeit der Gesamtkapazitäten kommunaler MBR in den europäischen Ländern...19 Anzahl der jährlichen Inbetriebnahmen kommunaler MBR-Anlagen in Europa...19 Jährliche Entwicklung von durchschnittlicher und maximaler Kapazität der kommunalen MBR-Anlagen in Europa...20 Jährliche Entwicklung von Anzahl und Gesamtkapazität kommunaler MBR- Anlagen mit Membranen unterschiedlicher Hersteller...21 Mittelwert und Median des Verhältnisses Kapazität/Membranoberfläche (Bemessungsfluss) von 31 europäischen MBR-Anlagen, die im jeweiligen Jahr installiert wurden...22 Hydraulische Kapazitäten der betrachteten Anlagen gemeinsam dargestellt mit allen europäischen kommunalen MBR...24 Gründe für die Einführung der Membrantechnik bei 16 Anlagen...25 Bild 12: Hydraulische Schwankungsfaktoren, wie sie bei der Bemessung berücksichtigt wurden (Verhältnis TW-Spitze (n=8) bzw. RW-Spitze (n=11) zum mittleren TW-Zufluss)...26 Bild 13: Vorbehandlungsmaßnahmen (links) und Feinsiebung des Abwassers in Abhängigkeit des verwendeten Membrantyps (rechts)...27 Bild 14: Betriebsweisen der 17 betrachteten Anlagen...28 Bild 18: TS-Konzentrationen in den Belebungsstufen von 12 Anlagen Bild 15: Hydraulische Aufenthaltszeiten bei maximalem Bemessungszufluss (Kapazität) und bei mittlerem täglichem Bemessungszufluss...30 Bild 16: Gesamte hydraulische Aufenthaltszeit in den Anlagen mit und ohne separatem Filtrationstank....31

6 Abschlussbericht OBEMEKA Seite IV Bild 17: Verhältnisse des Volumens der separaten Filtrationstanks zum Gesamtvolumen (8 Anlagen ohne separate Filtrationstanks)...31 Bild 19: Bemessungsflüsse (Maximal und Mittel) Bild 20: Mittlere Bemessungsflüsse unterteilt nach eingesetztem Membransystem...33 Bild 21: Bild 22: Spezifischer Luftbedarf in Abhängigkeit des eingesetzten Membransystems (Bemessungswerte)...34 Verhältnis der Zulaufkonzentrationen (links) und Eliminationsleistung (rechts)...36 Bild 23: Erzielte Stickstoffeliminationsraten im Verhältnis zur hydraulischen Aufenthaltszeit...37 Bild 24: Links: Investitionskosten als Funktion der Anlagenkapazität in Einwohnerwerten (je EW); Rechts: Investitionskosten als Funktion der hydraulischen Kapazität (je m³/d)...38

7 Abschlussbericht OBEMEKA Seite V Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Inhalte des Fragebogens...6 Tabelle 2: Eingruppierung der Anschlussgrößen (in Anlehnung an das DWA Arbeitsblatt A 131 (ATV-DVWK 2000b))...7 Tabelle 3: Liste kommunaler MBR Anlagen in Deutschland (Stand: Anfang 2006) Tabelle 4: Länderspezifische hydraulische Kapazitäten...18 Tabelle 5: Kapazitäten der betrachteten Anlagen nach Einwohnerwerten...23 Tabelle 6: Hydraulische Kapazitäten der betrachteten Anlagen [m³/d]...24 Tabelle 7: Betriebsparameter der Belebungsstufen...29 Tabelle 8: Betriebs- und Reinigungsstrategien...35 Abkürzungsverzeichnis CSB ISA JS MBR O 2 TS Chemischer Sauerstoffbedarf Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen Japan Sewage Works Agency Membranbioreaktor Sauerstoff(konzentration) Trockensubstanzgehalt

8 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 1 von 78 1 Einleitung Membranverfahren werden seit Jahrzehnten bei industriellen Anwendungen, der Sickerwasserbehandlung oder zur Trinkwasseraufbereitung erfolgreich eingesetzt. Mit der Weiterentwicklung der Niederdrucktechnik mit getauchten Membranen hat seit einigen Jahren die Verfahrenstechnik des so genannten Membranbioreaktors (MBR) nun auch in der kommunalen Abwasserreinigung Einzug gehalten. Dabei wird die sonst übliche Nachklärstufe zur Separation von gereinigtem Abwasser und Belebtschlamm durch eine Membrantrennstufe ersetzt. Als wichtigste Vorteile dieses Verfahrens gegenüber der konventionellen Technik gelten die nahezu keimfreie Ablaufqualität und der geringere Platzbedarf. Europäische Länder haben insbesondere im Bereich der kommunalen Abwasserreinigung in den vergangenen Jahren eine Vorreiterrolle bei der großtechnischen Anwendung von MBR eingenommen. Die erste Anlage dieser Art in Europa wurde im Jahre 1998 in Porlock, UK eingeweiht. Der erste deutsche MBR zur Behandlung kommunaler Abwässer wurde im Jahre 1999 vom Erftverband in Titz-Rödingen in Betrieb genommen. Beweggründe zur Anwendung dieser Technik waren hohe Anforderungen an das gereinigte Abwasser, die mit dem feststoff- und nahezu keimfreien Filtrat des MBR erreichbar wurden. Die während des Betriebes gesammelten positiven Erfahrungen, aber auch eine umfangreiche umweltpolitische Förderung dieser Technologie, führten zum Bau weiterer Anlagen, wie z.b. des Gruppenklärwerks Nordkanal, dem derzeit europaweit größten kommunalen MBR mit einem täglichen Abwasseranfall von m³, der im Juli 2004 seinen Betrieb aufnahm (Engelhardt, 2005). Seitdem stellt diese Anlage ein Referenzobjekt für die MBR-Technologie in der kommunalen Abwasserreinigung dar und dient nationalen und internationalen Fachleuten als Anschauungsobjekt. Wesentliche Triebfedern zur Etablierung dieser neuen Technologie waren und sind eine Reihe von EU-Richtlinien, zu denen die Richtlinie über die Behandlung von kommunalem Abwasser (KomAbwV, 91/271/EWG), die Wasser Rahmenrichtlinie (WRRL; 2000/60/EC) und die Badegewässer Richtlinie (BGR; 76/160/EWG) zählen. Neben dem vollständigen Ersatz der Nachklärung durch eine Membranstufe wird heute immer öfter der Einsatz eines MBR in einer Hybridlösung parallel zu einer konventionellen Kläranlage diskutiert, wobei der größte Teil der jährlichen Abwassermenge im MBR behandelt werden soll. Vorteil dieses Verfahrens ist die wirtschaftliche Ausnutzung der derzeit betrieblich noch kostenintensiveren Membranstufe. Bei Regenwetter oder sonstigen hydraulischen Spitzenbelastungen wird bei diesem Verfahren ein Teilstrom des Abwassers in der konventionellen Anlage behandelt. Die Praxistauglichkeit dieser Verfahrensvariante wird derzeit in den Niederlanden untersucht (Mulder, 2005).

