Bioreaktor Verfahrens

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1 DWA WasserWirtschafts Kurs O/2 Kommunale Abwasserbehendlung Kassel, 13.bis 15.November 2012 Leistung und Kosten des Membran Bioreaktor Verfahrens (MBR Verfahren) 14. November 2012 Franz Bernd Frechen, Universität Kassel Bundessieger in der Kategorie Gesellschaft Folie 1

2 Übersicht Einführung Verfahrensbeschreibung Betrieb und Bemessung Leistungsfähigkeit Vor und Nachteile Kosten Beispiele Zusammenfassung Folie 2

3 Wozu eine Membran? Ersatz der konventionellen, schwerkraftbedingten Phasentrennung fest/flüssig in der Nachklärung durch eine Phasentrennung mittels Membran als Barriere Folie 3

4 Phasentrennung durch Membranen Ersatz der konventionellen, schwerkraftbedingten Phasentrennung fest/flüssig in der Nachklärung durch eine Phasentrennung mittels Membran als Barriere Verfahrenstechnische h h Folgen: Die Nachklärung wird überflüssig Es sind höhere TS Gehalte möglich: statt 3 g/l bis 5 g/l nun bis 15 g/l Daher sind kleinere Belebungsbecken möglich Folie 4

5 Verfahrensvergleich Konv. BV... X TS,BB 4 g/l Belebungsbecken Nachklärung Folie 5

6 Verfahrensvergleich Konv. BV mit Erweiterung BB... Belebungsbecken Erweiterung Belebungsbecken X TS,BB 4 g/l Nachklärung Folie 6

7 Verfahrensvergleich Konv. BV mit Erweiterung BB+NK Belebungsbecken Erweiterung Belebungsbecken X TS,BB 4 g/l Nachklärung Folie 7

8 Verfahrensvergleich Konv. BV mit Erweiterung BB+NK undfilter... Belebungsbecken Erweiterung Belebungsbecken X TS,BB 4 g/l Nachklärung Filtration Folie 8

9 Verfahrensvergleich Konv. BV mit Erweiterung BB+NK undfilter+desinfektion... Belebungsbecken Erweiterung Belebungsbecken X TS,BB 4 g/l Filtration Nachklärung Desinfektion Folie 9

10 Verfahrensvergleich Konv. BV mit Erweiterung BB+NK undfilter+desinfektion... Belebungsbecken Erweiterung Belebungsbecken X TS,BB 4 g/l Filtration Nachklärung Desinfektion MBR X TS,BB 10 g/l... oder MBR Verfahren Folie 10

11 Begriffe Membranen sind teildurchlässige Strukturen, die nicht für alle Komponenten eines Fluids permeabel sind [nach MELIN und RAUTENBACH] Modellvorstellung: Sieb mit ganz kleinen Löchern. Als Trenntechnik in der Industrie seit langem geläufig Die Kombination der biologischen i Abwasserreinigung i mit Membranen wird als MBR=MembranBioReaktor bezeichnet Was landläufig als Membranbelebungsverfahren bezeichnet wird, ist genau genommen das MBR Verfahren Folie 11

12 Membran als physikalische Barriere Roh Filtrations Filtrat, wasser wirksame Reinwasser Deckschicht Feststoffe (organisch, anorganisch, Bakterien u.a.) Folie 12 Membran typische Porenweite 20 bis 100 nm (0,02 bis 0,10 µm)

13 Charakterisierung von Membranen Ionen Kolloide Pestizide Viren Molekulargewicht [kda] 0, E.coli Bakterien Cryptosporidien Feststoffe gemäß DIN Filtration (0,45 µm) Druc ck[bar] Membranfiltration Mikrofiltration 0,1 0,0001 0,001 0,01 0, Üblicher Bereich für MBR Partikelgröße [µm] körniges Filtermaterial, Siebe, Rechen Nanofiltration Umkehrosmose Ultrafiltration Raumfiltration 100 Folie 13

14 Betriebsweisen von Membranen Dead end Filtration end (statische Filtration) Deckschicht Feed Permeat Membran Q,s Deckschichtdicke Folie 14 Rückspülung Permeatstrom t

