Membrantechnik für die Abwasserreinigung
Transcription
Membrantechnik für die Abwasserreinigung
Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen Membrantechnik für die Abwasserreinigung Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen Membrantechnik für die Abwasserreinigung Herausgegeben von: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Dr. rer. nat. Harald Friedrich Institut für Siedlungswasserwirtschaft Abteilungsleiter der Rheinisch-Westfälischen Technischen Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Wasserwirtschaft Hochschule Aachen (ISA , RWTH Aachen) Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen Band 1 Membrantechnik für die Abwasserreinigung Herausgegeben von: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Dr. rer. nat. Harald Friedrich Institut für Siedlungswasserwirtschaft Abteilungsleiter der Rheinisch-Westfälischen Technischen Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Wasserwirtschaft Hochschule Aachen (ISA , RWTH Aachen) Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen Vorwort Vorwort Die Membrantechnik zur Aufbereitung von Wasser und In der kommunalen Abwasserbehandlung werden be- Abwasser zeigt eindrucksvoll, wie innovativ, zukunfts- stimmte Typen von Membrananlagen – die Biomembran- orientiert und ökonomisch sinnvoll Umweltschutztechnik filtrationsanlagen (Membranbelebungsverfahren) – bis- sein kann. In der 100-jährigen Geschichte der modernen lang noch selten eingesetzt. Dies hat historische und Wasser- und Abwasseraufbereitung für Privathaushalte wirtschaftliche Gründe. Der Einsatz von Membranverfah- und Unternehmen wurde noch keine neue Technik ein- ren bei der kommunalen Abwasserreinigung kann sich geführt, die solch vielfältig positive Effekte hat wie die bereits heute als wirtschaftlich erweisen, insbesondere der Membrantechnik. unter folgenden Randbedingungen: Sie löst unterschiedliche Fragen der Wasseraufbereitung • wenn nur wenig Fläche für den Neubau oder die Erwei- und führt gleichzeitig zu einer deutlich besseren Reinigung terung von Anlagen zur Abwasserreinigung vorhanden des Abwassers. ist, Die Membrantechnik macht die betriebsinterne Rückgewinnung und Wiederverwertung fester und gelöster Stoffe • wenn die Möglichkeiten zur anschließenden Verwendung des gereinigten Abwassers genutzt werden sollen, möglich. • wenn weitergehende oder zusätzliche Anforderungen Wegen der großen Auswahl an verfügbaren Membranen an die Ablaufqualität des Abwassers notwendig sind, und Modulen lässt sich für fast jede Aufgabenstellung in der Wasseraufbereitung ein technisch geeignetes System • wenn toxische Stoffe entfernt werden sollen, finden. • wenn eine hygienisch einwandfreie Abwasserqualität An der Entwicklung und Anwendung der Membrantechnik angestrebt wird. haben sich im In- und Ausland viele wissenschaftliche Institutionen, Industrieunternehmen sowie Wasserver- Bei Haus- und Kleinkläranlagen wie auch bei Schiffsklär- sorger und Abwasserverbände beteiligt. Die Bundes- und anlagen und zunehmend bei der kommunalen Abwasser- Landesregierungen unterstützen diese technische Entwick- reinigung ist die Biomembranfiltration in Deutschland lung. bereits heute wettbewerbsfähig geworden. Heute ist die Membrantechnik in Deutschland bereits für Die Anwendung der Membrantechnik in der Industrie ist viele Bereiche eine erprobte Alternative zu klassischen sehr vielfältig und durch zahlreiche Referenzen belegt. In Verfahren der kommunalen und industriellen Abwasser- der industriellen Abwasseraufbereitung wird die Membran- reinigung. Das zahlt sich ökologisch und ökonomisch technik für den produktionsintegrierten Umweltschutz aus, denn die Membrantechnik bedeutet: weniger Kosten genutzt. für den Ver- und Entsorgungsbereich sowie die Produktion, gleichzeitig erheblich weniger Umweltbelastung. 