9 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 2 von 78 2 Projektinhalte 2.1 Ziele Ziel des dargestellten Projektvorhabens ist die Optimierung des Betriebs von Membrananlagen in der kommunalen Abwasserreinigung. Im Rahmen des Vorhabens soll auf Basis bisheriger Erkenntnisse ein Beitrag zur sicheren und ökonomischen Verbreitung der Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung geleistet werden. Darüber hinaus sollen wichtige Erkenntnisse für die künftige Planung und den Bau von Membrananlagen zusammengestellt werden. Das Vorhaben soll durch die Einbeziehung eines japanischen Gastwissenschaftlers zudem den Wissensaustausch zwischen den Ländern Japan und Deutschland fördern. Beide Länder verfügen bereits über umfangreiche Erfahrungen im Bereich der Membrantechnik. Grundgedanke des Forschungsvorhabens ist, bestehende Betriebserfahrungen zusammenzutragen, darauf aufbauend die Effizienz der vorliegenden Verfahrenskombinationen zu untersuchen und zu bewerten und letztlich Empfehlungen hinsichtlich der Planung, der Gestaltung, der Dimensionierung und des Betriebs von Membrananlagen zu formulieren. Die Erfahrungen mit der Membrantechnik in der kommunalen Abwassererreinigung sind derzeit noch gering. Strengere Anforderungen an die Abwasserreinigung, z. B. im Hinblick auf die Einleitung in empfindliche Vorfluter, in Trinkwassereinzugsgebiete oder in Badegewässer, lassen jedoch eine schnelle weitere Verbreitung dieser für die kommunale Abwasserreinigung noch neuen Verfahrensweise erwarten. Insbesondere sind hierbei Anforderungen an die hygienische Qualität des Kläranlagenablaufs maßgebend. Mit einer weiteren Verbreitung ist künftig eine Reduzierung der erforderlichen Investitionen und Betriebskosten zu erwarten, so dass eine Ausweitung auch auf Bereiche zu erwarten ist, für die derzeit noch die konventionelle Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren favorisiert wird. Die generellen Ziele dieses Projekts können wie folgt zusammengefasst werden: Zusammenstellung bestehender Betriebserfahrungen mit Membrananlagen zur Reinigung kommunaler Abwässer. Analyse der gesammelten Informationen und darauf aufbauend Erarbeitung von Empfehlungen für Konstruktion und Betrieb von Membrananlagen in der kommunalen Abwasserreinigung mit der Zielsetzung einer Betriebsoptimierung und Kostenminimierung

10 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 3 von Kooperation mit Japan Sewage Works Agency Seit 1982 findet zwischen dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen (ISA) und der Japan Sewage Works Agency (JS) in Tokio ein Austausch von Gastwissenschaftlern statt. Ziel dieses Programms ist der Austausch von Fachkenntnissen im Bereich der Abwasser- und Schlammbehandlung und der diesbezüglichen aktuellen Forschungsaktivitäten. Seit Beginn arbeiteten jeweils sieben Wissenschaftler beider Seiten für 6 bis 18 Monate im Partnerland. Dieses sehr erfolgreiche Austauschprogramm fand im August 2005 seine Fortsetzung, als der japanische Gastwissenschaftler Dr. Hiroki Itokawa seine Arbeit am ISA aufnahm. Während der folgenden 12 Monate wirkte er maßgeblich am vorliegendem Forschungsvorhaben mit. Eine detaillierte Beschreibung seiner Tätigkeiten in Deutschland ist im Bericht Report on Stay in Germany under the Engineer Exchange Program between Germany and Japan vom Juli 2006 enthalten (unveröffentlicht).

11 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 4 von 78 3 Vorgehensweise 3.1 Einleitung Zur Optimierung bestehender Bemessungs- und Betriebsempfehlungen für kommunale MBR ist es erforderlich, bislang gewonnene Erfahrungen aus dem Betrieb bestehender Anlagen zu sammeln und zu analysieren. Veröffentlichungen in der Fachliteratur sind für diesen Zweck nur bedingt geeignet, da sie nicht für alle Anlagen verfügbar sind und nur selten die aufgetretenen Probleme kritisch dargestellt werden. Aus diesem Grund wurden die erforderlichen Daten im hier beschriebenen Projekt auf zwei Arten zusammengetragen: Anlagenbesichtigungen und Interviews vor Ort: Dies ist die effektivste und bevorzugte Methode der Datenakquisition. Bei einer großen Zahl von Anlagen, die zudem noch räumlich weit auseinander liegen, ist die Umsetzung allerdings problematisch. Fragebogen: Die Datenakquisition mit Hilfe eines Fragebogens ist bei einer großen Zahl von Anlagen einfacher durchzuführen, allerdings problematisch hinsichtlich der Qualität der gesammelten Daten. Im vorliegenden Fall wurden auf diese Art Daten der weiter entfernten europäischen Anlagen erfasst. 3.2 Methoden Zu Beginn der Arbeiten stand zunächst eine Recherche in den verschiedenen europäischen Ländern mit dem Ziel, Kontaktdaten der Betreiber kommunaler Membranbioreaktoren zusammenzutragen. Hierzu wurden existierende Listen kommunaler MBR-Anlagen in Europa, die jedoch wegen der schnell zunehmenden Zahl an MBR-Anlagen nicht mehr den aktuellen Stand widerspiegelten, aktualisiert. Als Datenbasis wurden folgende Quellen verwendet: Auflistungen aus eigenen vorangegangenen Untersuchungen Lists of Applications verschiedener Membranhersteller Internet Persönliche Mitteilungen Da in dem Vorhaben nur europäische, großtechnische MBR-Anlagen zur Behandlung kommunaler Abwässer von Interesse waren, wurden die nachstehend genannten Membrananwendungen aus dem recherchierten Datenpool ausgeschlossen. industrielle Anlagen,

12 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 5 von 78 Pilotanlagen, dezentrale Kleinkläranlagen mit Membrantechnik, Prozesswasserbehandlungsanlagen (auch wenn sie auf kommunalen Anlagen betrieben werden) nachgeschaltete Membrananlagen zur Aufbereitung des Nachklärbeckenablaufs sowie Membrananlagen zum so genannten Tertiary treatment, also zur Verbesserung des Ablaufs einer konventionellen Kläranlage und geplante oder im Bau befindliche Anlagen. Die erstellte Liste enthielt folgende Daten für jede Membrananlage/-nutzung: Name Land Betreiber Kapazität bezogen auf den Einwohnergleichwert (EGW) Hydraulische Kapazität installierte Membranfläche Membranelieferant/-anbieter Jahr der Inbetriebnahme Zur Beschränkung der Anlagenzahl wurden in der geplanten Umfrage nur Anlagen mit einem täglichen Abwasser aufkommen von mindestens m³ und einem minimalen Betriebszeitraum von einem Jahr berücksichtigt. Auf dieser Basis wurden insgesamt 25 Anlagenbetreiber aus sieben Ländern kontaktiert. Parallel zur Recherche erfolgte die Entwicklung eines englischsprachigen Fragebogens, in dem mit 53 Fragen Informationen zur technischen Ausstattung und bislang gemachten Betriebserfahrungen gesammelt wurden (siehe Anlage 1). Die Inhalte dieses Fragebogens sind in Tabelle 1 dargestellt.