15 Betriebsweisen von Membranen Dead end Filtration end (statische Filtration) Deckschicht Crossflow Filtration (dynamische Filtration) Deckschicht Feed Permeat Feed Permeat Q,s Membran Deckschichtdicke Q,s Membran Permeatstrom t Permeatstrom Rückspülung t Deckschichtdicke t Folie 15

16 Membranmaterial, Bauformen von Membranmodulen Membranmaterialien: organisch: PVDF, PES, PAN, PE u.a.m. anorganisch: keramische Membranen Folie 16

17 Membranmaterial, Bauformen von Membranmodulen Membranmaterialien: organisch: PVDF, PES, PAN, PE u.a.m. anorganisch: keramische Membranen Bauformen: P l a t te n m o d u l Folie 17

18 Membranmaterial, Bauformen von Membranmodulen Membranmaterialien: organisch: PVDF, PES, PAN, PE u.a.m. anorganisch: keramische Membranen Bauformen: P l a t te n m o d u l H o h l f a s e r m o d u l Folie 18

19 Plattenmodule Martin Systems Kubota Kubota Busse Huber Folie 19

20 Hohlfasermodule Hohlfasermodul Zenon Hohlfasermodul Koch Hohlfasermodul USFilters Hohlfasermodul Mitsubishi Rayon Folie 20

21 Modulspezifische Dimensionen Parameter Einheit Größe Filterfläche pro Filtrationseinheit m²/fe m/fe 240 bis spez. Filterfläche pro Grundfläche im eingebauten Zustand Foot Print Packungsdichte A Mem,spez. der Module im eingebauten Zustand Merkblatt DWA A M 227 Memb bran Bioreaktor Verfahren (in erforderliche Wassertiefe der Membranbecken m²/m² 70 bis 180 m²/m³ 15 bis 75 m 2,5 bis 5,0 Vorbereitung) Aus Folie 21

22 Betriebsweisen Pe ermeatvol lumen Filtration Zyklus Pause Zeit umen rmeatvol Pe Zyklus Filtration Rückspülung Zeit Vorbereitung) Merkblatt DWA A M 227 Memb bran Bioreaktor Verfahren (in Aus Folie 22

23 Verfahrensvarianten Zulauf integriertes MBR-System Zulauf separates MBR-System Belebungsbecken Rezirkulation V BB Belebungsbecken Rezirkulation V BB Rücklaufschlamm Filtrationseinheiten Permeat Crossflow- Belüftung Überschuss- schlamm Membranbecken V MB Filtrationseinheiten Permeat Überschussschlamm Crossflow- Belüftung Aus Merkblatt DWA A M 227 Memb bran Bioreaktor Verfahren (in Vorbereitung) Folie 23

24 Grundannahmen zur Bemessung Die reaktionskinetischen Leistungen entsprechen in der Regel denen konventioneller belebter Schlämme. Der Schlammanfall unterscheidet sich hinsichtlich der Feststoffmasse nicht vom Schlammanfall konventioneller Belebungsanlagen. g Das Bemessungsschlammalter in Membranbelebungsanlagen bewegt sich im üblichen Bereich konventioneller Belebungsanlagen, da den Feststoff gehalten in den Belebungsbecken bzw. an den Membranen Grenzen gesetzt sind. Membranbelebungsanlagen sind mit den üblichen Verfahren zur CSB Elimination Nitrifikation Stickstoffelimination simultanen aeroben Schlammstabilisierung sowie mit Verfahren zur biologischen und chemischen Phosphorentfernung ohne Einschränkungen kombinierbar. Vorbereitung) Merkblatt DWA A M 227 Memb bran Bioreaktor Verfahren (in Aus Folie 24

