Membrantechnik für die Abwasserreinigung

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1 Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen Membrantechnik für die Abwasserreinigung Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen

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3 Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen Membrantechnik für die Abwasserreinigung Herausgegeben von: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Institut für Siedlungswasserwirtschaft der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (ISA, RWTH Aachen) Dr. rer. nat. Harald Friedrich Abteilungsleiter Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Wasserwirtschaft Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen

4 Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen Band 1 Membrantechnik für die Abwasserreinigung Herausgegeben von: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Institut für Siedlungswasserwirtschaft der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (ISA, RWTH Aachen) Dr. rer. nat. Harald Friedrich Abteilungsleiter Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Wasserwirtschaft Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen

5 Vorwort Vorwort Die Membrantechnik zur Aufbereitung von Wasser und Abwasser zeigt eindrucksvoll, wie innovativ, zukunftsorientiert und ökonomisch sinnvoll Umweltschutztechnik sein kann. In der 100-jährigen Geschichte der modernen Wasser- und Abwasseraufbereitung für Privathaushalte und Unternehmen wurde noch keine neue Technik eingeführt, die solch vielfältig positive Effekte hat wie die der Membrantechnik. In der kommunalen Abwasserbehandlung werden bestimmte Typen von Membrananlagen die Biomembranfiltrationsanlagen (Membranbelebungsverfahren) bislang noch selten eingesetzt. Dies hat historische und wirtschaftliche Gründe. Der Einsatz von Membranverfahren bei der kommunalen Abwasserreinigung kann sich bereits heute als wirtschaftlich erweisen, insbesondere unter folgenden Randbedingungen: Sie löst unterschiedliche Fragen der Wasseraufbereitung und führt gleichzeitig zu einer deutlich besseren Reinigung des Abwassers. wenn nur wenig Fläche für den Neubau oder die Erweiterung von Anlagen zur Abwasserreinigung vorhanden ist, Die Membrantechnik macht die betriebsinterne Rückgewinnung und Wiederverwertung fester und gelöster Stoffe möglich. Wegen der großen Auswahl an verfügbaren Membranen und Modulen lässt sich für fast jede Aufgabenstellung in der Wasseraufbereitung ein technisch geeignetes System finden. An der Entwicklung und Anwendung der Membrantechnik haben sich im In- und Ausland viele wissenschaftliche Institutionen, Industrieunternehmen sowie Wasserversorger und Abwasserverbände beteiligt. Die Bundes- und Landesregierungen unterstützen diese technische Entwicklung. wenn die Möglichkeiten zur anschließenden Verwendung des gereinigten Abwassers genutzt werden sollen, wenn weitergehende oder zusätzliche Anforderungen an die Ablaufqualität des Abwassers notwendig sind, wenn toxische Stoffe entfernt werden sollen, wenn eine hygienisch einwandfreie Abwasserqualität angestrebt wird. Bei Haus- und Kleinkläranlagen wie auch bei Schiffskläranlagen und zunehmend bei der kommunalen Abwasserreinigung ist die Biomembranfiltration in Deutschland bereits heute wettbewerbsfähig geworden. Heute ist die Membrantechnik in Deutschland bereits für viele Bereiche eine erprobte Alternative zu klassischen Verfahren der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung. Das zahlt sich ökologisch und ökonomisch aus, denn die Membrantechnik bedeutet: weniger Kosten für den Ver- und Entsorgungsbereich sowie die Produktion, gleichzeitig erheblich weniger Umweltbelastung. Die Anwendung der Membrantechnik in der Industrie ist sehr vielfältig und durch zahlreiche Referenzen belegt. In der industriellen Abwasseraufbereitung wird die Membrantechnik für den produktionsintegrierten Umweltschutz genutzt. 4

6 Vorwort Mit der Membrantechnik wird Wasser das meistgenutzte Lösemittel in der Industrie so gereinigt, dass es wieder verwendet werden kann. In der Industrie können die aus dem Wasser gefilterten Stoffe auch wieder neu genutzt werden. Zwar lässt sich mit der Membrantechnik kein vollständig geschlossener Kreislauf realisieren. Aber eine Mehrfachnutzung des Wassers reduziert die Abwassermenge deutlich. Das spart den Unternehmen Kosten. Diese Publikation stellt die Membrantechnik sowie ihren Einsatz in der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung in Deutschland gemäß dem Stand der Technik und der Wissenschaft vor. Beispiele großtechnisch realisierter Anlagen aus Kommunen und Industrieunternehmen demonstrieren die Einsatzbreite und Leistungsfähigkeit der Membrananlagen die Planung, den Bau und Betrieb sowie die dabei entstehenden Kosten eingeschlossen. Damit bekommen Planer, abwasserbeseitigungspflichtige Kommunen, Industrie- und Gewerbebetriebe sowie die Genehmigungsbehörden eine solide Grundlage, um zu entscheiden, ob die Membrantechnik als Lösung in Frage kommt. Eckhard Uhlenberg Minister für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Sigmar Gabriel Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Prof. Dr. Andreas Troge Präsident des Umweltbundesamtes 5

7 Impressum Diese wissenschaftliche Ausarbeitung wurde vom Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert. Verantwortlich Dr. rer. nat. Harald Friedrich Abteilungsleiter Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Wasserwirtschaft Dr.-Ing. Viktor Mertsch Abwasserbeseitigung und Abwassertechnik FiW Verlag Mies-van-der-Rohe-Straße Aachen Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) verlag@fiw.rwth-aachen.de Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen ISBN ISBN Inhaltliche Bearbeitung der 2. aktualisierten Auflage FiW an der RWTH Aachen e.v. M. Lange, Dr.-Ing. F.-W. Bolle, Dr.-Ing. S. Schilling, S. Baumgarten (ISA, RWTH Aachen) Gestaltung ID-Kommunikation S 1, Mannheim Inhaltliche Bearbeitung der 1. Auflage 2003: FiW und ISA, RWTH Aachen M. Lange (Vorsitz), S. Baumgarten, F.-W. Bolle, Dr.-Ing. T. Buer, J. Schunicht, Dr.-Ing. K. Voßenkaul Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) info@idkommunikation.de Begleitende Arbeitsgruppe der 1. Auflage 2003: Dr. V. Mertsch, I. Dierschke, K. Drensla, A. Kaste, RBD A. Schmidt, Prof. Dr. W. Schmidt, S. Tenkamp, Dr.-Ing. J. R. Tschesche, C. Wiedenhöft, T. Wozniak, Dr. K. Zimmermann Begutachtung der 1. Auflage 2003: Prof. Dr.-Ing. P. Cornel, Dr.-Ing. W. Firk, Dr.-Ing. J. Oles, Dr.-Ing. T. A. Peters, U. Voss Englischsprachige Ausgabe Eine englische Ausgabe mit dem Titel: Municipal Water and Waste Management: Membrane Technology for Waste Water Treatment ist mit folgenden ISBN-Nummern verfügbar: ISBN ISBN Titelfoto Erftverband Herstellung Greiserdruck GmbH & Co. KG Karlsruher Straße Rastatt Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0)