13 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 6 von 78 Tabelle 1: Inhalte des Fragebogens Grundlegende Daten Bemessungs- und Auslegungsdaten Abgefragte Themen Adresse/Kontaktdaten Entwässerungssystem Anschlussgröße Datum der Inbetriebnahme Grund für die Auswahl des MBR-Verfahrens Anzahl der Straßen, Bemessungszuflüsse, Anteil an industriellem Abwasser Vorbehandlung, Konfiguration der biologischen Stufe, Typ und Gesamtfläche der Membranen, Bemessungsflüsse, Schlammbehandlung Daten zum Betrieb Allgemeines Abgefragte Themen Behandelte Wassermengen, Zu- und Ablaufkonzentrationen, Betriebsbedingungen der biologischen Stufe und der Membranstufe, Membranreinigung, Messtechnik, Betriebsprobleme und Maßnahmen (Siebung, Verschlammung, Verzopfung, Schwimmschlamm, etc) Investitions- und Betriebskosten Energieverbrauch Optimierungspotential allgemeine Zufriedenheit mit dem Verfahren Perspektiven nach Ansicht der Betreiber Zwischen November und Dezember 2005 wurden die Fragebögen für drei kommunale MBR in Deutschland in Zusammenarbeit mit den Anlagenbetreibern vor Ort ausgefüllt. 11 der angeschriebenen Anlagenbetreiber schickten bis Ende März 2006 den Fragebogen unterschiedlich detailliert ausgefüllt zurück. Von diesen Anlagen konnten im Frühjahr 2006 eine weitere deutsche, eine niederländische und drei englische Anlagen besichtigt werden, was die Datendichte weiter verbesserte. Die übrigen angeschriebenen Anlagenbetreiber konnten leider nicht zu einer Zusammenarbeit bewegt werden. Aus der Literatur wurden ersatzweise zusätzlich Betriebsdaten mit allerdings geringerer Detailtiefe für drei weitere Anlagen gewonnen (De Wilde, 2005; Rondi, 2005; Pampus, 2005). Im Rahmen einer Exkursion mit Studierenden des Vertiefungsbereichs Wasserwesen der RWTH Aachen durch Süddeutschland und die Schweiz konnten im Herbst 2005 zwei MBR besichtigt werden. Während einer Reise nach Berlin im April 2006 wurden Betriebserfahrungen eines halbtechnischen MBR erfasst. Obwohl die drei letztgenannten Anlagen nicht das Kriterium der minimalen Anschlussgröße (1.000 m³/d) erfüllten, konnten dennoch auch hier wertvolle Informationen zur Betriebsoptimierung gesammelt werden. Somit standen für die Auswertung Daten von insgesamt 17 großtechnischen und drei kleineren MBR zur Behandlung kommunaler Abwässer zur Verfügung.

14 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 7 von 78 Da mit dem Fragebogen teilweise sensible Betriebsdaten abgefragt wurden, wurde den Anlagenbetreibern Anonymität bezüglich der Veröffentlichung dieser Daten zugesichert. Aus diesem Grund erscheinen im folgenden Text keine Anlagennamen und die dargestellten Daten sind bis zu einem gewissen Grade anonymisiert. Dazu wurden keine exakten Daten zur Anschlussgröße genannt, sondern eine Einteilung nach Größenklassen vorgenommen (siehe Tabelle 2). Die hydraulischen Kapazitäten werden auf die angeschlossenen Einwohner bezogen [m³/(ew*d)]. Diese Vorgehensweise war erforderlich, um die Betreiber zur Weitergabe von Informationen bezüglich Ablaufkonzentrationen und Betriebsproblemen zu bewegen. Tabelle 2: Eingruppierung der Anschlussgrößen (in Anlehnung an das DWA Arbeitsblatt A 131 (ATV-DVWK 2000b)) Angeschlossene Einwohner Korrespondierende BSB 5 Belastung Größenklasse < Einwohner < 60 kg/d GK Einwohner kg/d GK Einwohner kg/d GK Einwohner * kg/d * GK4 * > Einwohner * > kg/d * GK5 * * Modifiziert gegenüber ATV A 131 (ATV-DVWK, 2000b)

15 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 8 von 78 4 Stand der Technik 4.1 Einleitung Das Membranbelebungsverfahren stellt eine Kombination aus der bewährten biologischen Abwasserreinigung und einer Membranfiltration dar. Kläranlagen, die dieses Verfahren einsetzen, bezeichnet man als Membranbioreaktor (MBR). Den baulich größten Unterschied zur konventionellen Abwasserreinigung bildet dabei der Verzicht auf das Nachklärbecken. Die Abtrennung der Biomasse vom biologisch gereinigten Abwasser erfolgt beim MBR durch die direkte Filtration des belebten Schlammes mittels Membranen. Damit ist die Effektivität dieses Verfahrens nicht mehr abhängig von den Sedimentationseigenschaften des belebten Schlammes sondern von der Trenngrenze der eingesetzten Membranen. Verfahrenstechnisch stellen die Membranmodule das Kernstück des MBR dar. Es besteht die Möglichkeit, diese trocken aufzustellen oder sie getaucht zu installieren. Externe, trocken aufgestellte Module sind hauptsächlich in der industriellen Anwendung zu finden. Hier kommen üblicherweise Rohrmodule zum Einsatz, bei denen das Schlamm-Wasser-Gemisch mit hohen Geschwindigkeiten durch die Module gepumpt wird (Überdruckbetrieb). Sie haben einen verhältnismäßig hohen Energiebedarf von bis zu 10 kwh/m 3 gereinigten Abwassers und sind deshalb für kommunale Kläranlagen noch als unwirtschaftlich anzusehen (Rosenberger, 2003). Hier werden bevorzugt Membranmodule eingesetzt, die direkt in das Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch eingetaucht sind. Dabei sind sie entweder direkt in der Nitrifikationszone des Belebungsbeckens oder in einem separaten Filtrationsbecken installiert (MUNLV, 2006). Bei der zweitgenannten Anordnung wird sowohl die Reinigung als auch die Wartung der Module vereinfacht (DWA, 2005). Bei den getauchten Modulen wird das Permeat über Pumpen abgesaugt oder im so genannten Gravity-Flow, also lediglich durch den hydrostatischen Wasserdruck, aus dem System abgeführt. Man spricht in beiden Fällen von einem Niederdruckbetrieb. Wie bei jedem Filtrationsprozess kommt es auch beim Einsatz von getauchten Modulen zu einer Deckschichtbildung auf der Membranoberfläche. Belüftungselemente unter den Membranmodulen erzeugen eine grobblasige Belüftung, die zu einer Überströmung der Membranen mit einem Schlamm-Luft-Gemisch führt (Crossflow-Belüftung). Die dabei auftretenden Scherkräfte sorgen für eine Begrenzung dieser Deckschicht. Das folgende Fließschema in Bild 1 stellt die verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten der Membranstufe im Vergleich zur konventionellen Verfahrenstechnik dar.

