Neues getauchtes Membranmodul für den Einsatz in Membranbelebungsanlagen zur Abwasserbehandlung S. Krause, R. Voigt, U. Meyer-Blumenroth Microdyn-Nadir GmbH, Rheingaustraße 190-196, 65203 Wiesbaden s.krause@microdyn-nadir.de 1 Einleitung Das Membranbelebungsverfahren (MBR) zur Abwasserbehandlung ist eine relativ junge Technik und basiert auf dem etablierten Belebungsverfahren und stellt einen Zukunftsmarkt dar. Statt einer Nachklärung wird zur Separation der Biomasse vom gereinigten Abwasser eine Membranfiltration verwendet. Mit Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen können Bakterien abgetrennt werden, so dass diese Membranverfahren ausreichend für die erforderliche Trennaufgabe sind. Diese werden daher im Bereich der Abwasserbehandlung eingesetzt. Die Verfahrenseinheit des Membranbelebungsverfahrens besteht aus einem Belebungsbecken zur biologischen Behandlung des Abwassers und einer Membranfiltration zur Abtrennung des belebten Schlamms (Bild 1). Bild 1: Schema einer Membranbelebungsanlage Prinzipiell gibt es zwei Integrationsmöglichkeiten der Membranmodule: in den Schlamm getaucht oder trocken aufgestellt, wobei bei letzterem System das Schlamm-Wasser-Gemisch dem Belebungsbecken entnommen und mit hoher Geschwindigkeit durch das Modul gepumpt wird. Bei der im Rahmen des Referates betrachteten getauchten Anordnung werden die Membranen direkt in den belebten Schlamm getaucht und können entweder im aeroben Teil des Belebungsbeckens oder in einem separaten "Filtrationsbecken" installiert werden. Eine 3-Phasen Strömung zur Deckschichtkontrolle wird bei diesen Systemen durch eine unter den Membranen angeordnete Belüftung (Crossflow- Belüftung) erzeugt. Mit einem geringen Unterdruck von nur 0,05 bis 0,6 bar wird das Filtrat abgezogen [ATV-DVWK, 2002b].
Microdyn-Nadir GmbH, S. Krause 2 Wesentlicher Vorteil gegenüber der konventionellen Technik ist die Feststofffreiheit des Ablaufs; es befinden sich keine Bakterien im Ablauf der Membranbelebungsanlage und durch Sorptionseffekte können ggf. Viren abgetrennt werden. Dadurch wird die organische Restverschmutzung aufgrund der vollständigen Abtrennung reduziert. Bläh- oder Schwimmschlamm stellen kein Problem dar. Fadenförmige Mikroorganismen, die das Sedimentierverhalten negativ beeinflussen, haben keine negativen Auswirkungen auf den Trennvorgang. Verfahrenstechnisch können höhere Feststoffkonzentrationen im Belebungsbecken eingestellt und Platzeinsparungen realisiert werden [z.b. DWA, 2005]. Das gereinigte Abwasser übertrifft die Anforderungen der EU-Badegewässerrichtlinie [76/160/EWG] und kann für Wiederverwendungszwecke genutzt werden. 2 Problemstellung Im Zentrum der Diskussion steht derzeit das Foulingverhalten der Membranen. Als Membranfouling wird der Rückgang der Permeabilität der Membranen bezeichnet. Insgesamt wird unterschieden zwischen Membranfouling, hervorgerufen durch biologischen Aufwuchs und/oder organische bzw. anorganische Ablagerungen an der Membranoberfläche (Belagbildung) und Verschlammungen und Verzopfungen der Membranmodule, hervorgerufen durch unzureichende Durchströmung entlang der Membranen und/oder unzureichende Vorbehandlung des Abwassers. Die negativen Auswirkungen des Foulings sind häufige Membranreinigungen, um den Filtratdurchsatz aufrechtzuerhalten. Bevorzugtes Verfahren sind derzeit mechanische- und chemische Reinigungen mit hohem Chemikalien- und Personalbedarf sowie Außerbetriebnahmezeiten [z.b. Drensla et al., 2005]. Bei chemischen Reinigungen altert die Membran schneller und die Membranersatzkosten steigen somit an. Insbesondere die Verschlammungs- und Verzopfungsproblematik wird von der Membranmodulkonstruktion beeinflusst. Zur weiteren Charakterisierung wird zwischen Flachmembran- und Kapillarmembransystemen unterschieden. Getauchte Kapillarmembransysteme werden i.d.r. von außen nach innen durchflossen. Die aus Bündeln bestehenden Kapillarmodule zeichnen sich durch eine hohe Packungsdichte aus. Zudem sind die Kapillarmembransysteme rückspülbar und bieten somit eine weitere Reinigungsmöglichkeit. Jedoch ist insbesondere die Problematik der Modulverschlammung und Modulverzopfung gegeben [z.b. Voßenkaul, 2005]. Am unteren Ende des Membranmoduls treten Verschlammungen auf, die auf eine unzureichende Durchströmung schließen lassen. Die Verzopfungen entstehen