8 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Membrantechnik Grundlagen der Stofftrennung mittels Membrantechnik Membranverfahren in der Abwasserreinigung Mikro- und Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose Membranmaterialien, -aufbau und -klassifizierung Herkunft und Werkstoffe Morphologie, Struktur und Herstellung Membranformen und -module Anordnung von Modulen Betriebsarten Deckschichtbildung Maßnahmen zum Erhalt der Filtrationsleistung Weitere Aspekte zum Einsatz der Membranverfahren in der Abwasserreinigung 53 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Das Membranbelebungsverfahren Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete Eingesetzte Membranmodule Planung und Betrieb von Membranbelebungsanlagen Bemessung Konstruktive und planerische Gestaltung Betrieb Investitionen und Betriebskosten Investitionen Betriebs- und Instandhaltungskosten Praxisbeispiele zu großtechnischen Membranbelebungsanlagen MF Anlagen in Deutschland mit Mikrofiltrationsmembranen MF Kläranlage Seelscheid und Schulungseinrichtung MF MF Pilotanlage Büchel Kläranlage Richtheim MF Kläranlage Eitorf (Inbetriebnahme) MF Kläranlage Xanten-Vynen (Inbetriebnahme) MF Kläranlage Piene (in Planung) MF Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen (Inbetriebnahme) MF Kläranlage Kohlfurth, Prozesswasserbehandlung MF Kläranlage Dormagen, Prozesswasserbehandlung (Inbetriebnahme) MF Anlagen außerhalb Deutschlands mit Mikrofiltrationsmembranen MF MF MF Kläranlage Glasgow, Schottland Kläranlage Ebisu Prime Square Building, Japan Kläranlage St. Peter ob Judenburg, Österreich UF Anlagen in Deutschland mit Ultrafiltrationsmembranen UF UF UF Kläranlage Nordkanal Kläranlage Monheim Kläranlage Markranstädt MF Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose 7

9 Inhaltsverzeichnis UF UF UF UF UF UF Kläranlage Rödingen Kläranlage Schramberg-Waldmössingen Kläranlage Knautnaundorf Pilotanlage Simmerath Golfplatz St. Wendel Kläranlage Glessen (in Planung) UF Anlagen außerhalb Deutschlands mit Ultrafiltrationsmembranen UF UF UF UF Pilotanlagen auf der Kläranlage Beverwijk, Niederlande Kläranlage Varsseveld, Niederlande Kläranlage Brescia, Italien Kläranlage Säntis, Schweiz Kleinkläranlagen, mobile Anlagen und Schiffskläranlagen mit Membrantechnik MF MF MF UF UF MF MF UF Busse-MF-Anlage der Fa. Busse UltraSept-Anlage der Fa. Mall Kleinkläranlage für 4 EW in NRW Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), Brauchwasseraufbereitung MembraneClearBox -Kleinkläranlage und HoneyComb der Hans Huber AG Mobile Anlagen für den Einsatz in Feldlagern Schiffskläranlagen mit Membrantechnik Kreuzfahrtschiff Queen Mary Grau- und Schwarzwasserbehandlung auf Schiffen Nachgeschaltete Membranstufe zur Abwasserhygienisierung Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete Eingesetzte Membranmodule Betriebserfahrung UF Großtechnische Anwendungen in Deutschland zur Abwasserhygienisierung mit Ultrafiltration UF UF UF Kläranlage Geiselbullach Kläranlage Merklingen Kläranlage Bondorf-Hailfingen UF Großtechnische Anwendungen außerhalb Deutschlands zur Abwasserhygienisierung 157 mit Ultrafiltration UF Aufbereitungsanlage Torreele, Belgien UF Aufbereitungsanlage Katowice, Polen UF Aufbereitungsanlage Bedok, Singapur Bemessungsbeispiel Membranbelebungsanlage (MBA) Bemessungsgrundlagen Interpretation der ARA-BER-Berechnung gemäß den Bemessungsempfehlungen für MBA Bemessung der Membranfiltrationsstufe Ergebnisausdruck der Bemessung mit ARA-BER Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Kurzüberblick Ziele und Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen Entscheidungskriterien Wirtschaftlichkeit von Membrananlagen in der industriellen Abwasserreinigung Anwendungsbeispiele in Deutschland MF Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose

10 Inhaltsverzeichnis Nahrungsmittelindustrie Kartoffelstärkeproduktion UO Nahrungsmittelindustrie, Emsland Stärke GmbH Mälzerei UO UF Mälzerei, Durst Malz H. Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG Nahrungsmittelindustrie, Beeck Feinkost GmbH & Co. KG UF Druckindustrie, Peter Leis Papierindustrie NF Papierfabrik Palm, Werk Eltmann Textilindustrie UF Textilindustrie, Drews Meerane GmbH MF Seidenweberei Pongs Textilveredlung Gerhard van Clewe GmbH & Co. KG UO Faserindustrie, Vulkanfiber UF Kunststoffindustrie, Troplast Wäschereien Wäscherei Alsco Textilservice Mewa GmbH Metall verarbeitende Industrie UF Metall verarbeitende Industrie, Rasselstein Hoesch GmbH UF Metall verarbeitende Industrie, Faurecia Betrand Faure Sitztechnik Metall verarbeitende Industrie, Galvanikbetrieb Rudolf Jatzke Metall verarbeitende Industrie, Wieland Werke AG Lackwasseraufbereitung UF NF Lackwasseraufbereitung DaimlerChrysler Lackwasseraufbereitung aus der Ersatzteilfertigung im Ford Werk Köln UF Pharmazeutische Industrie, Schering Sonstiges Deponiesickerwässer UO MF UF UF Deponie Alsdorf-Warden Fischzucht Kraftwerke, Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk (GuD) Dresden Bilgenentölung Schwimmbäder Schwimmbad, Aquana Freizeitbad UF Schwimmbad, Freizeitbad Copa Ca Backum Anwendungsbeispiele außerhalb Deutschlands Nahrungsmittelindustrie UF UF UF UF UF Müsliproduktion bei der Kellogg Company, Großbritannien Stärkegrundproduktion bei Raisio Chemicals, Belgien Molkerei Dairygold Food Products, Irland Molkerei Diary Crest Limited, Großbritannien Mälzerei Sobelgra n. v., Belgien UO MF Wäscherei Massop, Niederlande Pharmazeutische Industrie, Penicillinproduktion bei der Firma Sandoz, Spanien Sonstiges 240 MF Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose 9

