Fachkurs Membranfiltration. Urs Meier, MERITEC GmbH. MERITEC GmbH. Tel

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1 Membranfiltration. Urs Meier,

2 Begriffe Membranfiltration Abtrennung von Partikeln aus Wasser mittels Passage durch eine poröse Membran. Membran semipermeable, teils poröse, teils homogene Trennschicht aus organischem oder anorganischem Material mit symmetrischer oder asymmetrischer Struktur. Flux, Filtratfluss (auch Flächenleistung) auf die Membran bezogene pro Zeiteinheit durchgesetzte Menge an Filtrat (l/m 2 h). Permeabilität wird der aufgrund des Transmembrandruckes (TMP) berechnete Filtratfluss bezeichnet (z. Bsp. (l/m 2 /h/bar). Transmembrandruck (TMP) ist der Differenzdruck der mittleren Drücke auf Feed- und Filtratseite. Cross-Flow-Filtration (Querstrom-, Tangential-) Feedstrom parallel zur Membran, Permeat fliesst quer dazu ab. Dead-End-Modus (Dead-End-Filtration) Betriebsart bei der das Feedwasser ohne Rezirkulation durch die Membran filtriert wird.

3 Cross-flow Filtration (Querstromfiltration) Strömungsrichtung der Rohflüssigkeit Konventionelle Filtration Filterrückstand/ Filterkuchen Filterkuchenhöhe Sieb / Filter t spez. Filtrationsleistung Filtrierte Flüssigkeit = Filtrat Cross-flow Filtration Strömungsrichtung der Rohflüssigkeit Konzentrierte Flüssigkeit = Retentat spez. Filtrat (Permeat)- leistung Membrane Deckschichthöhe Filtrierte Flüssigkeit = Permeat t

4 Inhaltsstoffe im Abwasser Verfahren ungelöste Abwasserinhaltsstoffe absetzbare schwimmend suspendiert Sedimentation, Filtration Flotation, Filtration Flockung, Filtration gelöste Membranfiltration organisch anorganisch Biologie (aerob, anaerob) physikalisch, chemisch-physikalisch, thermisch Kombination verschiedener Verfahren für die Membranfiltration beispielsweise Siebung vor Membranfiltration

5 Micron = 1-3 mm Abtrennbereiche der Filtration 100 Darstellung nicht massstabsgetreu 10 Menschliches Haar Partikelfiltration Blutzelle Bakterien Viren Makrofiltration Mikrofiltration Pestizide Lösungsmittel Nitrat Wassermolekül Ultrafiltration Nanofiltration Umkehrosmose steriles Filtrat ab Ultrafiltration

6 Einteilung der Membranentrennprozesse Trennprozess Trennmechanismus Membranstruktur Trennbereich Mikrofiltration Siebeffekt Symmetrisch, porös nm Ultrafiltration Unterschiedliche Asymmetrisch, porös nm Membranpermeation (Siebeffekt) Nanofiltration Unterschiede in Asymmetrisch, nicht porös 1 10 nm Löslichkeit und Diffusionsrate Umkehrosmose Unterschiede in Asymmetrisch, nicht porös nm Löslichkeit und Diffusionsrate Vielzahl von Membranen für unterschiedlichen Einsatzbereiche

7 Einteilung der Membranen Herkunft Synthetisch Organische Materialien: Material organisch anorganisch Polyamid (PA), Polyacrylnitril (PAN), Polypropylen (PP), Polysulfon (PS), Polyethersulfon (PES), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Celluloseacetat (CA) Morphologie nicht porös porös Anorganische Materialien: Struktur asymetrisch symetrisch Zeolithe, Kohlenstoff, Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ), Titandioxid (TiO 2 ), Zirkonoxid (ZrO 2 ), Glas Auswahl verschiedener Membranmaterialen für angepasste Anwendungen

8 Prinzip & Membrantypen Grundprinzip Modul Membran Einbau in Modul Pumpe mit rohrförmigen Membranen Modul T Druckhalteventil mit flachen Membranen Permeat (Filtrat) Retentat (Konzentrat) einfaches Verfahrensprinzip Weitere Membrantypen: rohrförmig: Kapillar, Hohlfaser flach: Wickel, Scheiben

9 Bauformen von Membranmodulen Modultyp rohrförmig Membranen flach Packungsdichte m 2 /m 3 Rohr Kapillar Hohlfaser Platten Kassetten Kissen Wickel < 40 < 800 < 1500 < 500 < 800 < 500 < 1000 aktive Trennschicht innen innen innen oder aussen auf der Anströmseite der Membran Membran durchströmt von innen innen innen oder aussen - - aussen aussen Feedspacer nein ja oder nein nein ja Permeatspacer ja ja ja ja Einsatzgebiete MF UF NF RO MF UF MF UF NF RO UF MF NF RO UF MF NF RO UF NF RO RO NF UF