25 Kenngrößen Transmembrandruck: TMP = P S P P je nach Membranmodultyp; bis 0,750 bar, typisch etwa 0,250 bar Flux: P s hydrostatischer Druck am Sensor Permeat spezifischer Filtratvolumenstroml je Flächen und Zeiteinheit Zi ihi(j (je m² Membranfläche, je Stunde) Einheit: L/(m² h) maßgebliche hydraulische Bemessungsgröße typisch 5 L/(m² h) bis zu 35 L/(m² h) Permeabilität: Kenngröße zur Beschreibung der Durchlässigkeit einer Membran. Quotient aus dem Brutto Permeatflux und dem Transmembrandruck Einheit: L/(m² h bar) h bar). P p Folie 25

26 Beispiel Permeabilitätsverlauf Drensla, K.: Chemische Reinigung von getauchten Niederdruck Hohlfasermembranen auf großtechnischen kommunalen MBR Anlagen, 2013 Folie 26

27 Hydraulische Bemessung Flux/Flu ux max [ ] 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,00 Muster Stunde Tag Woche Monat Mittel Temperatur [ C] Folie 27

28 Hydraulische Bemessung A Mem = Q bem / v F,bem in m² (Gl. 4) Mem bem F,bem mit: A Mem m² erforderliche Membranfläche Q bem l/h Bemessungswassermenge v F,bem l/(m² h) Bemessungspermeatflux zum Ende der Nutzungszeit Weitere Hinweise zur Bemessung von MBR Anlagen siehe IWA Regional Conference on Membrane Technology and Wt Water Reuse, It Istanbul, 18. bis 22. Oktober 2010 Vorbereitung) Merkblatt DWA A M 227 Memb bran Bioreaktor Verfahren (in Aus Folie 28

29 Fluxabfall durch Belagbildung: Fouling Belag auf einer Kapillarmembrane vor der chem. Spülung Bakterienzelle Aggregate: Silizium,Calcium, Kohlenstoff, Sauerstoff fadenförmige Bakterien REM Bild mit facher Vergrößerung g 10 μm Quelle: Erftverband Folie 29

30 Zwischen und Hauptreinigung (Prinzip) HR ZR ZR ZR ZR ZR ZR ZR ZR ZR ZR ZR ZR HR Vorbereitung) Permeab bilität Zeit Merkblatt DWA A M 227 Memb bran Bioreaktor Verfahren (in Aus Folie 30

31 Möglichkeiten der Chemischreinigung Drensla, K.: Chemische Reinigung von getauchten Niederdruck Hohlfasermembranen auf großtechnischen kommunalen MBR Anlagen Folie 31

32 Problem auch: Verzopfungen... können auftreten bei Hohlfaser aber auch Plattenmodulen by: Wessex Water Folie 32

33 Abhilfe: Entweder optimierte Abwasservorbehandlung, siehe oder Abwasserzwischensiebung AZS (bei separaten Systemen): Folie 33

34 Etwas zur Hydraulik in separaten Systemen Inlet DN Int. recycle N MLSS 10 g/l FC Permeate Return sludge MLSS 12 g/l Excess sludge Folie 34

35 Etwas zur Hydraulik in separaten Systemen Inlet 100% DN IR = 400% Reduzierung des TS- Gehaltes Int. recycle 500% 600% FC N Permeate MLSS 10 g/l 100% MLSS 12 g/l Return sludge RS = 500% Excess sludge Folie 35

36 Etwas zur Hydraulik in separaten Systemen MBR Membranbecken Zulauf Rezirkulation X TS,MBR Permeat D N N X TS,MB BR X TS,AZS S AZS X TS,MB Rücklaufschlamm ÜSS Folie 36

37 Effekt der TS Verringerung auf den RS Volumenstrom MLS SS MT / ML LSS AT in % 200% 175% 150% 125% 100% 75% no intermediate sieving MLSS(IntS) = 0.75 * MLSS(AT) MLSS(IntS) = 0.50 * MLSS(AT) MLSS(IntS) = 0.25 * MLSS(AT) 50% return sludge flow (related to inlet flow) Folie 37

38 Verfahrensvergleich Leistungsfähigkeit Parameter MBA konventionelle Belebungsanlage ohne Erweiterungen mit Erweiterungen Feststoffe 0 mg/l 10 bis 15 mg/l 3 bis 8 mg/l CSB < 30 mg/l 40 bis 50 mg/l 30 bis 40 mg/l mikrobiologische Qualität *) Badegewässerqualität Badegewässerqualität *) bezüglich EU Richtlinie 76/160/EWG Aus Merkblatt DWA-M 227 Membran-Bioreaktor-Verfahren (in Vorbereitung) Folie 38