11 Inhaltsverzeichnis UF Tierkörperbeseitigungsanlage der SARIA Bio-Industries, Frankreich Mechanisch biologische Abfallbehandlungsanlage (MBA) UF Abfallentsorgung bei der Firma Tirme, Spanien Richtlinien und Normen in der Membrantechnik Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis 253 A Anhang 263 A.1 Adressen (genannt in den Praxisbeispielen) 264 A.1.1 Standorte der Membrananlagen in Deutschland 264 A.1.2 Anlagenplaner, Anlagenbauer, Membranhersteller, Beratende Ingenieure 268 A.1.3 Wissenschaftliche Begleitung bei der Erstellung dieser Publikation 272 A.1.4 Weitere Institutionen und Personen, die zu den Inhalten beigetragen haben 274 A.1.5 Weitere Informationsquellen zum Thema Membrantechnik 275 A.2 Fördermöglichkeiten 276 A.2.1 Förderprogramme und Förderberatung des Bundes 276 A.2.2 Förderprogramme der Bundesländer 277 A.2.3 Förderprogramme der EU für den Bereich Umweltschutz bzw. den Bereich Wasserwirtschaft 282 A.3 Kurzchecklisten zu Abbildung A.4 Kurzchecklisten zu Abbildung A.5 Arbeitsbericht der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe IG-5.5 Membrantechnik : Aufbereitung von Industrieabwasser und Prozesswasser mit Membranverfahren und Membranbelebungsverfahren 288 Teil I Membranverfahren 288 A.5.1 Einleitung 288 A.5.2 Bestimmung des Membranverfahrens 291 A Bestimmung der erforderlichen Trenngrenzen 291 A Bestimmung des Membranmaterials 291 A Bestimmung des Membranmoduls 293 A Bestimmung der Betriebsweise von Membrananlagen 295 A.5.3 Einsatzbeispiele 296 A.5.4 Projektierung von Membrananlagen 296 A Grundlagenermittlung 296 A Projektierung und Bemessung 296 A Vorversuche im Labormaßstab 296 A Pilotversuche vor Ort 297 A Anlagenplanung 298 A.5.5 Bewertungskriterien zur Auswahl einer Membrananlage 298 A Technische Bewertung eines Membranverfahrens hinsichtlich Einsatz und Vollständigkeit 298 A Definition der Aufgabenstellung 298 A Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage 298 A Verwendung bzw. Entsorgung der entstehenden Produkte 299 A Vorreinigung 299 MF Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose 10

12 Inhaltsverzeichnis 1 A Technische Ausführung 299 A Redundanzen 299 A Referenzen/Ähnliche Anwendungen 299 A Betriebskosten 299 A Betriebsmittel 299 A Betriebshilfsmittel 300 A Personalkosten 300 A Lebensdauer und Membranersatz 300 A Änderungen der Bedingungen bei Betrieb der Anlage 300 A Sonstige Punkte 300 A Störungen 300 A Vorversuche 301 A.5.6 Fragebogen Prozessdatenerhebung 301 A Beschreibung der Trennaufgabe, die mit einem Membranverfahren gelöst werden soll 301 A Zur Bewertung bzw. zur Integration eines Membranverfahrens in ein Gesamtbehandlungskonzept 301 A Fragen zur Anlagenauslegung 301 A Anforderungen an Ausführung und Bau der Membrananlage 301 Teil II Aerobe Membranbelebungsverfahren 302 A.5.7 Allgemeines 302 A.5.8 Konstruktiver Aufbau 302 A Anordnung 302 A Getauchte Membranmodule 303 A Trocken aufgestellte Membranmodule 303 A Deckschichtkontrolle 303 A Deckschichtkontrolle bei getauchten Systemen 303 A Deckschichtkontrolle bei trocken aufgestellten Systemen 304 A Generell 304 A Reinigungsstrategien 304 A.5.9 Anforderungen an den Zulauf 307 A Allgemeines 307 A Mechanische Vorbehandlung 307 A Misch- und Ausgleichsbecken 307 A Calcium-Gehalt 307 A Eisen- und Aluminiumgehalt 308 A.5.10 Bemessungshinweise für Membranbelebungsanlagen 308 A Allgemeines 308 A Flächenbedarf 308 A Eliminationsraten 309 A Belüftung 309 A Hydraulik 310 A Flexibilität 310 A Rezirkulation 310 A Temperatureinfluss 310 A.5.11 Besonderheiten von Membranbelebungsanlagen 311 A Schlammeigenschaften

13 1 Einleitung A Schlammcharakterisierung 311 A Rheologische Eigenschaften 311 A Überschussschlammproduktion 312 A Schlammbehandlung 312 A Schaumbildung 312 A.5.12 Wirtschaftlichkeit 313 A Definition der Wirtschaftlichkeit 313 A Investition/Kapitalkosten 313 A Betriebskosten 314 A Kostenrelevante Faktoren im Vergleich 314 A.5.13 Beispiele im Bereich Industrieabwasser (Europa) 315 A.5.14 Literaturverzeichnis 316 A.6 2. Arbeitsbericht des DWA Fachausschusses KA-7 Membranbelebungsverfahren vom A.6.1 Einführung 318 A.6.2 Beschreibung des Membranbelebungsverfahrens 319 A.6.3 Hinweise zur Planung und Bemessung 323 A.6.4 Schlammbehandlung 327 A.6.5 Chemische Reinigung der Membranmodule 329 A.6.6 Energiebedarf 330 A.6.7 Ertüchtigung bestehender kommunaler Kläranlagen 332 A.6.8 Hinweise zur Inbetriebnahme 333 A.6.9 Kosten 334 A.6.10 Jahreskosten 337 A Kapitaldienst und Membranersatz 337 A Betriebskosten 337 A.6.11 Schlussbemerkung 337 A.6.12 Vorteile und Risiken des Membranbelebungsverfahrens 338 A Allgemeines 338 A.6.13 Glossar 338 A.6.14 Literaturverzeichnis 342 A.7 Großtechnisch realisierte Membrananlagen zur Trinwasseraufbereitung (in D) 344 A.8 Glossar 345 A.9 Abkürzungsverzeichnis