10 Abtrennung von Inhaltsstoffen Abfiltrierbare Feststoffe CSB NH4 AOX Schwermetalle Salze Bakterien Viren Partikel Filtration O Mikrofiltration O - O Ultrafiltration O - - O - Nanofiltration O O O Umkehrosmose = geeignet O = teilweise geeignet - = ungeeignet selektive Stoffabtrennung

11 poröse Membran Membranfouling & -scaling Deckschicht (Ausfällung, Kompaktierung usw.) Porenverblockung (Partikeldurchmesser ~ Porendurchmesser) innere Adsorption (membrangängige Substanzen mit Affinität zum Membranmaterial) Biofouling (Mikroorganismen) Scaling (Ausfällung von Salzen, Härtebildner) Gegenmassnahme: Regelmässige Reinigung (CIP)!

12 Module Membranreinigung flux Spülung Spülung CIP t CIP CIP ist ein Bestandteil der Membranfiltrations-Anlage

13 Entwicklungen Standard-Membran High-Tech-Membran Membraneigenschaften Membran-Stützstruktur ohne lange gewundene Kanäle: Filtrationsdrücke 1/10 des herkömmlichen Druckes. Einheitlicher Porendurchmesser über die gesamte Membranfläche. Spiegelglatte Oberfläche: Optimale Unterstützung der Abreinigung im Cross-Flow-Verfahren. Weitere Vorteile: Leistung mal höher als mit herkömmlichen Membranen Thermisch beständig Dampfsterilisierbar Ausglühbar Formstabil Trockenlauf-stabil Extrem hart Sehr glatt (verbesserte Abreinigung) Chemisch inert Keine Migrationseffekte

14 .in Biogasanlagen Urs Meier,

15 Gülleinhaltsstoffe Bakterien u.a. Mikroorganismen Nahrung Klima / Witterung Harn Tier Kot Stall Harnstoff Harnsäuren Hippursäuren Unverdauliches der Verdauung entgangen aus der Nahrung nicht resorbierte Verdauungsprodukte aus dem Körper Bakterien Mikroorganismen Gärungsprodukte wie Indol Skatol Kresol organische Säuren Gase Tier Güllegrube Wasser! schwer verdaulich leicht verdaulich Lignin Keratin Chitin Haare Federn wie Cellulose Hemicellulose Pentosane Stärke Fett Eiweiss Fettsäuren Aminosäuren Mineralstoffe Wasser Reste der Verdauungssekrete in den Darm abgegebene Exkrete Fermente Gallenfarbstoff Gallensäure Schleim Darmepithel Eiweiss Lipoide Mineralstoffe Wasser Gülle Fermenter Biogas Gärrest Einfluss vieler Faktoren spielen eine Rolle

16 Membrantrennung und Vergärung Vorbehandlung: Gülleseparierung, der erste Schritt Feststoffe verstopfen Membranen

17 Konventionelle Gülle-/Gärrestaufbereitung mit der Membranfiltration Separierung Ultrafiltration Umkehrosmose Option: Ionentauscher Gülle/ Gärreste Brauchwasser Feststoffe Retentat Flüssigdünger Düngung (OS/(P)-Lieferant) Düngung (P(N, K)-Dünger) Düngung (N/K-Dünger) Betrieb Vorfluter Mengenreduktion ( 50 %), Nährstoff-Fraktionierung

18 Membran-Bio-Reaktor (MBR) Vorbehandlung Membran-Bio-Reaktor MBR (anaerob) Separierung Vergärung Ultrafiltration Gülle Reaktor Feststoffe Biogas Retentat Permeat CIP Ultrafiltration Steuerung Düngung (OS/(P)-Lieferant) BHKW (Wärme&Strom) Düngung (P-Dünger) Düngung (N/K-Dünger) MBR-Versuchsanlage (halbtechn. Massstab) Das MBR-Verfahren zeichnet sich aus durch: Rückführung von Bakterien & organischen Substanzen Trennung von HRT und SRT Steigerung der Effizienz & Wirtschaftlichkeit kleineres Fermenter- & Nachgärlagervolumen hygienisch einwandfreies UF-Permeat