39 Leistungsfähigkeit Beispiel KA Rödingen (3000 EW) Parameter Zulauf Ablauf Überwachungswert Eliminationsrate mg*l -1 mg*l -1 mg*l -1 % CSB 430 < > 94,2 BSB 5 ca. 250 < 5 8 > 98 N ges 58 < NH 4 -N 25 < ,4 NO 3 -N < 10 P ges ca. 11 0,5 86,5 PO 4 - P bis 10 <0,2 AOX < Folie 39

40 Leistungsfähigkeit Beispiel KA Varsseveld/NL, Werte Februar 2005 bis September 2005 Parameter Zulauf Permeat η mg/l mg/l % CSB Gesamt N *) NH 4 -N 30 < 0, NO x -N - 2,3 - Gesamt P **) 16,4 3, *) Ohne Optimierung **) Keine Chemikaliendosierung << 0,1 NTU Folie 40

41 Investitionskosten (Ausrüstungstechnik ohne Bau) spezifis sche Koste en [ /(m³/h h)] Bemessungszufluss [m³/h] Aus Merkblatt DWA A M 227 Memb bran Bioreaktor Verfahren (in Vorbereitung) Folie 41

42 Investitionskosten Vergleich Rödingen / 1999 / 3,000 p.e. Nordkanal / 2004 / 80,000 p.e. 23% 28% 38% 37% 7% 27% 12% 28% Glessen / 2008 / 9,000 p.e. CAS system Folie 42 15% 34% 12% 39% Civil works mechanical electric/automation MBR system 45% Civil works Brepols, C. Operating large scale membrane Bioreactors for Municipal Wastewater Treatment, IWAP, % machinery/electric/ automation

43 Membranspezifische zusätzliche Betriebskosten spez. Energiebedarf spz. Kosten Gesamtkosten niedrig hoch niedrig hoch niedrig hoch im i.m. Ct/m³ Ct/m³ Ct/m³ Crossflow Belüftung kwh/m³ 0,20 0,75 2,00 7,50 4,75 Permeatextraktion t und Rezirkulationen zusätzliche Druckbelüftung kwh/m³ 0,08 0,15 0,80 1,50 1,15 kwh/m³ 0,08 0,10 0,80 1,00 0,90 Chemikalien /m² a 0,20 1,10 0,18 1,00 0,59 Membranersatz bei 5 a Standzeit Membranersatz bei 10 a Standzeit /m² ,31 14,61 /m² ,65 7, ,22 Gesamt: 5 a Standzeit 11,09 25,62 15,61 10 a Standzeit 7,44 18,31 Annahmen: 0,10 /kwh, jahresmittlerer Flux 12,5 L/(m² h) Aus: Frechen, F.-B. Upgrading CAS systems using MBR technology invited special talk MBR Asia 2010, Bangkok, April 2010 unter Nutzung der Zahlen aus dem Merkblatt DWA-M 227 Membran-Bioreaktor-Verfahren (in Vorbereitung) Folie 43

44 Membranspezifische zusätzliche Betriebskosten Membranersatz 8,22 Ct/m³ Crossflow Belüftung 4,75 Ct/m³ / ³ Permeatextraktion und Rezirkulationen 115 Ct/m³ 1,15 Chemikalien 0,59 Ct/m³ zusätzliche Druckbelüftung 090 Ct/m³ 0,90 Aus: Frechen, F.-B. Upgrading CAS systems using MBR technology invited special talk MBR Asia 2010, Bangkok, April 2010 unter Nutzung der Zahlen aus dem Merkblatt DWA-M 227 Membran-Bioreaktor-Verfahren (in Vorbereitung) Folie 44