16 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 9 von 78 Bild 1: Fließdiagramme der konventionellen Verfahrenstechnik und des Membranbelebungsverfahren Die bei einem MBR eingesetzten Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen (DWA, 2005) gewährleisten einen vollständigen Feststoffrückhalt unabhängig von der hydraulischen Belastung oder den Sedimentationseigenschaften des Schlammes. Dies ermöglicht den Betrieb der Belebungsstufe mit höheren Feststoffgehalten als in der konventionellen Abwasserbehandlung. Trockensubstanzgehalte um 12 g/l haben sich in der Praxis durchgesetzt, wodurch deutlich geringere Beckenvolumen realisiert werden. Da außerdem das Nachklärbecken entfällt, ist der Raumbedarf eines MBR um den Faktor 3 bis 4 geringer als bei der herkömmlichen Verfahrenstechnik. 4.2 Planung und Betrieb kommunaler MBR in Deutschland Bis Mitte der 90er Jahre kam das Membranbelebungsverfahren lediglich in der industriellen Abwasserreinigung zum Einsatz. Die Verwendung von Membranen zur Phasenseparation in Verbindung mit dem Belebungsverfahren war bis dato in der kommunalen Abwasserbehandlung aufgrund der großen Abwassermengen und der starken hydraulischen Schwankungen zu kostenintensiv. Mit der Entwicklung der getauchten Membranen und stetig sinkenden Membranpreisen werden Membranbioreaktoren nun aber vermehrt auch in

17 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 10 von 78 diesem Bereich eingesetzt. Bei der Behandlung kommunaler Abwässer ergeben sich jedoch spezifische Randbedingungen (Zusammensetzung des Abwassers, hydraulische Schwankungen im Zulauf), die bei der Planung und dem Betrieb kommunaler MBR zu berücksichtigen sind. Die Erfahrungen aus der Industrieabwasserreinigung oder der Sickerwasserbehandlung reichen nicht aus, um diesen Randbedingungen ausreichend Rechnung zu tragen. Bislang fehlen noch verbindliche Bemessungsempfehlungen und Regelwerke zur Planung kommunaler MBR. Hinweise zu Bemessung und Betrieb geben zwei Arbeitsberichte der ATV bzw. DWA (ATV, 2000a; DWA, 2005) und eine Veröffentlichung des Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MUNLV NRW, 2006). Die Bemessung der biologischen Stufe erfolgt häufig in Anlehnung an das ATV Arbeitsblatt A-131, das zur Bemessung von konventionellen einstufigen Belebungsanlagen Verwendung findet (ATV, 2000b). Die Leistungsfähigkeit von Membranbelebungsanlagen wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst. Nachfolgend wird eine Synthese signifikanter Einflussfaktoren und die derzeitige Bemessungspraxis dargestellt Vorreinigung Bei MBR werden je nach Zusammensetzung des Abwassers häufig die Vorreinigungsverfahren der konventionellen Abwasserreinigung genutzt (Sand-, Fettfang, Grobrechen). Da jedoch die Membranmodule empfindlich gegenüber Verschlammung und Verzopfung sind, wird üblicherweise eine zusätzliche Feinrechenstufe eingesetzt. Bei der Verwendung von Plattenmodulen überwiegen Rechen oder Siebe mit Spaltweiten von 3 mm. Hohlfasermodule gelten als empfindlicher gegenüber Verzopfung durch faserige Abwasserinhaltsstoffe wie z.b. Haare. Für derartige Anlagen werden daher häufig Spaltweiten 1 mm eingesetzt. Die DWA empfiehlt einen mehrstraßigen Ausbau der Rechenanlage und die Vermeidung von Notumläufen um die Rechen, damit unbehandeltes Rohabwasser in jedem Fall von der Membranstufe ferngehalten wird (DWA, 2005). Um weitere Störstoffe aus dem Bioreaktor zu entfernen, wird in einigen Anlagen mit Hohlfasermembranen ein Teilstrom des zurückgeführten Schlammes einer so genannten Bypass-Siebung mit Lochweiten 0,5 mm unterzogen (Pinnekamp et al., 2006a). Durch die aufwendigere Vorbehandlung ist die Rechen- oder Siebgutmenge in MBRs höher (Kraume, Bracklow, 2003).

18 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 11 von Belebungsstufe Die biologischen Reinigungsvorgänge sind prinzipiell beim Membranbelebungsverfahren die gleichen wie bei der konventionellen biologischen Abwasserreinigung. Wesentlicher Unterschied ist der höhere Feststoffgehalt im Belebungsbecken, der Auswirkungen auf Beckenvolumen und verschiedene Betriebsparameter hat. Die Bestimmung der erforderlichen Beckengröße kann analog zum konventionellen Verfahren nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK A 131 (ATV-DVWK, 2000b) erfolgen (DWA, 2005). Die Eingangsdaten für diese Bemessung werden bei beiden Verfahren nach Arbeitsblatt A 198 (ATV-DVWK, 2003) ermittelt. Bei Ansatz eines für MBR üblichen Feststoffgehaltes von 12 g/l würde sich nach konventioneller Bemessung das Beckenvolumen erheblich reduzieren (um den Faktor 3-4). Dieses verminderte Volumen senkt die Pufferkapazität des Systems hinsichtlich Konzentrations- bzw. Frachtstößen. Während hoher hydraulischer Belastungen sinkt die Aufenthaltszeit im System und damit die Kontaktzeit des Abwassers mit der Biomasse. Der biologische Umsatz gelöster Abwasserinhaltsstoffe kann dann nicht mehr ausreichend stattfinden. Dieser Umstand kann zu einer Überschreitung der Ablaufgrenzwerte und einem vermehrten Fouling der Membranen führen (Kraume, Bracklow, 2003). Dies kann nach (DWA, 2005) durch eine entsprechende hydraulische Gestaltung der Beckenvolumina verhindert werden (Kaskadierung, Pfropfenströmung). Über eine erforderliche Erhöhung des Beckenvolumens gibt diese Quelle keine weiteren Hinweise. Andere Autoren schlagen vor, die Becken so zu dimensionieren, dass für den maßgebenden Belastungsfall eine minimale hydraulische Aufenthaltszeit von sechs bzw. acht Stunden eingehalten wird (MUNLV NRW, 2006). Neben der sicheren Einhaltung der Ablaufgrenzwerte soll so sichergestellt werden, dass eine Permeabilitätsabnahme infolge Fouling, hervorgerufen durch noch nicht biologisch abgebaute Abwasserinhaltsstoffe, vermindert wird. Eine weitere Möglichkeit, hydraulische Spitzen abzupuffern, ist die Anordnung von Ausgleichsvolumina vor den eigentlichen Membrananlagen. Auf diese Art kann die Dimensionierung der erforderlichen Membranfläche geringer ausfallen, wodurch wiederum Investitions- und Betriebskosten reduziert werden können (DWA, 2005). Die Phosphorelimination kann wie beim konventionellen Belebungsverfahren als Simultanoder Vorfällung erfolgen. Die Wahl der eingesetzten Mittel unterscheidet sich dabei nicht. Allerdings sind, wie für andere Parameter, auch die Ablaufwerte beim Membranverfahren aufgrund des vollständigen Feststoffrückhaltes deutlich geringer.

