Präsentation vom 26./27./28. November Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Allgemeines über Membranbiologie

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1 Bild: K+H SG Membranen in der Abwasserreinigung Klärmeistertagung Kanton Zürich Präsentation vom 26./27./28. November 2018 Fritz Wüthrich, Kuster + Hager Ingenieurbüro AG St. Gallen Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Präsentationsablauf über Membranbiologie der Membranbiologie bis heute Unsicherheit der Standzeiten Anlagen in der Schweiz Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

2 Geschichte Allgemein 1748 Beobachtungen zur selektiven Permabilität (Jean-Antoine Nollet) 1855 Erste Versuche zur Erforschung des Membranphänomens zur physikalisch-chemischen Trennung und Diffusion (Fick) 1861 Dialyse (Thomas Graham) 1887 Osmotischer Druck (van t Hoff) 1907 Erste Ultrafiltrations Membranen (Bechold) 1925 Erster kommerzieller Hersteller Sartorius-Werke GmbH in Göttingen (D) Im zweiten Weltkrieg stoppte die Entwicklung das goldene Zeitalter der Membranwissenschaften Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Geschichte der Membranbioreaktoren 1960er erste MBRs als Kombination aus konventioneller Belebtschlamm Biologie und Ultrafiltration Die Entwicklung wurde simultan an mehreren Orten weiter getrieben sowohl in Europa als auch in Amerika 1980er 1990er wichtige Entwicklungen in Süd Afrika und Japan Bis 2000 viele kleine Reinigungsanlagen auf der Welt Die meisten in Japan einige wenige in Europa und Amerika Die drei Hauptsysteme stammten aus USA und Japan Ab 2000 sprunghafter Anstiege der Systemvielfalt 10 Systeme aus 7 Ländern Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

3 Allgemeines über MembranBioReaktoren Wichtige Eigenschaften Porengrösse Differenzdruck Permeabilität (Durchflussrate) Einsatzbereich Grafik: commons.wikimedia.org Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Allgemeines über Membranbiologie Grafik: Baumgarten (RWTH Aachen) Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

4 Allgemeines über Membranbiologie Abwasser / Belebtschlamm In der Abwasseraufbereitung genutzte Membranfiltration gereinigtes Wasser Supendierte Partikel Bakterien Makromolekül Viren organische Verbindungen Ion Mikrofiltration Abtrennung von Partikeln > 0.1 μm Ultrafiltration Abtrennung von Partikeln μm Nanofiltration Abtrennung von Partikeln μm Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Allgemeines über MembranBioReaktoren Funktion Die Membran wirkt als Filter Mechanischer Rückhalt des Belebtschlammes und anderer Schwebstoffe. Hygienisierung des Ablaufes Grafik: wat-membratec.com/mbr-membran-bio-reaktor/ Grafik: Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

5 Allgemeines über Membranbiologie Grafik: Siegrist/Joss (EAWAG) Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Entwicklung Membrane kommen aus der Trinkwasseraufbereitung und Meerwasserentsalzung Grafik: Siegrist/Joss (EAWAG) Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

6 Vorteile Erhöhte Reinigungsleistung Höherer TS-Gehalt Höheres Schlammalter Optimierung Biologie (durch erhöhten TS-Gehalt) Geringerer Platzbedarf Verbesserter C-Abbau Verbesserter N-Abbau komplette Abtrennung Belebtschlamm Nachklärung entfällt Hygienisierung des Ablaufes Ablauf hat Badegewässerqualität keine Filtrationsanlage erhöhten GUS-Anforderungen kein Problem Einleitung in Badegewässer möglich keine Desinfektion oder Hygienisierung notwendig Permeat ist keimfrei und entsprich EU-Badewasserrichtlinien Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Nachteile Lebensdauer Membrane Ursprüngliche Annahme 5-10 Jahre Erfahrung zeigen >10 Jahre Reinigungsaufwand Membrane Rückspülen oder Belüften mehrmals am Tag kleine Chemische Reinigung wöchentlich oder monatlich Membran und Becken komplett mit Chemie spülen jährlich Feinrechen Gröbere Partikel können die Membranen beschädigen Langfaserige Komponenten können zu Verzopfungen führen Energieaufwand Erhöhter Energieaufwand für permanentes Abpumpen des Permeats Erhöhter Energieaufwand für Reinigung (Rückspülen und Belüften) Chemikalienverbrauch Hauptsächlich für die Reinigung und den Erhalt der Permeabilität Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