14 Abbildungsverzeichnis 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 25 Abb. 1-1 Funktionsweise von Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen 26 Abb. 1-2 Darstellung der unterschiedlichen Einsatzbereiche von Membranverfahren 27 Abb. 1-3 Größe typischer Abwasserinhaltsstoffe und Porengröße eingesetzter Membranen 28 Abb. 1-4 Idealisierte Darstellung einer Poren- und einer Lösungs-Diffusions-Membran [nach MELIN 1999] 29 Abb. 1-5 Klassifizierung von Membranen [nach RAUTENBACH 1997] 33 Abb. 1-6 REM-Aufnahmen von Schnitten verschiedener Membranen 35 Abb. 1-7 Draufsicht auf die aktive Schicht einer Polyethylen-Membran (MF/UF) [AGGERVERBAND 2002] 35 Abb. 1-8 Draufsicht auf die Bruchkante einer Polyethylen-Membran (MF/UF), sichtbar ist die aktive Schicht [AGGERVERBAND 2002] 35 Abb. 1-9 Membran- und Modulformen 36 Abb Rohrmodule [Foto: WEHRLE WERK AG] 38 Abb Kapillar- bzw. Hohlfasermodule [Foto: KOCH MEMBRANE SYSTEMS] 39 Abb Wickelmodule Prinzipskizze [N.N. 2001], [Foto: NADIR FILTRATION GMBH] 40 Abb Kissenmodul, [Prinzipskizze und Foto: ROCHEM UF SYSTEME GMBH] 41 Abb Rohr-Scheiben-Modul (DT-Modul) [PALL 2001] 42 Abb Neuartige Multibore-Kapillaren der Firma inge AG [Foto: INGE AG] 43 Abb Vom Membranelement zur Membranstufe 44 Abb Reihenschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] 44 Abb Parallelschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] 45 Abb Anordnung von mehreren Modulen nach der Tannenbaumstruktur [nach RAUTENBACH 1997] 45 Abb Schematische Darstellung einer Membran bei der Crossflow- bzw. Dead-End-Filtration [nach MELIN 1999] 47 Abb Filtrationsintervalle im Dead-End-Betrieb [nach RAUTENBACH 1997] 47 Abb Schematische Übersicht der Filtrationswiderstände auf der Membranoberfläche und in der Membran [KRAMER, KOPPERS 2000] 49 Abb Auswirkung der Membranreinigung auf den Fluss bei konstantem Druck 51 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 59 Abb. 2-1 Anlass - Planung - Betrieb einer kommunalen Membranbelebungsanlage, Inhalte im Kapitel Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 61 Abb. 2-2 Konventionelle Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren und Anordnungsmöglichkeiten einer Membranstufe bei kommunalen Abwasserreinigungsanlagen [OHLE 2001] 62 Abb. 2-3 Verfahrensschema einer Kläranlage mit Membranbelebungsverfahren und nachgeschalteter Membranstufe 63 Abb. 2-4 Vergleich der Keimbelastung im Ablauf von Kläranlagen [BAUMGARTEN, BRANDS 2002] 66 Abb. 2-5 Schematische Darstellung des Flächenbedarfs einer konventionellen Belebungsanlage und einer Membranbelebungsanlage am Beispiel der KA Kaarst [ERFTVERBAND 2002] 67 Abb. 2-6 ZeeWeed TM- Modul der Firma ZENON 68 Abb. 2-7 Anordnung mehrerer ZeeWeed TM- Module ZW 1000 in einer Kassette [Foto: ZENON] 69 Abb. 2-8 Plattenmodul der Firma Kubota 69 Abb. 2-9 Anordnung der Plattenmodule der Firma Kubota als Doppeldecker [AGGERWASSER GMBH 2004] 70 Abb PURON Modul und Modulbaustein [Foto: PURON] 71 Abb Membranmodul der Martin Systems AG [Foto: MARTIN SYSTEMS AG] 72 Abb Huber VRM -Verfahren [Fotos: HANS HUBER AG, MARTIN SYSTEMS AG] 73 Abb Huber VUM -Verfahren [HANS HUBER AG] 74 13

15 1 Abbildungsverzeichnis Abb Membranelement und Membranmodul der Fa. Mitsubishi [Foto: ENVICARE ] 74 Abb Plattenmodul der Firma A3 GmbH [Foto: A3 GMBH] 75 Abb Membranmodul der Fa. US Filter Corporation [Foto: US FILTER CORPORATION] 76 Abb Membranmodul der Fa. Keppel Seghers Belgium [Foto: KEPPEL SEGHERS BELGIUM NV] 76 Abb Modulsystem der Weise Water Systems GmbH & Co. KG [WEISE WATER SYSTEMS GMBH & CO. KG] 77 Abb Keramische Plattenmembranen der Firma ItN Nanovation [Foto: ItN NANOVATION] 78 Abb Membranmodul und Konfiguration der Module im Rack mit darunter liegender Belüftungseinrichtung [Fotos: ItN NANOVATION] 78 Abb Prinzipskizze des Rotationsscheibenfilters (RSF) 79 Abb Module des Rotations-Scheibenfilters im Labormaßstab [Foto: FRAUNHOFER IGB] 79 Abb Spezifische Überschussschlammproduktion in Membranbelebungsstufen [ATV-DVWK 2000a] 81 Abb Sauerstoffübergangskoeffizienten ( -Werte) der KA Rödingen und Markranstädt bei einer feinblasigen Druckbelüftung [CORNEL ET AL. 2001] 84 Abb Prinzipskizze und Ansicht einer Siebanlage für Membranbelebungsanlagen (Kläranlage Markranstädt) [HUBER 2002, STEIN 2002a] 85 Abb Energiebedarf einer Membranbelebungsanlage (8.000 E) mit simultaner aerober Schlammstabilisierung [STEIN ET AL. 2001] 89 Abb Entwicklung der Membranersatzkosten [ISA 2002; CHURCHHOUSE, WILDGOOSE 2000] 92 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004] 97 Abb Membrananlage auf der Kläranlage Seelscheid [Fotos: AGGERVERBAND 2004] 97 Abb Bestehende Sandfilterbecken für die geplanten Schulungsanlagen [Foto: AGGERVERBAND 2004] 98 Abb Verfahrensschema der Schulungsanlagen [nach AGGERVERBAND 2004] 98 Abb Ansicht der Pilotanlage Büchel [Foto: AGGERVERBAND] 99 Abb Verfahrensschema der Pilotanlage Büchel [BAUMGARTEN 2001b] 99 Abb Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage 101 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF] 102 Abb Kläranlage Eitorf mit abgedeckten Membranbecken zwischen den Gebäuden im Vordergrund 103 Abb Membrananlage in Containerbauweise für die Kläranlage Xanten-Vynen [Foto: A3 GMBH] 104 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Xanten-Vynen einschließlich der Membranbelebungsanlagen [nach LINEG 2004] 104 Abb Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage 105 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Kohlfurth [nach WUPPERVERBAND 2004] 107 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Dormagen [nach STADT DORMAGEN 2004] 108 Abb Luftbild der Kläranlage Swanage [Foto: AQUATOR GROUP] 109 Abb Verfahrensschema der Schlammbehandlungsanlage Glasgow [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 110 Abb Draufsicht auf die Schlammbehandlungsanlage (STP) Glasgow und auf ein Becken der Membranstufe [Foto: AGGERWASSER GMBH 2001] 111 Abb Ebisu Prime Square Building [Foto: AGGERWASSER GMBH 2004] 112 Abb Abwasserreinigungsanlage im Keller des Ebisu Prime Square Building [Foto: AGGERWASSER GMBH 2004] 112 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 112 Abb Verfahrensschema der Kläranlage St. Peter ob Judenburg [nach ENVICARE] 113 Abb Kläranlage St. Peter ob Judenburg [Fotos: ENVICARE] 114 Abb Siebtrommel der Feinrechenanlage auf der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 115 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 115 Abb Membranbelebungsbecken auf der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004]