Microdyn-Nadir GmbH, S. Krause 3 durch Haare und langfaserige Stoffe (z.b. Additive Zellulosefasern), die sich um die Membran schlingen und nicht aus dem Modul ausgetragen werden können, sofern die Kapillaren am oberen Ende des Moduls eingegossen sind. Somit wächst diese Verzopfung von oben nach unten. Durch beide Effekte wird aktive Membranfläche reduziert und häufige Reinigungen sind erforderlich. Als Lösungskonzept wird derzeit eine aufwändige mechanische Vorreinigung angeboten (Siebweite < 0,5 mm). Bei Flachmembranen werden die Membranen parallel zueinander gestapelt bzw. aufgehängt. Die Flachmembranen werden i.d.r. auf einer Platte am Rand aufgeschweißt und sind aufgrund der fehlenden Haftung in der Membranfläche nicht rückspülbar. Bei Plattenmodulen besteht aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeiten im Randbereich der Membranhalterung die Gefahr der Randverblockung. Auch von einer Spaltverblockung aufgrund ungleicher Plattenabstände wird berichtet [z.b. Voßenkaul, 2005]. Als Lösungskonzept werden derzeit die Plattenmembranen mit einer hohen Luftmenge beaufschlagt um der Verblockung vorzubeugen. Als weitere Hürde zur Umsetzung des Membranbelebungsverfahrens wird besonders in kommunaler Anwendung oftmals der erhöhte Energiebedarf der Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen intensiv diskutiert [z.b. Krause und Cornel, 2003]. Dieser entsteht aufgrund einer zusätzlichen Belüftung im Fußbereich der Membranmodule zur Minimierung der sich ausbildenden Deckschicht, somit werden MBR mit zwei Belüftungssystemen betrieben. Diese Belüftungseinrichtung wird als grobblasige Druckbelüftung mit einer geringen Sauerstoffausnutzung ausgebildet. Ziel der Entwicklung des neuen Membranmoduls war daher die Verminderung der Verschlammungsneigung und die Reduzierung des Energiebedarfs um geringere Betriebkosten zu erzielen. Dazu wurde ein neues Modul entwickelt. Tests werden in verschiedenen Versuchsanlagen durchgeführt. Im Rahmen des Referates werden die Modulkonstruktion als auch die vorliegenden Ergebnisse vorgestellt. 3 Zielstellung für eine Membran-Modulentwicklung 3.2 Modulkonstruktion Die Zielstellung für eine Modulneukonstruktion, die für die Entwicklung des neuen BIO-CEL Moduls berücksichtigt wurden, ergibt sich aus der Nutzung der Vorteile beider Modulsysteme (Plattenmodul und Kapillarmodul) ohne die jeweiligen Nachteile:
Microdyn-Nadir GmbH, S. Krause 4 Prävention der Modulverzopfungen und durch verfahrenstechnische Festlegung auf den Einsatz von Flachmembranen, um die sich keine Fasern winden können. Konstruktion von flexiblen, selbst tragenden Membrantaschen durch eine flächige Verbindung der Membran mit dem Permeatspacer (Bild 2). Bild 2: Schematische Darstellung der Membrantasche Sicherstellung eines effektiven Rückspülbetriebes zu Reinigungszwecken der Membrantaschen. I.d.R. sind Kapillarmembranen rückspülbar Plattenmembranen (aufgrund der ausschließlichen Randverschweißung) konstruktionsbedingt jedoch nicht. Mittige Absaugung des Permeates, sodass die Strömungsverluste innerhalb der Membrantasche minimiert werden. Bild 3: Membrantaschen des neuen BioCel Membranmoduls
