Die größten in Planung/in Betrieb befindlichen MBRs der Welt

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1 Membranverfahren in der kommunalen Abwasserbehandlung Dr.-Ing. Thomas Buer, GE Water & Process Technologies - ZENON Membrane Solutions, Oakville, ON, Kanada 1 Einführung In den letzten anderthalb Jahrzehnten hat eine eindrucksvolle Entwicklung der Membranverfahren bei der Abwasserreinigung stattgefunden. Wurden Membranverfahren in den 80iger Jahren noch ausschließlich für die Behandlung stark verunreinigter Abwässer, z.b. Deponiesickerwasser oder produktionsspezifische Abwässer, eingesetzt, so hat sich das Membranbelebungsverfahren ausgehend von ersten Versuchen im Labormaßstab Anfang der 90iger Jahre hin zu einer konkurrenzfähigen und zukunftsweisenden Abwasserreinigungstechnologie entwickelt. Die Anwendung der Membrantechnik erstreckt sich dabei nicht nur auf kleine Anlagen; vielmehr zeigen neue Projekte im Bereich der Abwasserreinigung und Brauchwasseraufbereitung, dass sich diese Technologie auch bei größeren Anlagen gegenüber konventionellen Verfahren durchsetzt. Die nachfolgende Abbildung 1 gibt eine aktuelle Übersicht der weltweit größten in der Planung/im Bau bzw. im Betrieb befindlichen Anlagen. Die größten in Planung/in Betrieb befindlichen MBRs der Welt 1 Brightwater, USA m³/h 2 Johns Creek, USA m³/h 3 Al Ansab, Muscat, Oman m³/h 4 Beixiaohe, China m³/h 5 Peoria, AZ/USA m³/h 6 Cleveland Bay, Australien m³/h 7 Lusail WWTP, Qatar m³/h 8 Cairns, Australien m³/h 9 San Pedro, Spanien m³/h 10 Syndial, Italien m³/h 11 Delphos, USA m³/h 12 Nordkanal, Deutschland m³/h 13 Tempe Kyrene, USA m³/h 14 Brescia, Italien m³/h 15 Traverse City, USA m³/h * Stand Q1, 2007, basierend auf MWZ Nordkanal Brescia, Italien Blau = ZENON Membrane Solutions Grün = Wettbewerb 3 / Bild 1: Die größten in Planung/in Betrieb befindlichen MBR-Anlagen weltweit

2 2 Die Übersicht zeigt, dass eine Vielzahl der Anlagen außerhalb von Europa geplant bzw. betrieben wird. Hintergrund dafür ist der gesteigerte Bedarf an Frischwasser, gerade in den sich rasant entwickelnden Regionen Asiens, des Mittleren Ostens und Mittel- und Südamerikas sowie den damit verbundenen höheren Beschaffungskosten für die dort knappe Ressource Wasser. Diese Faktoren führen dazu, dass anders als in Mitteleuropa, wo genügend Frischwasserressourcen zur Verfügung stehen zunehmend angestrebt wird, das Wasser mit innovativer Technologie einer mehrfachen Nutzung zuzuführen. Membranen, die eine vollständige Barriere für Feststoffe und Bakterien darstellen, haben dabei einen besonderen Stellenwert: Im Vergleich zu herkömmlichen konventionellen Verfahren, bei denen mehrere Prozessstufen notwendig sind, um eine akzeptable Qualität für die Wiederverwendung zu erzielen, geschieht dieses mit Membranen in einer einzigen Verfahrensstufe. Neben der Anwendung für die Wiederverwendung von Abwasser wird Membrantechnik mehr und mehr bei der Abwasserreinigung zur Verbesserung der Ablaufgüte und Kosteneffizienz eingesetzt. So kann der Flächenbedarf von Kläranlagen durch MBR-Technologie um mehr als 50% reduziert werden. Auch hierbei zeichnet sich ab, dass nach einer ersten Welle von Installationen in Deutschland in anderen Bereichen der Welt diese Technologie eine rasante Nachfrage erfährt. So werden die weltweit größten Membranbelebungsanlagen derzeit in den USA gebaut. Hintergrund ist sicherlich, dass in dieser Region die notwendigen massiven Investitionen im Bereich der Abwasserbehandlung nachzuholen sind, die bis Ende der 90er Jahre in Deutschland erfolgten. Auslöser für die verstärkte Nutzung der Membrantechnik war die Entwicklung getauchter Ultrafiltrationsmembranen, da mit diesen eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit um den Faktor 5-10 gegenüber klassischen Cross-Flow Membranen erreicht wurde. Hierdurch wurde erst die Voraussetzung dafür geschaffen, Membrantechnik für die Behandlung großer Wassermengen wirtschaftlich einsetzen zu können. Nachfolgend wird näher über den Stand der Technik und die Anwendung von Membranverfahren in der kommunalen Abwasserreinigung berichtet.