19 Membran-Bio-Reaktor (MBR) Hygieneuntersuchung (UF-Retentat & UF-Permeat aus dem MBR) Parameter Prüfverfahren Einheit Rohgülle Dünngülle UF-Retentat UF-Permeat Aerobe mesophile Keime ISO 4833 KbE/g 31'600'000 24'400'000 8'200' Enterobacteriaceen (Coliforme) ISO KbE/g 110'000 60' < 10 Enterokokken SLMB KbE/g 60' '000 8'700 < 10 Hefen SLMB 1411 KbE/g < 100 < 10 Schimmelpilze SLMB 1412 KbE/g 4'200 2'500 3'600 < 10 Escherichia coli ISO KbE/g 90' '000 1'050 < 1 Staphylokokken koagulase positiv ISO KbE/g < 100 < 100 < 100 < 10 Salmonella spp. ISO 6579 in 25 g nicht nachweisbar nicht nachweisbar nicht nachweisbar nicht nachweisbar Listeria spp. ISO in 25 g positiv positiv positiv nicht nachweisbar Listeria monocytogenes ISO in 25 g postitv nicht nachweisbar nicht nachweisbar nicht nachweisbar Buttersäurebakterien (Clostridien) ALP 2001 KbE/g 500 < < 100 Anaerobe Sporenbildner ALP 1996 pro g (MPN) > > > < 2.7 spp. = subspecies; SLMB = Schweiz. Lebensmittelbuch; ALP = Eidg. Forschungsanstalt Agroscope Liebefeld-Posieux; KbE = Keimbildende Einheiten; n.n. = nicht nachweisbar Die Anforderungen an die Trinkwasserqualität werden nur bei den aerob mesophilen Keimen mit 400 KbE/g gegenüber 300 KbE/g nicht erfüllt. Sterilfiltration mittels UF

20 Membran-Bio-Reaktor (MBR) Konventionelle Betriebsweise der Membranfiltration Biogas Fest-Flüssig- Trennung Ultrafiltration flux Gülle Dünngülle Fermenter Flüssigphase UF-Permeat CIP CIP CIP t Feststoffe UF-Retentat Unkonventionelle Betriebsweise der Membranfiltration Aus membrantechnischer Sicht zeigt das MBR-Verfahren folgendes: lange Zeiträume ohne CIP Beherrschung der Deckschicht Abbau organischer Stoffe vereinfacht Betrieb der UF gute Fluxleistungen erzielbar flux Spülung Spülung CIP t Integration einer Membrantrennstufe in eine Biogasanlage kann zu einer innovativen biotechnologischen Umsetzung beitragen.

21 MBR für Gülle & Cosubstrate Rückführung des UF-Retentats aus der Gärsubstrataufbereitung in die Vergärung ( erweiteter MBR ) UF-Retentat Rohgülle/ Cosubstrat Vergärung Gärsubstrat Separierung Gärflüssigkeit Ultrafiltration UF-Permeat Feststoffe UF-Retentat (ÜSS) flexibel und in bestehende Biogasanlage integrierbar

22 Membrantrennung zur Vorbehandlung der Gülle für die Vergärung Feststoffe in weitere Biogasanlage? Feststoffe zur Wertstoffgewinnung? = Landwirtschaftsbetriebe = Separierung & Ultrafiltration = MBR-System = Transport/Förderung Rohgülle = Transport UF-Retentat Reduktion der Transporte bei überbetrieblichen Biogasanlagen bis zu 85 %; Vergärung von UF-Retentat in zentraler MBR-Anlage.

23 Membrantrennung zur Gärrestaufbereitung Vorbehandlung Stofftrennung Stickstoffbehandlung Nachbehandlung Separierung Ultrafiltration Ammoniakstrippung Umkehrosmose Ionentauscher Gärrest Brauchwasser Feststoffe Retentat Ammonsulfat Flüssigdünger Regenerat zurück in Ultrafiltration Düngung (OS/(P)-Lieferant) Düngung (P(N,K)-Dünger) Düngung (N)-Dünger) für CULTAN Düngung (K(P)-Dünger) Betrieb Vorfluter Vergärung Membranfiltration kann zu einem verbesserten Nährstoffeinsatz beitragen

24 Ausblick Konventionelle Biogasanlage Vorgrube Fermenter Nachgärer Endlager Rohsubstrat Gärsubstrat Biogas mesophil mesophil Energieausbeute ~ 40 % mindestens 120 Tage einfach (Behälter), nicht sehr energieeffizient

25 Ausblick Zukünftige Biogasanlage? Rohsubstrat Flüssig Fermenter Nachbehandlung Dünger Biogas Gülle Separierung Fermenter Nachbehandlung Dünger Rohsubstrat Fest Vorbehandlung Stoffgewinnung Wertprodukte Energieausbeute ~ 80 %? 20 Tage ~ 100 Tage komplexer (Verfahren), energieeffizient, Wertstoffgewinnung