16 Abbildungsverzeichnis 1 Abb Kläranlage Monheim [Foto: BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] 117 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Monheim [nach BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] 117 Abb Modulkassetten bei der on-air-reinigung [Foto: STADT MONHEIM 2004] 118 Abb Verfahrensstufen auf der KA Makranstädt [STEIN 2002a] 119 Abb Verfahrensstufen der Kläranlage Makranstädt [STEIN 2002a] 120 Abb Fließschema der KA Rödingen 122 Abb Blick in die zwei Filtrationsstraßen beim Einbau der ZeeWeed -Kassetten [Foto: ERFTVERBAND] 122 Abb Kläranlage Schramberg [Foto: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] 123 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [nach STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] 124 Abb Membrananlage auf der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [Fotos: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] 124 Abb Verfahrensschema der Demonstrationsanlage Simmerath [nach WVER 2004] 126 Abb Membrananlage auf der Kläranlage Simmerath [Fotos: PURON AG 2003] 127 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [nach STADT ST. WENDEL] 128 Abb Modulrack auf der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [Fotos: ItN NANOVATION] 129 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] 130 Abb Luftbild und Fließbild der Kläranlage Lowestoft [ZENON 2002] 131 Abb Fotos der Pilotanlagen und Membranmodule auf dem Testfeld der Kläranlage Beverwijk [DHV 2004] 133 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Varsseveld [nach DHV 2004] 134 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Brescia [nach ZENON GMBH 2004] 135 Abb Luftaufnahme der Kläranlage Brescia [Foto: ZENON GMBH 2004] 136 Abb Ansicht und Fließbild der Membranbelebungsanlage nach dem ZenoGem -Verfahren auf dem Säntis [ZENON 2002], Lage der Membranbelebungsanlage auf dem Säntis und Ansicht der Module [ZENON 2002] 137 Abb Ansicht der Busse-MF-Kleinkläranlage (vormals BioMIR [BUSSE 2002]) 138 Abb Schematische Darstellung einer Busse-MF-Anlage [BUSSE 2002] 139 Abb Schema der UltraSept-Anlage der Fa. Mall [MALL 2002] 140 Abb Grauwasseraufbereitung bei der KfW 141 Abb Membrananlage zur Brauchwasseraufbereitung im Keller der KfW [WEISE WATER SYSTEMS GMBH] 142 Abb Einbauskizze einer Membrankleinkläranlage in eine Mehrkammergrube [HUBER AG 2004] 143 Abb MembraneClearBox -Kleinkläranlage der Huber AG [Fotos: HUBER AG 2004] 143 Abb Transport der Containeranlage auf einem Einsatzfahrzeug und Schema der Containeranlage [A3 GMBH 2004] 144 Abb Ansicht einer MEMROD Schiffskläranlage nach dem Membranbelebungsverfahren für 250 Personen [VA TECH WABAG 2002] 146 Abb Ultrafiltrationsmodul Pleiade zur Abwasserreinigung auf der Queen Mary 2 [Foto: ORELIS SA 2004] 146 Abb Foto der Queen Mary Abb Verfahrensschema der Abwasserreinigungsanlage auf der Queen Mary 2 [nach ORELIS SA 2004] 147 Abb Verfahrensschema der Abwasserreinigung nach der Two-Stream-Lösung [nach ROCHEM UF 2004] 148 Abb Membran-Bioreaktor BioFilt mit drei Straßen à 4,5 m 3 /d Permeat [ROCHEM UF 2004] 149 Abb Niederdruck-Umkehrosmose für die Grauwasser-Aufbereitung für 600 m 3 /d Permeat [Foto: ROCHEM UF 2004] 149 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Geiselbullach [nach AMPERVERBAND 2004] 152 Abb Aufbereitungsanlage auf der Kläranlage Geiselbullach [Fotos: AMPERVERBAND 2002]

17 1 Abbildungsverzeichnis Abb Verfahrensschema der Kläranlage Merklingen [nach RP TÜBINGEN 2004] 153 Abb Druckrohre der Ultrafiltrationsanlage auf der Kläranlage Merklingen [RP TÜBINGEN 2004] 154 Abb Verfahrensschema der Kläranlage Hailfingen [nach ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] 156 Abb Membrananlage auf der Kläranlage Hailfingen im Bau [Fotos: ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] 156 Abb Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage in Torreele [nach ZENON GMBH 2004] 158 Abb Verfahrensschema der Ultrafiltrationsanlage zur Brauchwasseraufbereitung in Katowice [nach ZENON GMBH 2004] 159 Abb Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage Bedok [nach ZENON GMBH 2004] 160 Abb Gesamtansicht der Aufbereitungsanlage Bedok [Foto: ZENON GMBH 2004] 161 Abb Ultrafiltrationsanlage der Aufbereitungsanlage Bedok [Foto: ZENON GMBH 2004] Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 165 Abb. 3-1 Anlass Planung Betrieb einer Membrananlage Übersicht der Inhalte im Kapitel Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 167 Abb. 3-2 Ziele und wirtschaftliche Interessen beim Einsatz einer Membrananlage in der Industrieabwasserreinigung 168 Abb. 3-3 Vorgehensweise bei der Planung einer Anlage zur Industrieabwasserreinigung 171 Abb. 3-4 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit einer Membrananlage 173 Abb. 3-5 Fließschema der Kartoffelstärkeproduktion 178 Abb. 3-6 Fließschema zur Aufbereitung von Prozess- und Kartoffelfruchtwasser bei der Emsland Stärke GmbH [nach LOTZ 2000] 179 Abb. 3-7 Umkehrosmoseanlage bei der Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG, Gernsheim [LINDEMANN 2001] 181 Abb. 3-8 Verfahrensskizze der Abwasseraufbereitung bei BEECK Feinkost GmbH [nach KOCH-GLITSCH GMBH 2001] 182 Abb. 3-9 Ultrafiltrationsanlage in der Grafischen Handelsvertretung Peter Leis [LEIS IN EFA 2000] 184 Abb Nanofiltrationsanlage in der Papierfabrik Palm, Werk Eltmann [SCHIRM 2001] und Teilausschnitt der Rohrmodul-Anordnung in einer Feed-and-Bleed-Struktur [nach SCHIRM 2001] 186 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlungs- und -aufbereitungsanlage bei Drews Meerane GmbH [nach ZENON GMBH 2004] 188 Abb Umbau der Abwasserreinigungsanlage bei PONGS Textil GmbH [Foto: A3 GMBH 2000] 189 Abb Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei der Fa. PONGS [nach A3 GMBH 2004] 190 Abb Ultrafiltrationsanlage im Textilveredlungsbetrieb van Clewe [BÖTTGER 2001] 192 Abb Verfahrensfließbild der Prozesswasseraufbereitung in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [AMAFILTER 2001] 193 Abb Umkehrosmoseanlage in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [Foto: AMAFILTER] 194 Abb Ultrafiltrationsanlage bei der HT Troplast AG [Foto: HT TROPLAST] 195 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlung in der Wäscherei ALSCO [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 197 Abb Membrananlage in der Wäscherei ALSCO [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 198 Abb Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage der Textilservice Mewa GmbH [nach ENVIRO CHEMIE 2004] 199 Abb Ultrafiltrationsanlage in der Textilservice Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] 200 Abb Nanofiltrationsanlage in der Textilservice Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] 200 Abb Ultrafiltrationsanlage im Unternehmen Rasselstein Hoesch [Foto: MFT GMBH] 202 Abb Ultrafiltrationsanlage in der Fa. Faurecia, Bertrand Faure Sitztechnik GmbH & Co. KG [KASTEN 2001]