3 3 2 Stand der Membrantechnik Seit Entwicklung des ersten Membranbioreaktors durch Dorr Oliver in den späten 60er Jahren hat sich die Technologie rapide verändert. In den Anfängen wurden im Wesentlichen überdruckgetriebene Flach- und Rohrmembranen verwendet, mit entsprechenden Aufwendungen für die Überströmung (Cross-Flow) der Membran, um den Einfluss der Deckschicht auf die Filtrationsleistung gering zu halten. Seit Mitte der 80er Jahre wurde ausgehend von ersten Untersuchungen in Japan mit getauchten Platten-, dann Hohlfasermembranen gearbeitet. Mit der Kommerzialisierung dieser Technologie Anfang der 90er Jahre gelang der Durchbruch, Membrantechnik für die Behandlung großer Volumenströme bei der Wasseraufbereitung und Abwasserreinigung ökonomisch durchführen zu können. Vorreiter war dabei ZENON mit der Entwicklung einer verstärkten Hohlfasermembran, um den rauen Betriebsbedingungen bei der Aufbereitung von Wässern gerecht zu werden. Die Hohlfasern (s. Bild 2) mit einem Außen-/Innendurchmesser von 1,9/0,9 mm bestehen aus einem Stützgewebe, bei dem die aktive Ultrafiltrationsmembranschicht auf der Außenseite aufgebracht ist. Durch das Outside-In Prinzip wird eine Verstopfung der Kapillaren oder Rohre vermieden, da die abzutrennenden Partikel an der Außenseite der Membranen zurückgehalten werden. Arbeitsweise von Membranen Membranen haben Billionen mikroskopischer Poren Die Poren sind eine Barriere für Verunreinigungen, aber durchlässig für Wassermoleküle Das Wasser wird mit geringem Unterdruck durch die Poren abgezogen 2100 mm 900 mm Membrane Module 5 / Bild 2: Funktionsprinzip getauchter Hohlfasermembranen

4 4 Entscheidender Vorteil der getauchten Technik ist, dass der zum Erhalt der Filtrationsleistung notwendige Cross-Flow durch eine Belüftung der Membranhohlfaserbündel an der Unterseite der Fasern aufgebracht wird, wie dies Bild 3 für die typische Anordnung einer Membrankassette in einem Filtrationstank zeigt. Funktion der getauchten ZeeWeed Membranen Luft Permeat Belüftung Membranfaser Membrankassette Belebtschlamm 6 / Bild 3: Funktionsprinzip getauchter Hohlfasermembranen Hierdurch konnte gegenüber der druckgetriebenen Cross-Flow-Membrantechnik der Energiebedarf auf ca. 1/10 herabgesetzt werden. Ohne diesen Technologiesprung im Hinblick auf die Reduzierung der aufzubringenden Energie wäre eine breite Anwendung von Membranverfahren bei der Abwasserreinigung nicht denkbar gewesen. Seit Beginn des Einsatzes dieser Technik Anfang der 90er Jahre wurden das Verfahren und die technischen Systeme um die eigentliche Membran rapide weiterentwickelt, um den Anforderungen gerade bei größeren kommunalen und industriellen Anlagen gerecht zu werden. In Bild 4 sind die verschiedenen Entwicklungsstufen, die die Technik seitdem genommen hat, zusammengefasst.

5 5 MBR - Entwicklungen 1990 bis heute Kleine Anlagen bis EW (Einzelanwendungen) Spezielle industrielle Abwasserströme Hoher manueller Eingriff (Membranreinigung) Anwendung für KAs bis EW Leistungsfähigere Auslegung Verbesserte Vorreinigung Optimierte Reinigung 2000 heute Einsatz auf kleinen und großen kommunalen Kläranlagen (> EW) (USA, ME, EU) Weite Verbreitung zur industriellen Abwasserreinigung Robust, hoch automatisiert 11 / Bild 4: MBR Entwicklungen 1990 bis heute Erfolgte beispielsweise bei den ersten Anlagen die Membranreinigung fast ausschließlich manuell, so geschieht dieses heute vollautomatisch. Anders wäre der Einsatz bei größeren kommunalen und industriellen Kläranlagen nicht praktikabel. Weiterhin wurde die Packungsdichte und Kapazität der Filtrationssysteme, bestehend aus Membranmodulen und Kassetten, erhöht (Bild 5). Membranmodule sind die Einheiten, in denen die einzelnen Hohlfasern gefasst werden. Die Module werden dann in Kassetten zu einzelnen technischen Filtrationseinheiten zusammengefasst. Darüber hinaus ist der Energieverbrauch der Membranbelüftung sukzessive durch Verfahrensoptimierungen, wie die bereits erwähnte zyklische Belüftung der Membranen, reduziert worden. Summa summarum liegen heute die spezifischen Kosten für die Gewinnung bezogen auf eine Volumeneinheit bei ca. 20% der Kosten von vor 10 Jahren.

