50 Jahre Oswald Schulze Stiftung Technische Innovationen bei der Abwasserreinigung 27.09.2018, Münster Membranbiologie statt Ertüchtigung von Nachklärbecken Norbert Engelhardt
Membranbelebungsanlagen des Erftverbands GKW Nordkanal 80.000 EW (2004) Mönchen- Gladbach Neuss KA Titz-Rödingen 3.000 EW (1999) Grevenbroich Bergheim Köln Düren KA Bergh.-Glessen 9.000 EW (2008) Aachen Bonn Euskirchen 2
Kläranlagen im Vergleich Kläranlage Grevenboich Konventionelle Verfahrenstechnik Ausbau: 97.000 EW ohne Flockungsfiltration anaerobe Schlammbehandlung drei Nachklärbecken Klärwerk Nordkanal Membranbelebungsanlage Ausbau 80.000 EW mit Feinsiebung (noch) ohne Schlammfaulung 3 MBR-Halle
Anforderungen an die Abwasserreinigung Aktuelle und perspektivische Anforderungen Weitgehende Nährstoffelimination Geringer Energiebedarf Elimination von Mikroplastik Elimination von multiresistenten Keimen Hygienisierung des KA-Ablaufes Elimination von Spurenstoffen Kleinräumige Bauweise Effizienz (Schaffung wirtschaftlicher Kläranlagengrößen) Limitierende technische Faktoren Größe der biologischen Stufe (Beckenvolumina) Sedimentationsverfahren (Vorklärung, Nachklärung) Flächenverfügbarkeit (für zusätzliche Stufen bzw. Erweiterungen) Energiebedarf 4
Prinzip des Sedimentationsverfahrens Nachklärung Abwasser Belebtschlamm, Wasser Überlauf AFS im Ablauf NK: 5 15 mg/l Schlammabzug 5
Prinzip des Membranverfahrens Abwasser, Belebtschlamm, Wasser Überströmung Membran Porengröße der Membran: Mikrofiltration: 0,1 10 µm Ultrafiltration: 0,01 0,1 µm Nanofiltration: 0,001 0,01 µm Filtrat, Permeat AFS im Ablauf MBA: 0 mg/l
Trenngrenzen der Membranverfahren Filtrationsverfahren Mikrofiltration Partikelfiltration Ultrafiltration Umkehrosmose Nanofiltration Zurückgehaltene Stoffe Suspendierte Stoffe Moleküle, Salze Kolloide Viren Bakterien 0.0001 0.001 0.01 0.1 0.04 1 10 100mm Durchmesser in [mm] 7 Nominale Porengröße der UF-Membrane
Größenvergleich Bakterien./. Membranporen E. Coli ca. 0,5-1,5 µm MS2-Virus (Coliphage) ca. 0,025 µm B. Subtilis ca. 0,3 µm Porengröße ca. 0,04 µm Membran Membran Ultrafiltration
Verfahrenstechnischer Vergleich konventionelle Kläranlage./. Membranbelebungsanlage Konventionelle Verfahrenstechnik Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter ggf. ggf. Membranbelebungsanlage Feinsieb Membranbelebung mit integrierter Membran Feinsieb Membranbelebung separater Membranfilter 9
Vorteile der Membrantechnologie Verbesserte Beschaffenheit des Kläranlagenablaufs vollständiger Feststoff- und Mikroplastikrückhalt geringe CSB- und BSB5- und Pges-Konzentrationen im Ablauf (Teil-)Hygienisierung (z. B. keine multiresistenten Keime im Ablauf) gute Vorbehandlung für nachgeschaltete Spurenstoffelimination Verbesserte technische (Betriebs-)Bedingungen keine Betriebsprobleme durch Schaum, Schwimm- oder Blähschlamm kleine Belebungsbeckenvolumina durch hohe Biomassekonzentrationen im Belebungsbecken (TS BB : 8 12 g/l (bis zu 15 g/l möglich)) Wegfall von Nachklärbecken und konventioneller Filtration geringer Platzbedarf vollständiger Rückhalt von PAK (bei simultaner Spurenstoffelimination) ohne Absetzbecken und/oder Sandfiltration 10