18 Abbildungsverzeichnis 1 Abb Funktionsweise der Membran-Elektrolyse [SCHMIDT 2002] 205 Abb Ultrafiltrationsanlage im Werk Langenberg der Wieland Werke AG [MUNLV 2001] 207 Abb Ultrafiltrationsanlage bei DaimlerChrysler in Düsseldorf [HARMEL 2001] 208 Abb Verfahrensschema der Lackierung [IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] 209 Abb Nanofiltrationsanlage im Ford Werk Köln [Foto: IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] 210 Abb Luftaufnahme der Kläranlage bei der Schering AG [Fotos: SCHERING AG 2004] 211 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der SCHERING AG in Bergkamen [nach SCHERING AG 2004] 212 Abb Membranmodul bei der optischen Überprüfung [Foto: SCHERING AG 2004] 213 Abb Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser ohne Einsatz der Membranverfahren [ROSENWINKEL, BAUMGARTEN 1998] 214 Abb Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser unter Einsatz der Membranverfahren mit und ohne biologische Vorbehandlung [ergänzt nach ROSENWINKEL, BAUMGARTEN, G. 1998] 214 Abb Umkehrosmoseanlage auf der Deponie Alsdorf-Warden [MAURER 2001] 216 Abb Aufbau der Kompositmembran [MAURER 2001] 217 Abb Verfahrensschema einer Kreislaufanlage zur Reinigung von Abwasser aus der Fischzucht [UMWELTBUNDESAMT 2004] 219 Abb Schema des RÖKU-Verfahrens [nach DPC 1997] 220 Abb Ultrafiltrations-Anlage für das Verfahren RÖKU [Foto: THERM-SERVICE] 221 Abb Verfahrensskizze der Bilgenentölung [nach DEUTSCH 2001] 222 Abb Wasserkreislaufführung und Aufbereitung im Aquana Freizeitbad [nach DEGEBRAN ] 224 Abb Wasseraufbereitung im Freizeitbad Copa Ca Backum [nach L. V. H. T. 2001] 226 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Kellogg Company in Manchester [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 229 Abb Cross-Flow-Ultrafiltration bei der Kellogg Company in Manchester [Foto: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 229 Abb Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei Raisio Chemicals [nach HUBER AG 2004] 230 Abb Huber VRM -Verfahren (rotierende Module) [Fotos: HUBER AG 2004] 230 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei Dairygold Food Products, Irland [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 232 Abb Gesamtanlage bei Dairygold Food Products mit der Membrananlage im Vordergrund [WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 232 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlung bei Diary Crest, Großbritannien [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 233 Abb Luftaufnahme der Mälzerei Sobelgra im Antwerpener Hafen [Foto: PURON AG] 235 Abb Verfahrensschema der Werkskläranlage der Fa. Sobelgra [nach PURON AG] 236 Abb Schema der Membranbelebungsanlage und Membranmodule [Foto: PURON AG] 236 Abb Umkehrosmoseanlage in der Wäscherei Massop, Kerkrade [ROTH 2001] 237 Abb Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage in Barcelona [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 239 Abb Membranbelebungsanlage und Membranmodule während der Bauphase bei der Fa. Sandoz in Spanien [Fotos: AGGERWASSER GMBH 2004] 239 Abb Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei SARIA Bio-Industries in Bayet [nach ZENON GMBH 2004] 241 Abb Gesamtansicht der Membranbelebungsanlage der TBA in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004]

19 1 Abbildungsverzeichnis Abb Container mit eingebauten Modulen bei SARIA Bio-Industries in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004] 241 Abb Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Firma TIRME, Spanien [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 343 Abb Abwasserreinigungsanlage bei der Firma Tirme [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 343 A Anhang 263 Abb. A-1 Schematische Darstellung des Grundprinzips eines Membranverfahrens 289 Abb. A-2 Zuordnung der Membran- und Filtrationsverfahren 289 Abb. A-3 Querschnitt durch eine Phaseninversionsmembran am Beispiel einer UF-Hohlfasermembran 292 Abb. A-4 Kompositmembran 292 Abb. A-5 Stirnseitige Ansicht eines Rohrmoduls mit 5,5 mm Rohrmembranen [Foto: X-FLOW] 294 Abb. A-6 Abbildung eines Kissenmoduls [TYP ROCHEM FM] 294 Abb. A-7 Prinzipieller Aufbau eines Spiral-Wickelmoduls 295 Abb. A-8 Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage 298 Abb. A-9 Schematischer Vergleich des konventionellen Belebungsverfahrens mit dem Membranbelebungsverfahren 302 Abb. A-10 Anordnung der getauchten Membranmodule im aeroben Teil des Belebungsbeckens 303 Abb. A-11 Anordnung der getauchten Membranmodule in einem externen Filtrationsbecken 303 Abb. A-12 Anordnung der trocken aufgestellten Membranmodule 303 Abb. A-13 Qualitativer Zusammenhang zwischen erforderlicher Membranfläche, Energiebedarf und Fluss 304 Abb. A-14 Trocken aufgestellte Membranfiltration 319 Abb. A-15 Einbaumöglichkeiten einer getauchten Membranfiltration 320 Abb. A-16 Beispielhafte schematische Darstellung verschiedener Module 321 Abb. A-17 Übliche Betriebsweisen der Membranmodule 322 Abb. A-18 Einfluss der Feststoffkonzentrationen auf den -Wert für feinblasige Druckbelüftungsanlagen 326 Abb. A-19 Spezifischer Energieverbrauch der KA Markranstädt [STEIN, KERKLIES 2003] 331 Abb. A-20 Spezifischer Energieverbrauch der KA Monheim [WEDI 2003] 332 Abb. A-21 Beispiel einer Aufteilung von Errichtungskosten einer Membranbelebungsanlage für ca. 300 m 3 /h [WEDI 2003] 335 Abb. A-22 Orientierende Netto-Kostenrichtwerte für die betriebsfertige Membranfiltrationsanlage ohne baulichen Teil [WEDI 2003]