Microdyn-Nadir GmbH, S. Krause 5 Randloser Einbau der Taschen in das Membranmodul und hydraulische Moduloptimierung, die eine effektive und gleichmäßig Überströmung der Membran ohne Randverblockungen ermöglicht hohe Packungsdichte und geringes spezifischen Gewicht durch Einsatz einer Membrantasche anstatt eines Plattensystems (steife Platten mit darauf befestigten Membranen) Das entwickelte Membranmodul ist schematisch in Bild 4 dargestellt. Bild 4: Schematische Darstellung des BioCel Moduls Für einen flexiblen Einsatz der BioCel Module sind folgende Größen mit der leistungsstarken NADIR -Membran erhältlich: Tabelle 1: Verfügbare BioCel Module BC-10-10 BC-100-50 BC-100-100 Abmessungen 290 x 370 x 1305 mm 635 x 704 x 1382 mm 635 x 1135 x 1382 mm Membranfläche 10 m² 50 m² 100 m² Betriebsdruck 30 300 mbar 30 300 mbar 30 300 mbar Rückspüldruck max 150 mbar max 150 mbar max 150 mbar Max. Betriebstemp. 55 C 55 C 55 C ph-stabilität 2 11 2 11 2 11 Membranpolymer Polyethersulfon (PES) Polyethersulfon (PES) Polyethersulfon (PES) Trenngrenze 150 kd 150 kd 150 kd Chlorstabilität 35 000 ppmh 35 000 ppmh 35 000 ppmh
Microdyn-Nadir GmbH, S. Krause 6 4 Ergebnisse Die Modulneukonstruktion wird in mehren Versuchsanlagen erprobt. Die Reinwasserpermeabilität des neuen BioCel Moduls liegt im Rahmen anderer Ultrafiltrationsmembransysteme von etwa 600 L/(m² h bar). Zur hydraulischen Optimierung wurden Wassergeschwindigkeitsmessungen im Membranmodul durchgeführt. Die aufwärts gerichtete Wassergeschwindigkeit beträgt im Modul etwa 0,3 m/s. Die Luftblasenaufstiegsgeschwindigkeit beträgt etwa 0,6 m/s [ v Blase = 0,3 m/s; Krause, 2005]. Somit ist eine ausreichend hohe Strömung gegeben, um den Schlamm aus dem Membranmodul auszutreiben um Schlammablagerungen entgegenzuwirken. In Belebtem Schlamm wurden mehrmonatige Untersuchungen zum hydraulischen Fluss und zur Permeabilitätsentwicklung durchgeführt. Spitzenflüsse von bis zu 35 L/(m² h) konnten in Versuchen realisiert werden. Hohe Dauerflüsse von > 20 L/(m² h) wurden erfolgreich durchgesetzt. Der angelegte Unterdruck beträgt je nach Fluss und Foulingfortschritt zwischen 30 und 400 mbar. Messungen der Trübung im Ablauf wurden zur Überwachung der Permeatqualität durchgeführt. 5 Zusammenfassung Sechsjährige Erfahrungen mit MBR in der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland haben gezeigt, dass das MBR Verfahren erfolgreich eingesetzt wird. In einigen Punkten besteht weiterer Optimierungsbedarf hinsichtlich der Modulkonstruktion, da Betriebsprobleme wie Verschlammungen, Verzopfungen und Verblockungen nicht ausgeschlossen werden können, des Energiebedarfs und der Reinigung der Membranen, da diese negative Umweltauswirkungen aufweisen und zudem Kosten- und Personalintensiv sind. Das neue BIO-CEL Modul der Firma Microdyn-Nadir wurde für die Anforderungen der industriellen wie auch der kommunalen Abwasserbehandlung entworfen und verbindet die Vorteile existierender Modulsysteme bei Vermeidung der jeweiligen Nachteile. Dazu wurde eine flexible, selbst tragende Membrantasche neu entwickelt, die durch die offene Integration in das Membranmodul gut überströmt werden kann und durch die Rückspülbarkeit zudem die Vorteile von Kapillarsystemen aufweist. Die ersten Resultate mit dem neuen BioCel Modul sind mehr als zufrieden stellend. Spitzenflüsse von über 35 L/(m² h) konnten realisiert werden, ein mehrmonatiger Dauerbetrieb von mehr als 20 L(m² h) wurde nachgewiesen.
Microdyn-Nadir GmbH, S. Krause 7 6 Literatur 76/160/EWG Richtlinie des Rates vom 8. Dezember 1975 über die Qualität der Badegewässer DWA, 2005; Fachausschuss KA-7, Membranbelebungsverfahren, 2. Arbeitsbericht, Fassung vom 19.01.05, download über www.dwa.de Drensla, Janot, Trimborn, 2005; Notwendigkeit, Verfahren und Erfahrungen mit der chemischen Membranreinigung, DWA-DVGW Membrantage, Tagungsunterlagen, Krause, 2005; Untersuchungen zum Energiebedarf von Membranbelebungsanlagen, Dissertation, Schriftenreihe WAR, Band 166, ISBN 3-932518-62-4 Krause und Cornel, 2003; Energiebedarf von Belüftungseinrichtungen in Membranbelebungsanlagen,5. GVC Abwasserkongress, Bremen, Preprints Band 1, S.103-110 Voßenkaul, 2005; Grundlagen des Membranbelebungsverfahrens, DWA-DVGW Membrantage, Tagungsunterlagen