45 Vorteile des Membranbelebungsverfahrens Hervorragende Abbauleistungen bzgl. der Kohlenstoffe und Nährstoffe u.a. durch Partikelrückhalt Weitestgehende Entkeimung, Badegewässerqualität, Wasserwiederverwendung d Kleine Bauwerke, geringer Platzbedarf, leicht umbaubar Hohe Btib Betriebssicherheit, ih hitki kein Shl Schlammabtrieb btibdurch hbläh und Schwimmschlamm Unabhängig von den Absetzeigenschaften des Schlamms Ausgezeichnet geeignet für Ertüchtigung bestehender Anlagen Folie 45

46 Nachteile des Membranbelebungsverfahrens Meist höhere Investitionskosten Höhere Betriebskosten wegen hohen Energiebedarfs für die Cross flow Belüftung Sorgfältige Vorreinigung nötig, um Verstopfungen und Verblockungen zu verhindern Wegen geringerer Beckenvolumina prinzipbedingt i etwas anfälliger gegen Stoßbelastungen (Meist) technisch aufwendiger, benötigt geschultes Personal Chemischreinigung und Chemikalienlager nötig Empfindlich gegen gg membranschädigende Stoffe Folie 46

47 Inhalt des Merkblatts DWA M Anwendungsbereich 2 Begriffe 3 Beschreibung des Membranbioreaktorverfahrens (MBR Verfahren) 4 Mechanische Vorbehandlung 5 Planung und Bemessung 6 Reinigungsstrategien 7 Konstruktion und Ausschreibung 8 Inbetriebnahme 9 Hinweise für den Betrieb von MBR Anlagen 10 Einsatz der Membrantechnik in kleinen Kläranlagen 11 Einsatz der Membrantechnik in Kleinkläranlagen l 12 Kläranlagenertüchtigung mit dem MBR Verfahren 13 Kosten Siehe auch CEN/CWA Document 15897: Submerged Membrane Bioreactor (MBR) Technology Folie 47

48 Membranfiltration Beispiel Kaarst geforderte Ablaufqualität: COD 90 BOD 20 NH 4 NN 10 N tot 18 P tot 0.2 alles in [mg/l] g/] Folie 48

49 Membranfiltration Beispiel Kaarst geforderte Ablaufqualität: COD 90 BOD 20 NH 4 NN 10 N tot 18 P tot 0.2 alles in [mg/l] g/] Folie 49

50 Membranfiltration Beispiel Kaarst geforderte Ablaufqualität: COD 90 BOD 20 NH 4 NN 10 N tot 18 P tot 0.2 alles in [mg/l] g/] Folie 50

51 KA Swanage/UK Folie 51

52 KA Swanage/UK Folie 52

53 Upgrading Teichkläranlage KA St. Peter ob Judenburg/A E (IBN 2002) Q dwf /Q max 9 / 15 [m³/h] Pump werk Rechen 5 mm V 950 m³ V 96 m³ belüfteter t Tih Teich Ab setzzone B COD 180 Mischwasserspeicher B BOD 90 B N 16 [kg/d] Schlammspeicher MBR 945 m² HF mem Folie 53

54 Upgrading Teichkläranlage KA St. Peter ob Judenburg/A E (IBN 2002) Folie 54

55 Upgrading Teichkläranlage KA St. Peter ob Judenburg/A E (IBN 2002) Folie 55

56 Schlussbemerkungen Die Membrantechnologie ist deutlich leistungsfähiger, aber im Äpfel Birnen Vergleich nach wie vor teurer als konventionelle Verfahren. Daher werden in absehbaren Zeiträumen konventionelle Verfahren nicht verdrängt werden. Wenn besondere Anforderungen gelten, so auch wenn über Water Re Use nachgedacht wird, verdient e sie aber zu Recht das Prädikat Schlüsseltechnologie. Höhere Jahreskosten (Stichwort Membranersatz, negative Energiebilanz) sowie einige betriebliche Aspekte zeigen, dass noch erheblicher Forschungsbedarf gegeben ist. Zu beobachten wird der Einsatz als der Nachklärung nachgeschaltete Einheit (Bondorf Hailfingen, Merklingen, Geiselbullach, Brescia, USA, Australien,...) sein. Folie 56