19 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 12 von 78 Die zur kontinuierlichen Reinigung der Membranen eingesetzte Belüftung (Crossflow) kann die Sauerstoffversorgung der biologischen Stufe ggf. vollständig decken, sodass keine weitere feinblasige Belüftung erforderlich wird. Die Einbeziehung der Crossflow-Belüftung für die Bemessung des O 2 -Bedarfs im Belebungsbecken muss allerdings speziell nachgewiesen werden (DWA, 2005). Es ist zu beachten, dass der höhere Feststoffgehalt den bei der Bemessung anzusetzenden α-wert vermindert. Es wird daher empfohlen, bei der Auslegung feinblasiger Druckbelüftungsanlagen einen gegenüber konventionellen Belebtschlammanlagen reduzierten α-wert von 0,5 für den üblichen Feststoffgehalt von 10 g/l bis 12 g/l zu verwenden (DWA, 2005) Membranstufe Die Membranstufe ist das Kernstück eines jeden MBR. Ihrer Auslegung und dem Betrieb kommt eine besondere Bedeutung zu, da die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wesentlich von einem effizienten Betrieb der Membranen abhängt. Da beim Membranbelebungsverfahren die gesamte anfallenden Abwassermenge zu jeder Zeit von der Membranfläche filtriert werden muss, kommt dem spezifischen Fluss, also dem hydraulischen Durchsatz in [l/(m²*h)] oder [m³/(m²*d)], eine wichtige Bedeutung zu. Je höher der erreichbare Permeatfluss, desto weniger Membranfläche wird benötigt, was sich wesentlich auf Investitions- und Betriebskosten auswirkt. Die erforderliche Membranfläche (A M ) wird auf Grundlage des Mischwasserzuflusses Q M bei der niedrigsten Jahrestemperatur bestimmt. Da die Viskosität des belebten Schlammes mit sinkender Temperatur ansteigt, womit gleichzeitig die Filtrierbarkeit des Belebtschlammes absinkt, spielt der Temperatureinfluss für den Permeatfluss eine wichtige Rolle (DWA, 2005). Anders als im Arbeitsblatt A 198 werden bei der Bemessung hier die mittleren Tageswerte der Abwassertemperatur verwendet. Der Quotient aus Mischwasserzufluss und installierter Membranfläche ergibt den Netto- Permeatfluss, der je nach Modulsystem im Dauerbetrieb zwischen 8 l/(m²*h) bis 30 l/(m²*h) liegen kann. Für die Außerbetriebnahme einzelner Module zur Reinigung oder für Wartungsarbeiten ist zu gewährleisten, dass der gesamte Abwasserzufluss mit den verbleibenden Modulen weiterhin filtriert werden kann, wofür die Modulzahl redundant auszulegen ist. Für einige Membransysteme ist dies auch durch kurzzeitige Erhöhung des Permeatflusses zu erreichen (DWA, 2005). Häufig wird zur Beurteilung der Leistung einer Membranstufe auch die Permeabilität [l/(m²*h*bar)] genannt, die die transmembrane Druckdifferenz, die von den Permeatpumpen aufgebracht wird, mit berücksichtigt. Die in unterschiedlichen Versuchsanlagen ermittelten Permeabilitäten liegen nach den Erfahrungen unterschiedlicher Betreiber, unabhängig vom

20 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 13 von 78 Membransystem, alle im Bereich zwischen 150 und 200 l/(m²hbar) (Engelhardt, 2005; Pampus, 2005; Wedi, 2005; Schauerte und Weber, 2005). Ausnahmen bilden Untersuchungen von van de Roest (2005), der auf der Kläranlage Varssefeld über Monate stabile Permeabilitäten von 400 l/(m²hbar) ermittelte Fouling Fouling beschreibt alle leistungs- und permeablitätsmindernden Effekte auf den Membranen, die durch die in dem zu filtrierenden Abwasser enthaltenen Substanzen, Partikel und lebenden Organismen hervorgerufen werden. Die Fouling verursachenden Substanzen werden unterschieden nach anorganischen, organischen und biologischem Fouling. Ein wesentlicher Punkt bei der Bildung von Fouling stellen die EPS (Extrazelluläre polymere Substanzen) dar. Diese EPS bestehen hauptsächlich aus Polysacchariden und Proteinen, enthalten aber auch Nukleinsäuren und andere Bestandteile der Biofilmzellen. Sie bilden auf der Membran eine Schleimmatrix, deren Wassergehalt aus etwa 98% besteht (Rosenberger, 2003). Es bleibt festzuhalten, dass der Gesamt-Filtrationswiderstand in Membranbelebungsanlagen stark von den extrazellulären Polymeren beeinflusst wird. Die genauen Wirkmechanismen und die Faktoren, die zu EPS-Bildung führen und letztendlich die Membranfiltrationsleistung nachhaltig negativ beeinflussen, sind weitestgehend ungeklärt. Von WETT (2005) wurde ermittelt, dass die EPS-Produktion bei einer Schlammbelastung von 0,025 kg BSB 5 /(kg TSd) minimiert werden kann. Allerdings räumt er ein, dass für die Einzelfallbetrachtung immer die örtlichen Randbetrachtungen von entscheidender Bedeutung sind, so dass hier eine allgemeine Aussage nicht möglich ist Spülung/ Chemische Reinigung Beim Betrieb der Filtrationsstufe eines MBR haben sich neben dem Belüften der Membranen zur Kontrolle der filtrationsbedingten Deckschichtbildung (Cross Flow Belüftung) zusätzlich intermittierende Filtrationsintervalle etabliert. Ein durchgehendes Absaugen von Permeat führte auf Dauer zu einem erhöhten Fouling, also Verblocken der Membranen. Daher werden Membransysteme üblicherweise mit einem Lauf-/Pausenzeit-Verhältnis von 5:1 bis 9:1 betrieben. Hohlfasermembranen können aufgrund ihrer Membranstruktur und Bauart zusätzlich mit einem geringen Druck rückgespült werden, womit die Beseitigung der während des Filtrationsintervalls gebildeten Deckschicht unterstützt werden kann. Hinsichtlich der Membranreinigung wird zwischen zwei Strategien unterschieden. Beim Maintenance Cleaning, das in ein bis zweiwöchigem Abstand zum Erhalt der Permeabilität,