Beispiel 1: GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage Verfahrensschema (2004) Rechen Sand- Fettfang Siebe FM Denitrifikation/ Variozone Nitrifikation/ Membranfiltration Permeat Kenngrößen: Ausbaugröße: Abwassermenge RZ ÜSS MSE 80.000 EW 45.000 m³/d (Mischwasserzufluss) Eindicker Volumen Belebung 9.200 m³ (DN - Vario - N) Bemessung TS Belebung 12 g/l ( derzeit 8-10 g/l ) Filterfläche Membrane 84.000 m² (Hohlfaserkapillare) Nominale Porengröße 0,04 µm (Ultrafiltration) 11
Flächenvergleich Membranbelebungsanlage./. Konventionelle Kläranlage Beispiel: Klärwerk Nordkanal (80.000 EW) Ausbau mit Membrantechnik Konventioneller Ausbau Siebung 12
GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage, 80.000 EW Verfahrenstechnische Änderung 2018 Konventionelle Verfahrenstechnik Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter Verfahrenskonzept Membranbelebungsanlage Nordkanal (alt / neu)l 2004 Feinsieb Membranfilter 2018 Feinsieb Membranfilter 13
GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage, 80.000 EW Umbaukonzept Membranbelebungsanlage mit Klärschlammfaulung und Eigenstromgewinnung Ziel: Reduzierung der Betriebskosten Reduzierung Energieverbrauch von ca. 0,6 kwk/m³ auf 0,45 kwh/m³ Eigenstromerzeugung Reduzierung Klärschlammanfall Stand der Bauabwicklung: Bau im Zeitplan (Fertigstellung Jahresende 2018) Kosten: ca. 9,5 Mio Förderung durch NRW + BMU (in Summe ca. 50%) 14
GKW Nordkanal Membranbelebungsanlage, 80.000 EW 2018: Ergänzung mit anaerober Schlammstabilisierung und BHKW Vorklärbecken + Siebung Deammonifikation Gasspeicher Faulbehälter BHKW- Gebäude Gefördert durch: Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW + Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit 15
Beispiel GKW Nordkanal Kennzahlen Ausbauvarianten Bauwerke Konventioneller Ausbau MBR-Anlage (2004) MBR-Anlage (2018) Rechen 8 mm 5 mm 5 mm Sandfang 24,5 m 24,5 m 24,5 m Siebung - 1,5 mm (Masche) 1,5 mm (Masche) Vorklärung 750 m³ 0 670 m³ Belebung 13.600 m³ 9.200 m³ 9.200 m³ Nachklärung 1.450 m² 0 0 Filterfläche 130 m² 84.000 m² 84.000 m² Schlammspeicher 1.650 m³ 1.725 m³ 1.725 m³ Faulbehälter 3.200 m³ 0 2.600 m³ Gasbehälter 1.045 m³ 0 1.200 m³ Umbauter Raum 36.000 m³ 24.000 m³ 25.500 m³ Flächenbedarf 35.000 m² 15.000 m² 17.000 m³ 16 Versiegelte Fläche 23.000 m² 10.000 m²
Beispiel 2: Kläranlage BM-Glessen (5.000 EW) Lageplan, Bestand 2005 Belebungsbecken Pumpwerk Sandfang Betriebs- gebäude Rechen Nachklärung Schlamm- speicher Glessener Bach 17
Verfahrenstechnischer Vergleich (KA Glessen) konventioneller Ausbau./. Membranbelebungsanlage Ausbaukonzept mit konventioneller Verfahrenstechnik (5.000 EW 9.000 EW) Rechen Sandfang Verteiler Belebungsbecken Nachklärung Flockungsfilter neu ggf. Ausbau mit Membranbelebungsverfahren (5.000 EW 9.000 EW) Feinsieb Membranfilter 18
Kläranlage BM-Glessen, 9.000 EW Lageplan 2008 GKW Nordkanal, Erftverband 2004 19
Kläranlage BM-Glessen, 9.000 EW alte Überwachungswerte BSB 5 CSB NH 4 -N P ges 30 mg/l 90 mg/l 10 mg/l 2 mg/l Fläche der alten Kläranlage (5.000 EW) Ergänzung um Membranfiltration (9.000 EW) neue Überwachungswerte BSB 5 CSB NH 4 -N P ges 6 mg/l 30 mg/l 1,5 mg/l 0,6 mg/l 20
Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen Hygienische Qualität des gereinigten Abwassers Parameter Einheit Durchschn. Wert Max. Wert Nachweismethode EG Badegewässerrichtlinie Salmonellen /100 ml < 30 < 30 DIN 38414-13 (MPN-Methode) k.a. Intestinale Enterokokken /100 ml 1 4 DIN EN ISO 7899-2 200 * E-coli /100 ml 1 6 Colilert -18/Quanti-Tray 500 * Coliforme Bakt. /100 ml < 50 148 Colilert -18/Quanti-Tray k.a. * ausgezeichnete Qualität 21