20 Tabellenverzeichnis 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 25 Tab. 1-1 Druckgetriebene Membranverfahren in der Abwasserreinigung 29 Tab. 1-2 Typische Kennzeichen der Mikro- und Ultrafiltration 30 Tab. 1-3 Typische Kennzeichen der Nanofiltration 31 Tab. 1-4 Typische Kennzeichen der Umkehrosmose 32 Tab. 1-5 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit rohrförmigen Membranen 37 Tab. 1-6 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit flachen Membranen 37 Tab. 1-7 Deckschichtbildung bei der Membranfiltration [nach BAUMGARTEN 1998] 49 Tab. 1-8 Methoden zur Verringerung und Entfernung von Deckschichten 50 Tab. 1-9 Beispiele für Reinigungschemikalien und ihre Anwendungen 52 Tab Trenngrenze und Transmembrandruck von druckgetriebenen Membranverfahren 53 Tab Größenangaben für Bakterien und Viren 54 Tab Molmassen ausgewählter Inhaltsstoffe im häuslichen Schmutzwasser [KOPPE, STOZEK 1999] 55 Tab Molmassen ausgewählter organischer Spurenstoffe, deren Rückhalt durch Nanofiltrationsmembranen zu erwarten ist [MUNLV 2004] 57 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 59 Tab. 2-1 Vorteile des Membranbelebungsverfahrens gegenüber dem konventionellen Belebungsverfahren 64 Tab. 2-2 Leistungsdaten von Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen [DOHMANN ET AL. 2002] 65 Tab. 2-3 Reinigungsverfahren für getauchte Modulsysteme 88 Tab. 2-4 Einsparpotenziale und Mehrkostenbereiche bei den Investitionen von Membranbelebungsanlagen gegenüber konventionellen Belebungsanlagen 91 Tab. 2-5 Anlagendaten der bestehenden großtechnischen Membranbelebungsanlagen zur kommunalen Abwasserreinigung in Deutschland (Stand: Dezember 2004) 94 Tab. 2-6 Im Bau befindliche bzw. geplante Membranbelebungsanlagen in Deutschland (Stand: Dezember 2005) 95 Tab. 2-7 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004] 96 Tab. 2-8 Eingangswerte für die Bemessung der Membranbelebungsanlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF 2004] 102 Tab. 2-9 Einleitanforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen [nach WVER 2004] 106 Tab Rohwasser- und Permeatqualität [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 112 Tab Zulauf- und Ablaufkonzentrationen der Kläranlage 113 Tab Mindestanforderungen und Einleiterlaubnis der Kläranlage Nordkanal [ERFTVERBAND 2004] 114 Tab Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Monheim [BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] 118 Tab Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Markranstädt [STEIN 2002a] 119 Tab Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Rödingen [nach ENGELHARDT ET AL. 2001] 121 Tab Einleiterlaubnis für die Kläranlage Simmerath [WVER 2004] 126 Tab Betriebswerte der Membranbelebungsanlage in Simmerath [WVER 2004] 127 Tab Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [STADT ST. WENDEL 2005]

21 1 Tabellenverzeichnis Tab Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] 130 Tab Eckdaten zu den verschiedenen Pilotanlagen [DHV 2004] 132 Tab Rohabwasserkonzentration, Betriebswerte und Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Brescia [ZENON GMBH 2004] 136 Tab Anforderungen an die Ablaufgüte von Kleinkläranlagen und ermittelte Ablaufwerte der Busse-MF-Anlage 139 Tab Kenndaten verschiedener Membranmodule für die Filtration von Kläranlagenabläufen der Versuchsanlagen der Berliner Wasserbetriebe und der Anlagen auf den Kläranlagen Geiselbullach, Hailfingen und Merklingen 150 Tab Membrananlagen zur Abwasserhygienisierung in Deutschland 151 Tab Anforderungen an die Ablaufqualität und Betriebswerte der Kläranlage Hailfingen [ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] 155 Tab Abwasserbeschaffenheit im Ablauf der Nachklärung der Kläranlage Wulpen [ZENON GMBH 2004] 157 Tab Abwasserqualität im Zulauf und im Ablauf der Ultrafiltrationsanlage zur Aufbereitung des Ablaufs der Nachklärung der Kläranlage Katowice zu Brauchwasser [ZENON GMBH 2004] 159 Tab Bemessungsergebnisse nach HSG-Ansatz für eine konventionelle Kläranlage mit TS BB = 12 g/l 162 Tab Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Berücksichtigung unterschiedlicher Forderungen zur Auslegung von Membrananlagen Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 165 Tab. 3-1 Einsatzziele von Membranverfahren in der Industrieabwasserreinigung 169 Tab. 3-2 Ablauf für die Planung einer Membrananlage [nach THEILEN 2000; PETERS 2001] 172 Tab. 3-3 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung in Deutschland 176 Tab. 3-4 Qualität des Recyclingwassers 2 [ENVIRO CHEMIE 2004] 201 Tab. 3-5 Zulaufkonzentrationen, Einleitungsgrenzwerte und Betriebswerte der Anlage bei der Schering AG [SCHERING AG 2004] 212 Tab. 3-6 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung außerhalb Deutschlands 227 A Anhang 263 Tab. A-1 Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme zur Thematik Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung 278 Tab. A-2 Membranverfahren und deren Einsatzbereiche 291 Tab. A-3 Übersicht der gängigsten Membranmaterialien für die verschiedenen Membranverfahren 293 Tab. A-4 Eigenschaften und Anwendungsgebiete verschiedener Modulformen 294 Tab. A-5 Membrananlagen in der westeuropäischen Industrie 315 Tab. A-6 Kenndaten ausgelegter Membranbelebungsanlagen [WEDI 2002a] 325 Tab. A-7 Untersuchungen zur Entwässerbarkeit von Überschussschlämmen (ÜS) auf einer großtechnischen Zentrifuge 328 Tab. A-8 Beispielhafte Darstellung membrantypischer Jahreskostenanteile

