Weitgehende Entfernung von Nährstoffen (TP<50µg/L, TN<5mg/L) und Spurenstoffen im Membranbelebungsverfahren für dezentrale Siedlungsgebiete

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1 Immersed Membrane Filtration Berlin Weitgehende Entfernung von Nährstoffen (TP<50µg/L, TN<5mg/L) und Spurenstoffen im Membranbelebungsverfahren für dezentrale Siedlungsgebiete

2 Gliederung Zusammenfassung Motivation und Projektziele Weitgehende Nährstoffentfernung im Membranbelebungsverfahren (IMF1) Entfernung von gesundheitsgefährdeten organischen Spurenstoffen (IMF2) Zusammenhang zwischen Membranfouling und gelösten Substanzen Ausblick

3 Zusammenfassung 1/2 IMF1 Weitgehende Nährstoffentfernung im Membranbelebungs- verfahren (MBR) Erste erfolgreiche Betrieb mit vermehrter Bio-P in MBR TP < 50µg/L TP-Entfernungsrate > 99% Weitgehende Stickstoffentfernung mit Post-Denitrifikation (ohne Kohlenstoffdosierung!) TN < 5mgN/L - TN removal > 90% Auslegungskriterien abhängig von den Qualitätsanforderungen Literatur: Gnirss et al.; A17, 5. Aachener Tagung, Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbereitung, Aachen, 30 Sep-1 Okt 2003 Dezentrale Gebiete: Bio-P+ geringe Fällmittelmenge < 50µgP/L Literatur: Adam et al.; P 21, 5. Aachener Tagung, Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbereitung, Aachen, 30 Sep-1 Okt 2003 IMF2 Entfernung von gesundheitsgefährdeten organischen Spurenstoffen generell eine höhere Entfernungsrate im MBR Nicht polare Substanzen werden wenig oder gar nicht entfernt Biologischer Abbau abhängig von T, SRT, Belastung und Adaptationszeit Qualität für Wasserwiederverwendung besser, aber keine vollständige Entfernung für alle untersuchten Spurenstoffe Literatur: Zuehlke et al., A18; 5. Aachener Tagung, Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbereitung, Aachen, 30 Sep-1 Okt 2003

4 Zusammenfassung 2/2 Membranfouling mit colloidal und gelösten organischen Substanzen Betrieb mit kritischem Flux: Foulingrate ist im wesentlichen Abhängig von der Polysaccharidkonzentration im Überstand vom belebten Schlamm Polysaccharide werden produziert & abgebaut durch biologische Aktivität Polysacharidkoncentration proportional zu Stressfaktoren (T, SRT, Belüftung, Betriebstörungen, etc) Literatur: Rosenberger et al., eingereicht in Water Research Veröffentlichungen und Vorträge Internationale Konferenzen 17 Plattform Präsentationen 5 Poster mit Veröffentlichungen 7 Veröffentlichungen in Journals Workshop Removal of refractory organic matter and micro-pollutants through membrane applications mit Proceedings CD-Rom Siehe Details in Link List of communications Demonstrationsanlage Validation of IMF1 Ergebnissen (siehe Link «ENREM Projekt»)

5 Berlin: Wasserkreislauf Kanalisation Trink wasser Wasserwerk Sand filtration (Mg, Fe) Keine Chlorung Oberflächengewässer Grundwasser Medikamente Hormone? Abwasser Kläranlage Bisher: TP<0,5mg/L TKN<18mg/L keine Desinfektion Phosphor Eutrophierung Kläranlagen -ablauf Vorfluter Infiltration Keime? Badegewässer

6 Membranbelebungsverfahren zur Phosphorentfernung Was ist die effektivste Strategie PT<50µg/L im MBR zuerreichen? (erwartete zukünftige Phosphorkonzentration in Berlin, um eine Eutrophierung in Oberflächengewässern zu verhindern) MBR - effiziente Technologie für dezentrale und nicht erschlossene Gebiete! (incl. Desinfektion)

7 Konventionelles vs Membran-Belebungsverfahren (MBR) Rohabwasser Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Sedimentation Ablauf Rohabwasser Überschussschlamm Druckluft Belebungsbecken Membran Ablauf Vorteil für MBR Ablaufqualität (Desinfektion) Kompakt Robust bzgl. Belastungsschwankungen Nachteile für MBR Druckluft Kapital- & Betriebskosten Überschussschlamm

8 Immersed Membrane Filtration Projekt (IMF) 3 Teilprojekte IMF1: Weitgehende biologische Phosphor- und Stickstoffentfernung im MBR IMF2: Entfernung von gesundheitsgefährdeten organischen Spurenstoffe im MBR IMF3: Demonstrationsanlage (siehe: Link zu ENREM Projekt) IMF1 + IMF2 Laufzeit: 3 Jahre : Projektpartner: BWB / Veolia Water (Anjou Recherche) im Rahmen des KompetenzZentrum Wasser Berlin 4 Unteraufträge mit der TU Berlin Gesamtbudget: ~2,500 k Note: Membranoptimierung stand nicht im Vordergrund des Projektes, allerdings wurden Untersuchungen zum Membranfouling durch gelöste Substanzen durchgeführt

9 MBR Pilotanlagen 2 parallele Belebungsbecken, jeweils 1-3m 3 mit CMF-BR Memcor Membranen 1 Versuchsanlage - 300L (TUB) Betrieb in Berlin-Ruhleben WWTP (zentral) und in einem dezentralen Gebiet