6 6 Packungsdichte Kapazität je Kassette, verbesserte Konfigurationsmöglichkeiten Wartungs- und Servicefreundlichkeit Reduzierung der Membranbelüftung (Zyklische Belüftung zwischen und innerhalb von Kassetten) Permeabilität Energieverbrauch Reduzierung der spezifischen Behandlungskosten der Filtration auf ca. 20% der Kosten von vor 10 Jahren! 7 / Bild 5: Technische Verbesserungen bei Membransystemen Die Vergrößerung der Behandlungskapazität der Kassetten, Bild 6 zeigt dies anhand der ZeeWeed -500 Baureihe, hat weiterhin die Aufwendungen für die Installation, Montage und Wartung im Betrieb erheblich reduziert. ZW-500d (2003) ZW-500c (2000) ZW-500a (1997) 1000 m³/d 300 m³/d 200 m³/d Höhere Kapazität je Kassette geringere spez. Behandlungskosten 8 / Bild 6: Kapazitätsentwicklungen bei verschiedenen Modulgenerationen der ZeeWeed 500 Baureihe So kann heute mit einer 500d-Kassette der 5-fache Volumenstrom gegenüber einer 500a-Kassette behandelt werden, so dass sich die Anzahl von Verbindungselementen, Absperrarmaturen und Ventilen auf ca. 1/5 reduzieren lässt. Die kompaktere Kassettenbauweise erlaubt ferner kleinere Filtrationstanks, in denen die Kassetten eingetaucht werden.

7 7 3 Verfahrensvarianten Die getauchte Membrantechnik kann innerhalb einer kommunalen Abwasserreinigungsanlage an verschiedenen Stellen zum Einsatz kommen. Hierzu zeigt Bild 6 Fließbilder für die verschiedenen Technologien. Vereinfachtes Verfahren zur Abwasserbehandlung mit ZeeWeed MBR Zulauf Qualitativ hochwertiger Ablauf (Einleitung oder Wiederverwendung) Zur Ertüchtigung von überlasteten und schlecht funktionierenden Nachklärbecken bestehender Belebungsstufen wird die Membranstufe den Nachklärbecken nachgeschaltet, um die aus dem Nachklärbecken ablaufenden Suspensa zu entnehmen (im Weiteren als Tertiary Filtration bezeichnet). Die Membranstufe ist dabei gegenüber Feststoffspitzen wesentlich robuster als konventionelle Filteranlagen, die üblicherweise im Bereich von 50 mg/l Suspensa im Ablauf von Nachklärbecken versagen. Mit den getauchten Hohlfasermembranen lassen sich Feststoffkonzentrationen im Ablauf von Nachklärbecken von einigen g/l problemlos verfahrenstechnisch handhaben. Siebrechen MBR (Membranbioreaktor) ZeeWeed Aufbereitung Ablauf Nachklärung Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung ZeeWeed UF Membran Umkehrosmose (optional) 7 / Bild 6: Prinzipielle Verfahrensfließbilder Membranbioreaktortechnik(MBR) und nachgeschaltete Membranfiltration (Tertiary Filtration) Neben der vollständigen Suspensaentnahme durch die Membranen kann durch Zugabe von Fällmitteln in den Ablauf der Nachklärung bzw. in den Zulauf der Filtration eine Phosphatentfernung durchgeführt werden, um Phosphorablaufkonzentrationen von P kleiner 0,1 mg/l zu erzielen.