Reinigungsleistung von Membranbelebungsanlagen Elimination von Mikroplastik in Kläranlagen Vergleich des Ablaufs unterschiedlicher Kläranlagen/-verfahren GKW Nordkanal Quelle: Abschlussbericht Forschungsprojekt Mikroplastik, Hochschule Bremen, 2015 22
Partikelrückhalt in einer Kläranlage Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen Vorreinigung Vorklärung Biologische Stufe Nachklärung Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 10 34% 66 90% 80 90% Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf gelangen in den Ablauf: 1.000 3.400 Partikel. 23 nach Talvitie, 2018
Partikelrückhalt in einer Kläranlage Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen Vorreinigung Biologische Stufe Sand- Filtration Vorklärung Nachklärung Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 1 10% 66 90% 90 99% 80 90% Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf gelangen in den Ablauf 100 1.000 Partikel. 24 nach Talvitie, 2018
Partikelrückhalt in einer Kläranlage Wirkungsgrade der Reinigungsstufen auf Kläranlagen Vorreinigung Vorklärung Biologische Stufe Membran- Filtration Elimination von Partikeln (z. B. Plastik) Ablauf 0,01 0,1% 99,9-99,99% Beispiel: Von 10.000 Partikeln im Zulauf gelangen in den Ablauf 1 10 Partikel. 25 nach Talvitie, 2018 80 90%
Entwicklung der spez. Kosten getauchter Membranen MBA Rödingen (3.000 EW) MBA Nordkanal (80.000 EW) KA Glessen (9.000 EW) 26 nach Brepols
Reinigungsleistung Betriebssicherheit - Wirtschaftlichkeit der Membranbelebungsanlagen des Erftverbandes Qualität des gereinigten Abwassers: hervorragend seit mehr als 14 Jahren: ständig hohe Reinigungsleistung frei von Feststoffen bzw. Partikeln nahezu hygienisiert (keine multiresistenten Keime) frei von Mikroplastik Betriebssicherheit: sehr hoch seit mehr als 14 Jahren: 100% Verfügbarkeit Standzeit der Membranen: wirtschaftlich IST (2018): > 14 Jahre Energiebedarf: normal IST ( 2016): < 0,60 kwh/m³ Plan ( 2019): < 0,45 kwh/m³ (mit Vorklärung + Faulung) 27
Fazit und Ausblick Membranbelebungsanlagen zeigen im langjährigen Dauerbetrieb durchgängig sehr gute und stabile Betriebsergebnisse. Der Ablauf von MBA unterschreitet die Grenzwerte der EG-Badegewässerrichtlinie bei weitem. (Teil-Hygienisierung) Die Standzeit der Ultrafiltrationsmembrane in der MBA Nordkanal beträgt mittlerweile mehr als 14 Jahre. Der spezifische Energieverbrauch der MBA Nordkanal liegt derzeit unter 0,60 kwh/ m³. Mit der Inbetriebnahmen anaeroben Schlammbehandlung wird eine weitere Senkung auf 0,45 kwh/m³ erwartet. Durch Umrüsten konventioneller Kläranlagen zu Membranbelebungsanlagen kann die Kapazität der vorhandenen biologischen Stufe mehr als verdoppelt werden (höherer TS BB, keine Nachklärung erforderlich) Mit Membranbelebungsanlagen können viele aktuell diskutierten Problemstoffe in einer Behandlungsstufe eliminiert (Mikroplastik, multiresistente Bakterien) oder signifikant reduziert werden (z. B. Phosphor, Spurenstoffe bei PAK-Zugabe). 28
Membranbelebungsanlagen statt Ertüchtigung von NK-Becken Ein besonderer Dank geht an: Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft Natur- und Verbraucherschutz NRW 29