10 IMF1 Projektziele Vergleichdes Einsatzes der 3 Prozesse zur Phosphorentfernung einzeln oder in Kombination Vermehrte Biologische Phosphorentfernung (Bio-P) in MBR Und / Oder + P-Adsorption an Adsorptionsmedia Simultanfällung (Co-P) in MBR Entwickeln und Optimieren des Bio-P Prozesses in MBR Strategie zur kosteneffectiven Phosphorentfernung je nach den geforderten Ablaufqualität

11 Prozesse für die weitgehende P & N -Entfernung in MBR Filtrat Rohwasser Anaerobic Zone Anoxic Zone Aerobic Zone Pilotanlage 1 (PP1): Standard Pre-Denitrifikation Filtrat Rohwasser Anaerobic Zone Aerobic Zone Anoxic Zone Pilotanlage 2 (PP2): Post-Denitrifikation (ohne Zugabe einer Kohlenstoffquelle)

12 Mittlere Ablaufqualität (Periode mit 26d Schlammalter, SRT) Betriebsbedingungen: F/M ~ 0.10kgCSB/kgTS.d TSae~12g/L CSB CSB f TN NH 4 -N NO 3 -N TP o-po4-p (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) Rohwasser n.d PP1 Ablauf 32 n.b < Entfernung (%) PP2 Ablauf n.b > 99 < Entfernung (%) > Weitgehende P-Entfernung >99% in PP1 und PP2 (ohne Fällmittel) N-Entfernung >90% und vollständige Denitrifikation in PP2 (Postdenitrifikation ohne Kohlenstoffdosierung)

13 Zeitlicher Verlauf der Phosphorentfernung TP,Zulauf PO4-P, Ablauf, PP1 PO4-P, Ablauf, PP2 TP, Ablauf, PP1 TP, Ablauf, PP2 1 0,9 TP, Zulauf [mg/l ] >99% P-Entfernung mit beiden Konfigurationen Datum 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 TP und PO 4 -P, Filtrat [mg/l] = 0.22 KW Ruhleben

14 Zeitlicher Verlauf der Stickstoffentfernung Nitrate concentration (mgn-no3/l) NO3 PP1 NO3 PP2 Pre-Denitrifikation Post-Denitrifikation effizienter Post-Denitrifikation 15-12d SRT 12d SRT 8d SRT FIRST RESULTS = 10 mg/l = 7mg/L KW Ruhleben = 3 mg/l 0 17-Sep 15-Okt 12-Nov 10-Dez 7-Jan 4-Feb 4-Mrz 1-Apr PP /09/ Time (1 unit = 1 week) Baffling AN reactor

15 IMF2 Entfernung von gesundheitsgefährdeten organischen Spurenstoffen Ziele Evaluierung von organischen Spurenstoffen durch MBR-Technologie Bestimmung der optimalen Betriebsbedingungen zur Entfernung Abbaumechanismen bestimmen (Adsorption, biologischer Abbau, etc) Vergleich mit dem konventionellen Abwasserreinigungsverfahren Indikatoren Endokrine Substanzen (EDCs): Steroide Pharmazeutische Substanzen (PhACs): Medikamente Globale Parameter (DOC) Relevanz der Studie einzige Langzeitstudie weltweit (Zeitdauer & Probenanzahl) 2-6 Proben pro Monat von Nov bis Nov Mehr als 300 Analysen pro Substanz sehr geringe Nachweisgrenze trotz komplexer Wassermatrix

16 Langzeituntersuchungen mit org. Spurenstoffen- Ergebnisse Ruhleben KW Pre-DN MBR Post-DN MBR Polare Substanzen: PhACs - Nicht biol. abbaubar - Carbamazepin Entfernungsrate 0% 50% 100% - Teilw. Biol. abbaubar - Phenazon - Propyphenazon - AAA - FAA Gering polare Substanzen: EDCs - Nicht biol. abbaubar - Bisphenol-A - Teilw. Biol. abbaubar - Estron - Estradiol - Ethinylestradiol min max PhACs und EDCs 2-6 mal per Monat analysiert (Nov Nov. 2003) Langzeituntersuchungen: > 300 Analysen pro Substanz

17 Untersuchungen zum Membranfouling Analyse der kolloidalen und gelösten Substanzen im Permeat vs Überstand des belebten Schlammes 20 Kritische Flux: Konzentration der Polysaccharide in der Klarphase proportional zur Foulingrate der Membranen Polysaccharide werden produziert und teilw. abgebaut durch biologische Aktivität Konzentration abhängig von folgenden Betriebs-/Stressfaktoren: (Temperatur, Sauerstoffmangel, plötzliche Änderungen, Schlammalter?, etc) Fouling rate [10^10 1/m/d] PP1-8d SRT PP2-8d SRT PS - Glucose equivalent [mg/l]

18 Ausblick Nach erfolgreichem Abschluss des Projektes IMF1 und IMF2 Betriebsanlage an einem dezentralen Siedlungsgebiet: Projekt ENREM Enhanced Nutrients Removal in Membrane bioreactor Demonstrationsprojekt eingereicht im EU-Life Program (see link ENREM Project ) Referenz für Bio-P und Post-Denitrifikationsprozess im MBR Qualitätsziele: Desinfection, TP<50µg/.L, TN<5mg/L Laufzeit: 3 Jahre ( ) ausgewähltes Siedlungsgebiet, von Einwohner Dezentrale Lage, automatischer und robuster Betrieb, Containeranlage Technische und ökonomische Machbarkeitsstudie für den patentierten Prozess