8 8 Darüber hinaus findet durch den Porenausschluss eine weitgehende Entkeimung und Hygienisierung des Kläranlagenablaufs statt, der eine Wiederverwendung des gereinigten Abwassers als Brauchwasser erlaubt. Die Verfahrensvariante Tertiary Filtration kommt auch gerade dann zum Einsatz, wenn nur ein Teil des gesamten Abwasserstromes für eine Wiederverwendung und weitergehende Aufbereitung (z.b. nachgeschaltete Umkehrosmosestufe) genutzt werden soll. Dies wird gerade in ariden Gebieten im industriellen Bereich, z.b. Kesselspeisewasser- und Kühlwasseraufbereitung in der Petrochemie, häufig praktiziert, um Kosten beim Frischwasserbezug einzusparen. Im Vergleich zur Tertiary Filtration kommen Membranbioreaktoren dann zum Einsatz, wenn neue Anlagen errichtet werden oder bestehende Anlagen in der Kapazität (z.b. Fracht/Durchsatz) oder Reinigungsleistung (z.b. Stickstoffelimination anstelle Kohlenstoffelimination) ertüchtigt werden sollen. Beim Membranbelebungsverfahren wird die Membranstufe in die Belebungsstufe verfahrenstechnisch eingebunden, ähnlich wie dies beim konventionellen Belebungsverfahren mit Nachklärbecken geschieht. Im Vergleich zur konventionellen Technik können MBRs bei einem 3- bis 4-fachen Feststoffgehalt im Belebungsbecken betrieben werden, so dass sich das notwendige biologische Behandlungsvolumen auf ⅓ bis ¼ bei gleichem Schlammalter reduziert. Dies ermöglicht sehr kompakte Anlagen und damit geringere Baukosten für Becken. Dieser Vorteil kommt gerade bei beengten Platzverhältnissen im industriellen als auch kommunalen Bereich zum Tragen. Die kompakte Bauweise erlaubt auch ein vollständiges Einhausen der Kläranlage, so dass selbst in dichten Siedlungsgebieten eine Abwasserreinigung ohne Beeinträchtigung der angrenzenden Bebauung möglich ist. Bild 7 zeigt dies exemplarisch für eine der zur Zeit größten in Betrieb befindlichen kommunalen Membranbelebungsanlagen, Nordkanal, bei der der Flächenverbrauch weniger als 50% gegenüber einer konventionellen Planung ausmachte und die weitgehend eingehaust ist. MBR Conventional WWTP Source: Engelhardt, 2004, Experience with MBR Technology at Erftverband, WEFTEC

9 9 Bild 7: Flächenbedarf der MBR Nordkanal und der (ehemals) geplanten konventionellen Kläranlage 4 Gründe für die Anwendung von Membrantechnik und Praxisbeispiel Wie einleitend dargestellt, ist die Nachfrage nach Membranbelebungsanlagen in den letzten 5 Jahren rapide gestiegen. Veranlassung für die Betreiber, innovative Membrantechnik einzusetzen, waren insbesondere nachfolgend aufgeführte Gründe: Gewährleistung höchster Anforderungen an die Ablaufgüte Wiederverwendung des gereinigten Abwassers Kompakte Bauweise und geringe Beeinträchtigung der angrenzenden Bebauung Wirtschaftlichkeit bei Anlagenertüchtigung, Anlagenerweiterung und Neubau Robuste Technologie, insbesondere bei schwierig zu behandelnden industriellen Abwässern Zukunftsweisende Verfahrenstechnologie Weiterhin sind in der nachfolgenden Darstellung (Bild 8) die wesentlichen Unterschiede konventioneller Klärverfahren, wie z.b. das Belebungsverfahren, und Membranverfahren gegenübergestellt. Konventionelle Verfahren Ausgereizte Technologie aus dem 19. Jahrhundert Extensiver Platzbedarf Grobe Filtration, keine physikalische Barriere Mehrere Verfahrensschritte Chlor und ggf. weitere Chemikalien zur Desinfektion erforderlich Membranverfahren Innovative, fortschreitende Technologie Kompakter Platzbedarf; Ausbaumöglichkeiten ohne Zusatzflächen Physikalische Barriere bietet zuverlässige Qualitätseinhaltung Einstufiges Verfahren mit hervorragender Filtrationsqualität Vollautomatisiertes Verfahren mit minimalem Chemikalienbedarf Desinfektion durch Porenausschluss von Mikroorganismen 9 / Bild 8: Gegenüberstellung konventionelle Klärtechnik Membrantechnik Viele Länder, die gerade noch einen enormen Investitionsbedarf bei der Abwasserreinigung haben, setzten schon heute auf Membrantechnik. Zum einen ergeben sich bei Neuinstallationen Kostenvorteile durch Einsparungen beim Beckenvolumen als auch einer verkürzten Bauzeit, zum anderen um zukünftigen Anforderung und Zwängen im Hinblick auf Wasserrecycling gerecht zu werden.