7 Unsicherheit der Standzeiten Studie in Nordamerika Analyse der Verkauften Membrane (ZeeWeed) von Insgesamt 250 Anlagen Durchschnittliche Standzeit aller Versionen ist 8 Jahre. Die neuste Version der Membran haben eine Standzeit von über 10 Jahren. ARA Wädenswil Wechsel der Membranen nach 13 Jahren Betrieb! Studie: Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Energiekosten Studie (2006) von Ryser Ingenieure AG für das Bundesamt für Energie Stromverbrauch der verschiedenen Biologischen Reinigungsverfahren ARA Lyss (Festbettverfahren) ARA Wohlen (Wirbelbettverfahren) ARA Wädenswil (Membran-Belebtschlammverfahren) Festbettverfahren Wirbelbettverfahren Membran- Belebtschlamm- Verfahren Konventionelles Belebtschlammverfahren 25 kwh/ew a 36 kwh/ew a 54 kwh/ew a 24 kwh/ew a Literaturwert 38 kwh/ew a (Zermatt ) Studie: BFE, Untersuchung über den Stromverbrauch biologischer Reinigungsverfahren auf Kläranlagen Betriebsdaten: ARA Stäfa + ARA Wädenswil 36 kwh/ew a (Stäfa ) 45kWh/EW a (Wädenswil 2017) Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

8 Energiekosten / aktuelle Entwicklung Die Firma WABAG Wassertechnik AG hat die energetische Optimierung der Anlagen in Zermatt, Uerikon, Stäfa und Wädenswil begleitet und analysiert. Erstausrüstung Membranersatz Umstellung auf Leap Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Anlagen in der Schweiz Säntis (2000) Erste Membranfiltrationsanlage der Schweiz 267 EW m 3 /a Vorlagenbehälter V= 12.5 m 3 Bioreaktor V= 40 m 3 Schlammstapelbehälter V= 10 m 3 Permeatstapelbehälter V= 9.4 m 3 Bild saentisbahn.ch Bild saentisbahn.ch Schwägalp (2002) 780 EW Q TW = 100 m 3 /d V DN = 75 m 3 V N = 75 m 3 (mit Membranen) Denitrifikationsbecken Schlammabsackung Bild saentisbahn.ch Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

9 Anlagen in der Schweiz Wädenswil Inbetriebnahme Erstanlage 1967 Inbetriebnahme Membranbiologie 2005 (50% Membranbiologie) Kapazität Biologie EW Ersatz der Membranen nach ca. 13 Jahren (2018) Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Anlagen in der Schweiz Stäfa Inbetriebnahme Erstanlage 1954 Inbetriebnahme Membranbiologie 2012 Kapazität Biologie EW Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

10 Anlagen in der Schweiz Zermatt Inbetriebnahme Erstanlage 1982 Inbetriebnahme Membranbiologie 2013 Kapazität Biologie EW / Hydraulische Kapazität 280 l/s Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Weitere Anlagen Klärwerk Nordkanal (Erftverband, nähe Köln) m3/d / EW VBB 9 200m3 mit m2 Membranfläche (Zenon ZW 500 C) Stromverbrauch ca. 40 kwh/ew a Bild: Erft Verband Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

11 Weitere Anlagen Brightwater WWTP (grösste Anlage USA, nähe von Seattle) m3/d EW Bild: Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Weitere Anlagen WWTP Henriksdal Stockholm m3/d EW VBB m3 Nachrüstung MBR in div. Phasen von 2017 bis 2022 Bild: stockholmvattennochavfall.se Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

12 Weitere Anlagen WWTP Henriksdal Stockholm Bestehende Nachklärbecken Visualisierung mit Membranen Bild: stockholmvattennochavfall.se Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Weitere Anlagen Bild: suezwatertechnologies.com Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

13 Weitere Anlagen (ARA Tobl, Südtirol) Bild: suezwatertechnologies.com Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November Gedanken zum Das MBR-Verfahren ist nicht die Lösung für alle ARA- Ertüchtigungen, es hat aber seinen Platz im Markt, sogar bei einem Neubau einer ARA. Die ursprünglichen Annahmen zum Energieverbrauch als auch die Standzeiten der Membranen müssen neu beurteilt und in der Evaluation berücksichtigt werden. Aktuell gibt es in der Schweiz erst wenige MBR-Anlagen. Dies wird sich aber voraussichtlich in Zukunft ändern. Insbesondere der wesentlich geringerer Platzbedarf der MBR-Technologie im Vergleich zu den konventionellen Verfahren ist ein grosser Vorteil. Die Auslöser für diese Entwicklung sind das sinkende Platzangebot und die stetig steigenden Anforderungen an den Reinigungsgrad des Abwassers. Die MBR-Technologie ersetzt hingegen (leider) keine zusätzliche MV-Stufe. Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November

14 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Kuster + Hager Ingenieurbüro AG 26./27./28. November