21 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 14 von 78 also der Filtrationsleistung der Membranen, durchgeführt wird, wird eine oxidative Reinigungslösung (meist NaOCl) permeatseitig in die Membranen eingebracht. In einem zweiten Arbeitsschritt führen die meisten Betreiber eine nachfolgende saure Reinigung durch. Beim überwiegenden Teil der Anlagen wird zusätzlich ein- bis viermal im Jahr ein Recovery Cleaning durchgeführt, um einem unvermeidlich langfristig fortschreitenden Abfallen der Permeabilität entgegenzuwirken. Dies erfolgt vergleichbar zum oben beschrieben Maintenance-Cleaning, allerdings mit höheren Reinigungsmittel-Konzentrationen und längeren Einwirkzeiten. Unabhängig von der Strategie können die Reinigungen auf verschiedene Arten erfolgen. Bei einer in-situ Reinigung bleiben die Membranen im Belebtschlamm eingetaucht. Bessere Reinigungserfolge werden bei der so genannten On-air Reinigung erzielt. Dazu verbleiben die Module im Becken und es wird der Schlammspiegel bis zur Modulunterkante abgesenkt. Dies erfordert eine entsprechende Trennung der Beckenbereiche (Belebungszone Filtrationszone). Die besten Reinigungserfolge werden mit dem so genannten Soaking (Einweichen) erreicht, in dem die Module für mehrere Stunden vollständig in eine Reinigungslösung eingetaucht werden. Dazu muss entweder der Belebtschlamm vollständig entfernt und die Reinigungslösung in die Membrankammer gefüllt werden. Dies erfordert wie bei der On-air Reinigung eine entsprechende Beckenanordung. Alternativ werden die Module aus dem Belebungsbecken in eine separate Waschzelle gehoben, in der die Reinigung durchgeführt wird. Da diese Reinigungsmethode mit dem höchsten Aufwand verbunden ist, wird sie nur zum Recovery Cleaning eingesetzt. Aufgrund der bekannten AOX-Problematik sollte auf den Einsatz von Natriumhypochlorit verzichtet werden. Auf einer deutschen Anlage ist dies nach Angabe der Betriebsleitung bereits gelungen. Hier kann eine effektive Reinigung, allein basierend auf Wasserstoffperoxid, Zitronensäure, Natronlauge und Salpetersäure, erreicht werden (Wedi, 2005). Allerdings hängt eine effektive Reinigungsstrategie von den speziellen Randbedingungen wie z.b. der Abwasserbeschaffenheit auf der Kläranlage und dem eingesetzten Membransystem ab Energiebedarf Übereinstimmend aller Betriebserfahrungen (Engelhardt, 2005, Wedi, 2005, DWA, 2005) kann festgehalten werden, dass der Energiebedarf von kommunalen Membranbelebungsanlagen um einen Faktor von 2 3 höher liegt als in konventionellen Belebungsanlagen. Dabei ist der spezifische Energieverbrauch stark von der Gleichmäßigkeit des Zuflusses abhängig. So kann der spezifische Strombedarf pro

22 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 15 von 78 m³-abwasser bei Niedrigzulaufmengen auf > 2,0 kwh/m³ ansteigen. Bei Mischwasserzulauf und unter Vollauslastung der Membrananlage gemäß Auslegung kann dieser allerdings bis auf < 0,7 kwh/m³ absinken. 4.3 Kommunale MBR Anlagen in Deutschland Die jährliche Entwicklung der Anzahl kommunaler MBR Anlagen in Deutschland, ihre hydraulische Kapazität in m³/d und die Größe der installierten Membranfläche sind in Bild 2 dargestellt. Zusätzlich sind in Tabelle 3 alle kommunalen MBR-Anlagen Deutschlands, sortiert nach Zeitpunkt der Inbetriebnahme, aufgelistet (Stand: Anfang 2006). Als erste deutsche MBR Anlage zur Behandlung kommunaler Abwässer wurde im Jahre 1999 die Kläranlage Titz-Rödingen in Betrieb genommen. Beweggründe zur Anwendung dieser Technik waren hohe Anforderungen an das gereinigte Abwasser, die mit dem feststoff- und nahezu keimfreien Filtrat des MBR erreichbar wurden. Die während des Betriebes gesammelten positiven Erfahrungen, aber auch eine umfangreiche umweltpolitische Förderung dieser Technologie, führten zum Bau weiterer Anlagen, wie z.b. des Gruppenklärwerks Nordkanal mit einer mittleren täglichen Kapazität von m³, das im Juli 2004 seinen Betrieb aufnahm. Mit dieser Inbetriebnahme stieg die in Deutschland installierte Gesamtmembranfläche deutlich an, da alleine im GKW Nordkanal über m² Membranfläche von der Firma Zenon installiert sind. Ende des Jahres 2005 waren in Deutschland insgesamt 13 großtechnische kommunale Anlagen in Betrieb. Anlagenzahl , , , , , ,000 80,000 60,000 40,000 20,000 Kapazität [m 3 /d] Membranfläche [m 2 ] Jahr Anlagenzahl Kapazität Membranfläche Bild 2: Gesamtanzahl kommunaler MBR-Anlagen in Deutschland, zugehörige hydraulische Gesamtkapazität und installierte Membranfläche

23 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 16 von 78 Tabelle 3: Liste kommunaler MBR Anlagen in Deutschland (Stand: Anfang 2006). Name (Betreiber) Kapazität täglich EW [m 3 /d] Membranhersteller (Gesamtfläche in m 2 ) Inbetriebnahme Rödingen (Erftverband) Zenon (5.300) Apr 1999 Markransätdt (Kommunale Wasserwerke Leipzig) ,320 Zenon (8.800) Jan 2000 Knautnaundorf (Kommunale Wasserwerke Leipzig) VRM (756) Apr 2002 Monheim (Gemeinde) Zenon (12.320) Mai 2003 Schramberg-Waldmössingen (Stadtwerke Schramberg) Zenon (4.400) Mai 2004 Nordkanal (Erftverband) Zenon (84.480) Jul 2004 Seelscheid Kubota (12.480) Sep 2004 Merkendorf (Zweckverband Zeulenroda) Kubota (240) 2004 Richtheim (Gemeinde Ursensollen) Kubota (200) 2004 Eitorf (Gemeinde Eitorf) Kubota (10.240) Sep 2005 Rurberg-Woffelsbach (Wasserverband Eifel-Rur) Kubota (13.440) 2005 St. Wendel (St. Wendel) ItN Nanovation (33) 2005 Xanten-Vynen (LINEG) A3 (2.240) 2005