10 10 Nachfolgend wird am Beispiel der zur Zeit in Planung und Bau befindlichen größten Membranbelebungsanlage Brightwater im US-Bundesstaat Washington der Einsatz des Verfahrens bei großen Kläranlagen erklärt. Veranlassung für den Einsatz von Membranverfahren war dabei die Vorgabe, einen Teil des Ablaufs für die Wiederverwendung zu nutzen. Die Anlage wird für eine Tageswassermenge von m³/d ausgelegt, was einer ungefähren Anschlussgröße von EW entspricht (Hinweis: spez. Wasserverbrauch in USA ca l/ewd). Das Anlagenfließbild ist in Abbildung 9 dargestellt. Im Gegensatz zu vielen in Betrieb befindlichen Membrananlagen, die als aerob-simultane Stabilisierungsanlagen ohne Vorklärung und bei einem Schlammalter von ca d betrieben werden, verfügt Brightwater über eine Vorklärung, die Belebungsstufe wird für ein Schlammalter von 10 d bei 10 g/l Feststoffgehalt ausgelegt. Der anfallende Schlamm wird separat anaerob stabilisiert. Grobrechen Vorklärung Fein- Rechen Bioreaktoren Membran- Filtration Zulauf Ablauf Wiederverwendung 15 / Bild 9: Brightwater Verfahrensfließbild Nach der üblichen mechanische Vorbehandlung bestehend aus Grobrechen und Vorklärung wird das der Membranbelebungsstufe zufließende Abwasser zusätzlich über einen Feinrechen (2 mm) geführt, um verzopfende Abwasserinhaltstoffe zu entfernen. Hiernach teilt sich der Abwasserstrom auf die verschiedenen biologischen Straßen, denen insgesamt 8 Filtrationsstraßen nachgeschaltet sind, auf. Wie in Bild 10 dargestellt, wird das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch zu den Filtrationskammern gepumpt. Dies erfordert zwar einen etwas höheren Pumpenenergieaufwand, verfahrenstechnisch ergeben sich jedoch Vorteile sowohl für den Betrieb der Filtrationsstraßen als auch für die Reinigung der Membranen.

11 11 Brightwater MBR Filtrationstank Layout 8 Straßen (+2 Ausbaureserve) 2 Reihen von Membrankassetten 20 Kassetten/Straße Installierte Gesamtfläche: m² 13 / Bild 10: Lageplan und Layout Filtrationstanks 17 / Bild 11: MBR Brightwater schematische Darstellung Bioreaktor und Membranfiltrationstank So erfolgt die Reinigung der Membranen, insgesamt ist eine Membranfläche von m 2 installiert, vollautomatisch. Bei Zwischenreinigungen, die je nach Foulingpotential des Abwassers alle 2-4 Wochen stattfinden, werden die Reinigungschemikalien in den Membranrückspülstrom (Backpulse) zudosiert.

12 12 Bei Intensivreinigungen, die alle 6-12 Monate stattfinden, wird das Belebtschlamm- Wasser-Gemisch aus den Filtrationskammern abgelassen, und die Membranen werden über Nacht einige Stunden in der Reinigungslösung eingetaucht. Nach der derzeitigen Planung soll die Anlage zum Ende des Jahrzehnts in Betrieb gehen. 5 Zusammenfassung Die Anwendung getauchter Ultrafiltrationsmembranen hat sich weltweit bei der Abwasserreinigung durchgesetzt. Ausgehend von den Anfängen bei kleineren Anlagen im kommunalen und industriellen Bereich wird diese Technologie heute bei allen Anlagengrößen eingesetzt. In einigen Bereichen der Welt wie z.b. im mittleren Osten sind Kläranlagen ohne Membranen inzwischen kaum vorstellbar. Die Vielzahl der inzwischen großen Membrananlagen zeigt, dass die Technik zuverlässig kommunale und eine große Bandbreite industrieller Abwässer reinigen kann und dies mit einer durch andere Verfahren kaum zu erreichenden Ablaufgüte. Setzt sich dieser Trend fort, so ist davon auszugehen, dass zukünftig Membrantechnik konventionelle Nachklärbecken weitgehend ersetzen wird. 6 Weiterführende Literatur 1 Abwasserreinigung mit Membrantechnik: Handbuch des Ministeriums für Umwelt, Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen, MUNLV NRW Aachener Tagung Verfahrenstechnik und Siedlungswasserwirtschaft (Reihe 1-6), Herausgeber: Gesellschaft zur Förderung der Siedlungswasserwirtschaft Aachen, Aachen 1997, 1998, 2000, 2001, 2003, 2005 Anschrift des Verfassers: Dr.-Ing. Thomas Buer GE Water & Process Technologies - ZENON Membrane Solutions 3239 Dundas Street West Oakville, Ontario L6M 4B2 Canada thomas.buer@ge.com