22 Einführung Was ist Membrantechnik? Die Membrantechnik ist ein physikalisches Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen, bei dem die eingesetzten Membranen ähnlich wie ein Filter funktionieren. Die abgetrennten Stoffe werden dabei weder thermisch noch chemisch oder biologisch verändert. In der Abwasserreinigung wird die Membrantechnik auch in Kombination mit weiteren, z. B. biologischen Reinigungsverfahren, eingesetzt. Einsatzgebiete Die Membrantechnik findet weltweit ein immer breiteres Anwendungsfeld. Während ihre Anfänge im Bereich der Wasseraufbereitung in der Meer- und Brackwasserentsalzung in ariden Klimazonen lagen, wird sie seit Jahrzehnten auch zur Trennung von hochwertigen Stoffen aus kleinen Volumenströmen eingesetzt, z. B. in der Biotechnologie und der pharmazeutischen und chemischen Industrie, der Metall verarbeitenden Industrie und in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie. Daneben konnte sich die Membrantechnik zur Reinigung hochbelasteter industrieller Abwässer als leistungsfähiges und wirtschaftliches Verfahren durchsetzen. Seit etwa zehn Jahren wird die Membrantechnik auch für vergleichsweise gering belastete und große Volumenströme sowohl in der Trinkwasseraufbereitung als auch der kommunalen Abwasserreinigung (Membranbelebungsverfahren) erprobt und eingesetzt. Membranverfahren werden in der Trinkwasseraufbereitung zur Verbesserung des Partikelrückhalts und zur Entfernung von Mikroorganismen eingesetzt. Überwiegend wird das Verfahren der Ultrafiltration eingesetzt, welches neben Keimen auch Viren sicher zurückhält. Membranverfahren für die Trinkwasseraufbereitung werden hier nicht näher behandelt. Bestehende Anlagen zur Aufbereitung mit Membrantechnik sind im Anhang A7 zusammengestellt. gewählt werden. Bei komplexeren Aufgabenstellungen können auch Kombinationen mit anderen Verfahren, z. B. biologischen oder chemischen, oder die Kombination aus zwei Membranverfahren zur Anwendung kommen. Membranverfahren in der Abwasserreinigung Membranverfahren stellen heute für viele Bereiche in der Abwasserreinigung aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit und der Möglichkeit, Kosten zu sparen, eine bewährte Alternative zu klassischen Verfahren dar. Die hohe Reinigungsleistung von Membranverfahren, insbesondere die Kombination einer Belebungsstufe mit einer nachgeschalteten Mikro- oder Ultrafiltrationsanlage, ermöglicht es, die Anforderungen an eine weitergehende Abwasserreinigung zum Schutz der Gewässer und der Ressource Grundwasser zu erreichen. Dies ist anderenfalls oft nur durch eine Kombination verschiedener alternativer Verfahrensstufen (z. B. Belebungsstufe, konventionelle Filtration, Desinfektion) realisierbar. Fallweise können bei Einsatz der Membrantechnik gleichzeitig Ver- und Entsorgungs- sowie Produktionskosten reduziert werden. Ziele in der Abwasserreinigung In der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung dienen Membranverfahren vorrangig folgenden Zielen: Rückhalt (z. B. von Feststoffen inklusive Biomasse, von Störstoffen, von gelösten Stoffen durch Umkehrosmose) Reinigung (z. B. zur Brauchwasseraufbereitung, zur Entkeimung durch Bakterienrückhalt) Aufkonzentration (z. B. zur Wertstoffrückgewinnung) Fraktionierung (z. B. zur Auftrennung in zwei oder mehrere Komponenten) Die Membranverfahren werden je nach Größe bzw. Molmasse der abgetrennbaren Stoffe in Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose eingeteilt. Durch die unterschiedlichen Trenngrenzen kann für verschiedenste Aufgabenstellungen ein geeignetes Verfahren 21

23 Einführung Vorteile der Membrantechnik in der Abwasserreinigung Die Entwicklung des Membranbelebungsverfahrens mit getauchten Membranen kann sowohl zur industriellen als auch zur kommunalen Abwasserreinigung eingesetzt werden und hat viele Vorteile im Vergleich zu konventionellen Verfahren der Abwasserreinigung (Belebungsstufe, Nachklärung, Filtration, Desinfektion), die sich auch wirtschaftlich auswirken: Die Einsparung der Verfahrensstufen Nachklärung, Sandfiltration, UV-Desinfektion. Die sehr kompakte Bauform. Das notwendige Volumen für die biologische Stufe beträgt im Vergleich zum Belebungsverfahren nur etwa 30 %. Die höhere Reinigungsleistung durch den vollständigen Rückhalt von Partikeln und Bakterien und je nach Membranverfahren auch Viren. Die verbesserte Elimination von organischen Spurenstoffen durch ein hohes Schlammalter und die Etablierung spezieller Mikroorganismen. Die Möglichkeit, eine weitere Membranstufe als Nanofiltrations- oder Umkehrosmoseanlage nachzuschalten, um organische Spurenstoffe und ggf. auch gelöste Stoffe zurückzuhalten. Perspektiven Die Entwicklung und Anwendung der Membrantechnik im Bereich der Wasser- und Abwasseraufbereitung wird sich in den nächsten Jahren fortsetzen. Es wird prognostiziert, dass der Einsatz von Membranverfahren im Bereich der Abwasserreinigung weltweit um ca % und in der Trinkwasseraufbereitung um ca. 20 % jährlich (inkl. Meerwasserentsalzung) steigt (in Deutschland bestehende Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung sind in Anlage 7 zusammengestellt). Durch die fortlaufende Entwicklung von Membranmaterialien und Modulkonstruktionen sowie von Prozessgestaltung und Verfahrenstechnik werden immer neue Anwendungsgebiete erschlossen. Auch unter wirtschaftlichen Aspekten werden Membranverfahren im Vergleich zu anderen Abwasserbehandlungsbzw. -aufbereitungsverfahren immer interessanter, da die Wasser- und Abwasserkosten im Allgemeinen steigen und die spezifischen Membranpreise fallen. Vor dem Hintergrund möglicher steigender Anforderungen an die Abwasserreinigung steigt die Attraktivität des Membranbelebungsverfahrens (Mikro- oder Ultrafiltration) in Kombination mit einer nachgeschalteten Nanofiltrations- bzw. Umkehrosmoseanlage. Das hohe erreichbare Schlammalter und die nachgeschaltete Membranstufe ermöglichen auch die Elimination organischer Spurenstoffe. Aufbau und Inhalte dieser Publikation Die vorliegende Publikation gibt einen Überblick über den gegenwärtigen Einsatz von Membranverfahren in der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung, insbesondere in Deutschland. Die Entwicklung dauert jedoch an, wobei sich die Anwendungsmöglichkeiten fortlaufend erweitern. Mit dieser Veröffentlichung werden sowohl die Fachkraft als auch der Fachlaie angesprochen. Es handelt sich weniger um ein umfassendes Lehr- und Handbuch oder ein Regelwerk zur Lösung aller Fragen bezüglich Auslegung, Bau und Betrieb einer Membrananlage als vielmehr um ein Instrument, welches den Leser für diese Fragen sensibilisiert und Lösungsansätze aufzeigt. Der Bezug zur Praxis und die Relevanz der Membrantechnik für die Abwasserreinigung werden durch die beschriebenen Beispielanlagen für die kommunale und industrielle Abwasserreinigung in Deutschland und außerhalb Deutschlands deutlich. Die Standorte der in dieser Publikation beschriebenen Anlagen sind in der folgenden Abbildung eingetragen. 22