24 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 17 von Kommunale MBR-Anlagen in Europa Die Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung in Form des Membranbioreaktors fand im Jahre 1998 in England erstmalige Anwendung. Die Anlagenzahlen stiegen zunächst zögerlich, ab dem Jahre 2002 dann deutlich schneller an. Die Entwicklung der Anlagenzahlen und kapazitäten ist in Bild 3 für Europa dargestellt. Anlagenzah UK ITA FRA Gesamtkapazität GER ESP Andere Kapazität [m 3 /d] Jahr 0 Bild 3: Entwicklung der Zahl an MBR und Kapazitäten in Europa Aus diesen Zahlen wird deutlich, dass erst seit wenigen Jahren großtechnische Membranbelebungsverfahrens in der kommunalen Abwasserreinigung betrieben werden. Erste Erfahrungsberichte mit dem Verfahren wurden zwar in jüngster Vergangenheit veröffentlicht (u. a. auf den Aachener Tagungen Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik in den Jahren 2003 und 2005), eine übergreifende Zusammenfassung der vorliegenden Kenntnisse hat bisher jedoch noch nicht stattgefunden. Dies wurde mit vorliegendem Projekt nun erstmals erreicht. Nach Sichtung und Abgleich der vorliegenden Daten konnte eine Liste mit insgesamt 81 MBR-Anlagen erstellt werden. Im Folgenden werden die gesammelten Daten hinsichtlich Länderverteilung, Kapazitäten und verschiedener weitere Aspekte dargestellt. Die vollständige Liste ist in Anhang 2 abgedruckt. Die Verteilung der 81 Anlagen über die verschiedenen europäischen Länder ist in Bild 2 dargestellt. In Großbritannien (UK) ist mit 37 Anlagen (45,7%) die größte Anzahl an Anlagen in Europa im Betrieb, gefolgt von Deutschland mit 13 Anlagen (16,0%). Es folgen Italien (10 Anlagen, 12,3%), Spanien (7 Anlagen, 8,6%) und Frankreich (5 Anlagen, 6,2%). Insgesamt

25 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 18 von 78 neun weitere Anlagen befinden sich in den Niederlanden, Belgien, Österreich, der Schweiz und Irland. Betrachtet man die hydraulische Kapazität der Anlagen, ergibt sich die gleiche Rangfolge. Allerdings hat Deutschland diesbezüglich nach Inbetriebnahme der Kläranlage Nordkanal (maximale Kapazität: m³/d) fast zu Großbritannien aufgeschlossen. ESP 7 FRA 5 Andere 9 BRD 13 Total 81 I 10 UK 37 FRA 3% ESP 5% Andere 17% Total m 3 /d I 19% UK 29% BRD 27% Bild 4: Anzahl der MBR Installationen (links) und deren Kapazitäten (rechts) verteilt nach Ländern. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die mittlere Anlagenkapazität in Deutschland höher liegt als in Großbritannien (Tabelle 4). Eine große Spanne zwischen Mittelwert und Median der hydraulischen Kapazität deutet darauf hin, dass eine geringe Anzahl vergleichsweise großer Anlagen den Hauptanteil der Länderkapazität ausmacht. Tabelle 4: Land Länderspezifische hydraulische Kapazitäten Anzahl der Hydraulische Kapazität [m 3 /d] Anlagen Gesamt Maximum Mittelwert Median UK 37 (45,7%) (29,1%) Deutschland 13 (16,0%) (26,8%) Italien 10 (12,3%) (19,0%) Spanien 7 (8,6%) (5,3%) Frankreich 5 (6,2%) (2,8%) Andere* 9 (11,1%) (17,0%) Total 81 (100%) (100%) *Andere beinhalten die Schweiz (3 Anlagen), die Niederlande (2 Anlagen), Irland (2 Anlagen), Österreich (eine Anlage), und Belgien (eine Anlage).

26 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 19 von 78 Bild 5 stellt im logarithmischen Maßstab die Häufigkeitsverteilung der hydraulischen Kapazitäten der Anlagen in Europa dar. Es zeigt sich, dass in Deutschland die Spanne der Anlagenkapazitäten im europäischen Vergleich am größten ist. 100 Kumulative Häufigkeit [%] Deutschland 40 Großbritannien Italien Spanien 20 Frankreich Andere ,000 10, ,000 Kapazität [m 3 /d] Bild 5: Summenhäufigkeit der Gesamtkapazitäten kommunaler MBR in den europäischen Ländern Nach Inbetriebnahme des ersten kommunalen MBR in Großbritannien im Jahre 1998 sind die Anzahl der Anlagen und deren Kapazität kontinuierlich angestiegen. Seit dem Jahr 2003 sind pro Jahr ca. 20 Anlagen zusätzlich in Betrieb genommen worden (Bild 6) neu errichtete Anlagen pro Jahr neue Anlagen Anlagenzahl gesamt Anlagenzahl gesamt Bild 6: Anzahl der jährlichen Inbetriebnahmen kommunaler MBR-Anlagen in Europa

27 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 20 von 78 Bild 7 zeigt die jährliche Entwicklung der durchschnittlichen hydraulischen Kapazitäten aller kommunalen MBR-Anlagen in Europa und die Maximalkapazität der zu dieser Zeit größten Anlage. Obwohl die maximale Kapazität ca. alle zwei Jahre anstieg, erhöhte sich die durchschnittliche Kapazität nur unwesentlich von rund m³/d auf m³/d. Daraus wird deutlich, dass weiterhin überwiegend kleinere Anlagen gebaut werden. Ende 2005 war das vom Erftverband betriebene Gruppenklärwerk Nordkanal hydraulisch gesehen der weltweit größte kommunale MBR. Rödingen, D (3.240 m³/d) Swanage, GB ( m³/d) Brescia, I ( m³/d) Nordkanal, D ( m³/d) Mittlere Anlagenkapazität [m³/d] Maximale Kapazität [m³/d] mittlere Anlagenkapazität [m³/d] Maximale Kapazität [m³/d] Bild 7: Jährliche Entwicklung von durchschnittlicher und maximaler Kapazität der kommunalen MBR-Anlagen in Europa Derzeitig sind auf dem europäischen Markt zwei Membranhersteller für kommunale MBR Anlagen führend. Anlagen mit Plattenmodulen werden überwiegend von der Firma Kubota aus Japan ausgestattet. Die Firma Zenon (mittlerweile General Electric) aus Kanada ist Weltmarktführer bei der Ausstattung von MBR-Anlagen und vertreibt Hohlfasermembranen. In Bild 8 wird die jährliche Entwicklung der Anlagenzahlen und kapazitäten dieser beiden (und anderer) Membranhersteller dargestellt. Im Bezug auf die Anlagenzahl hat Kubota mit 49 Anlagen (Februar 2006) die größte Zahl an Anlagen ausgerüstet, gefolgt von Zenon (26 Anlagen, Februar 2006). Allerdings ist das hydraulische tägliche Filtratvolumen der Anlagen mit Zenonmembranen doppelt so groß (rund m 3 /d) wie die Kapazität der MBR- Anlagen mit Kubota Membranen ( m 3 /d). Das bedeutet, dass Kubota gegenüber Zenon mehr Anlagen mit Membranen ausstattet, diese aber in ihrer hydraulischen Kapazität im Mittel deutlich kleiner sind (Kubota: m³/d gegenüber Zenon: m³/d).

28 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 21 von 78 Andere Hersteller konnten sich auf dem Markt bisher noch nicht richtig etablieren. Sie stellen insgesamt 6 Anlagen mit einem Anteil von rund m³/d und somit lediglich 1,4 % der hydraulischen Kapazität Zenon Kubota Andere Gesamtkapazität [x10³ m³/d] Anlagenzahl Bild 8: Jährliche Entwicklung von Anzahl und Gesamtkapazität kommunaler MBR- Anlagen mit Membranen unterschiedlicher Hersteller Das Verhältnis aus hydraulischer Kapazität zur gesamten Membranoberfläche stellt den so genannten Fluss dar. Dieser Fluss ist ein wesentlicher Betriebsparameter zur Beurteilung der Leistung einer Membrananlage. Je höher der erreichbare Fluss, umso wirtschaftlicher kann eine Membranstufe betrieben werden. Direkte Angaben der im Mittel erreichten Flüsse waren leider kaum verfügbar. Für 31 Anlagen konnten jedoch über die hydraulische Kapazität und die installierte Membranfläche Daten zum täglichen Spitzenfluss errechnet werden. Bild 9 stellt Mittelwert und Median dieses Verhältnisses aller Anlagen, die im jeweiligen Jahr installiert wurden, dar. Zwischen 1999 und 2005 konnte demnach kein signifikanter Anstieg der Flussraten beobachtet werden. Offensichtlich haben in diesem Zeitraum Weiterentwicklungen bei der Membranherstellung und Modulausstattung zu keiner entscheidenden Erhöhung der Flussraten geführt.

29 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 22 von 78 Bild 9: Mittelwert und Median des Verhältnisses Kapazität/Membranoberfläche (Bemessungsfluss) von 31 europäischen MBR-Anlagen, die im jeweiligen Jahr installiert wurden.

30 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 23 von 78 5 Umfrageergebnisse Im Folgenden werden die Ergebnisse der zurückgesandten Fragebögen sowie die Ergebnisse der Anlagenbesichtigungen und Interviews ausgewertet und dargestellt. Teilweise wurden in den Fragebögen von den Betreibern nicht alle Daten angegeben, weshalb in den Auswertungen die Summe der Antworten unter 17 (Grundgesamtheit) liegen kann. Auch hier werden aus den bereits beschriebenen Gründen keine Anlagennamen genannt. Alle bei den Anlagenbesuchen gesammelten Informationen sind in Anhang 3 tabellarisch zusammengefasst. 5.1 Übersicht über die betrachteten Anlagen Im Rahmen der durchgeführten Umfrage stellen sich die Verhältnisse von Anlagenzahlen und Kapazitäten ähnlich wie die Gesamtzahlen in Europa dar, womit die Datengrundlage als repräsentativ betrachtet werden kann. Tabelle 5 zeigt die Anlagenzahlen aufgeteilt nach Größenklassen in Einwohnerwerten. Die Kapazitäten der Anlagen reichen von 300 bis Einwohnerwerten. Eine Eingruppierung in die fünf hydraulischen Kapazitätsklassen stellt Tabelle 6 dar. Hier schwanken die Kapazitäten der betrachteten Anlagen zwischen 260 und m³/d. Elf Anlagen erreichen einen maximalen täglichen Abwasserdurchsatz von mehr als m³/d. Sechs MBR filtrieren sogar mehr als m³/d. Auch hier wird deutlich, dass Großbritannien (7 Anlagen) und Deutschland (6 Anlagen) die Führungsrolle in Europa übernommen haben. Die anderen vier Anlagen liegen in Belgien, Italien, den Niederlanden und Spanien. Die drei europaweit größten MBR befinden sich in Deutschland, Italien und Großbritannien. Sechs der 17 Anlagen sind bereits länger als sechs Jahre in Betrieb (Stand: Ende 2005). Die anderen elf Anlagen wurden in den Jahren 2002 bis 2004 in Betrieb genommen. Bezüglich des eingesetzten Membransystems sind sieben Anlagen mit Plattenmembranen der Fa. Kubota ausgestattet. Zehn MBR arbeiten mit Hohlfasermembranen von Zenon. Tabelle 5: Kapazitäten der betrachteten Anlagen nach Einwohnerwerten* Kapazität [EW] Großbritannien Deutschland Andere Gesamt < > Gesamt 6 6* 4 16 * Von einer Anlage aus Großbritannien waren keine Daten zur BSB5-Belastung verfügbar.

31 Abschlussbericht OBEMEKA Seite 24 von 78 Tabelle 6: Hydraulische Kapazitäten der betrachteten Anlagen [m³/d] Kapazität [m 3 /d] Großbritannien Deutschland Andere Gesamt < > Gesamt Bild 10 zeigt die kumulierte Häufigkeitsverteilung aller europäischen Anlagen (unter Berücksichtigung der vollständigen Datenbasis aus Kapitel 3.2). Für die 17 betrachteten Anlagen liegen die mittlere Kapazität und deren Median bei bzw m³/d. Bezüglich aller europäischen MBR berechnen sich diese Werte zu bzw m³/d. Daraus wird deutlich, dass in der Umfrage nur die großtechnischen Anlagen Berücksichtigung gefunden haben. 100 Kumulierte Häufigkeit [%] Befragte Anlagen (n=17) 20 Besuchte Anlagen (n=9) Alle übrigen Anlagen (n=62) ,000 10, ,000 Kapazität [m3/d] Bild 10: Hydraulische Kapazitäten der betrachteten Anlagen gemeinsam dargestellt mit allen europäischen kommunalen MBR 5.2 Gründe für die Wahl des MBR Verfahrens Bild 11 stellt die Häufigkeit der Antworten auf die Frage nach dem Grund für die Wahl des Verfahrens dar (Mehrfachnennungen waren möglich). Für die meisten Betreiber war der geringere Platzbedarf gefolgt von der besseren Ablaufqualität ein entscheidender Beweggrund. Dagegen wurde die geringere Überschussschlammproduktion, die in der Vergangenheit in der Literatur häufig genannt wurde, nie genannt.