4 Vorwort Mit der Membrantechnik wird Wasser – das meistgenutzte Diese Publikation stellt die Membrantechnik sowie ihren Lösemittel in der Industrie – so gereinigt, dass es wieder Einsatz in der kommunalen und industriellen Abwasser- verwendet werden kann. In der Industrie können die aus reinigung in Deutschland gemäß dem Stand der Technik dem Wasser gefilterten Stoffe auch wieder neu genutzt und der Wissenschaft vor. Beispiele großtechnisch reali- werden. Zwar lässt sich mit der Membrantechnik kein sierter Anlagen aus Kommunen und Industrieunternehmen vollständig geschlossener Kreislauf realisieren. Aber eine demonstrieren die Einsatzbreite und Leistungsfähigkeit Mehrfachnutzung des Wassers reduziert die Abwasser- der Membrananlagen – die Planung, den Bau und Betrieb menge deutlich. Das spart den Unternehmen Kosten. sowie die dabei entstehenden Kosten eingeschlossen. Damit bekommen Planer, abwasserbeseitigungspflichtige Kommunen, Industrie- und Gewerbebetriebe sowie die Genehmigungsbehörden eine solide Grundlage, um zu entscheiden, ob die Membrantechnik als Lösung in Frage kommt. Eckhard Uhlenberg Sigmar Gabriel Prof. Dr. Andreas Troge Minister für Umwelt und Naturschutz, Bundesminister für Umwelt, Präsident des Umweltbundesamtes Landwirtschaft und Verbraucherschutz Naturschutz und Reaktorsicherheit des Landes Nordrhein-Westfalen 5 Impressum Diese wissenschaftliche Ausarbeitung wurde vom Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert. Verantwortlich FiW Verlag Dr. rer. nat. Harald Friedrich Mies-van-der-Rohe-Straße 17 Abteilungsleiter 52074 Aachen Abfallwirtschaft, Bodenschutz, Wasserwirtschaft Telefon: +49 (0) 241- 80 2 68 25 Dr.-Ing. Viktor Mertsch Telefax: +49 (0) 241- 87 09 24 Abwasserbeseitigung und Abwassertechnik E-Mail: [email protected] Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des ISBN 3-939377-00-7 Landes Nordrhein-Westfalen ISBN 978-3-939377-00-9 Inhaltliche Bearbeitung der 2. aktualisierten Auflage Gestaltung FiW an der RWTH Aachen e. V. ID-Kommunikation M. Lange, Dr.- Ing. F.-W. Bolle, Dr.-Ing. S. Schilling, S 1, 1 S. Baumgarten (ISA, RWTH Aachen) 68161 Mannheim Inhaltliche Bearbeitung der 1. Auflage 2003: Telefon: +49 (0) 6 21 - 10 29 24 FiW und ISA, RWTH Aachen Telefax: +49 (0) 6 21 - 10 29 91 M. Lange (Vorsitz), S. Baumgarten, F.-W. Bolle, E-Mail: info @idkommunikation.de Dr.-Ing. T. Buer, J. Schunicht, Dr.-Ing. K. Voßenkaul Begleitende Arbeitsgruppe der 1. Auflage 2003: Titelfoto Dr. V. Mertsch, I. Dierschke, K. Drensla, A. Kaste, Erftverband RBD A. Schmidt, Prof. Dr. W. Schmidt, S. Tenkamp, Dr.-Ing. J. R. Tschesche, C. Wiedenhöft, T. Wozniak, Dr. K. Zimmermann Herstellung Greiserdruck GmbH & Co. KG Begutachtung der 1. Auflage 2003: Karlsruher Straße 22 Prof. Dr.-Ing. P. Cornel, Dr.-Ing. W. Firk, 76437 Rastatt Dr.-Ing. J. Oles, Dr.-Ing. T. A. Peters, U. Voss Telefon: +49 (0) 72 22 - 105 -129 Telefax: +49 (0) 72 22 - 105 -137 Englischsprachige Ausgabe Eine englische Ausgabe mit dem Titel: „Municipal Water and Waste Management: Membrane Technology for Waste Water Treatment“ ist mit folgenden ISBN-Nummern verfügbar: ISBN 3-939377-01-5 ISBN 978-3-939377-01-6 6 www.greiserdruck.de Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Membrantechnik 25 1.1 Grundlagen der Stofftrennung mittels Membrantechnik 26 1.2 Membranverfahren in der Abwasserreinigung 27 1.2.1 1.2.2 NF 1.2.3 UO 30 Nanofiltration 31 Umkehrosmose 32 Membranmaterialien, -aufbau und -klassifizierung 33 1.3.1 Herkunft und Werkstoffe 33 1.3.2 Morphologie, Struktur und Herstellung 34 1.4 Membranformen und -module 36 1.5 Anordnung von Modulen 44 1.6 Betriebsarten 46 1.7 Deckschichtbildung 48 1.8 Maßnahmen zum Erhalt der Filtrationsleistung 50 1.9 Weitere Aspekte zum Einsatz der Membranverfahren in der Abwasserreinigung 53 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 59 1.3 2.1 Das Membranbelebungsverfahren 64 2.1.1 Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete 64 2.1.2 Eingesetzte Membranmodule 68 2.1.3 Planung und Betrieb von Membranbelebungsanlagen 80 2.1.3.1 Bemessung 80 2.1.3.2 Konstruktive und planerische Gestaltung 85 2.1.3.3 Betrieb 87 Investitionen und Betriebskosten 90 2.1.4 2.1.4.1 Investitionen 90 2.1.4.2 Betriebs- und Instandhaltungskosten 92 2.2 Praxisbeispiele zu großtechnischen Membranbelebungsanlagen 93 MF Anlagen in Deutschland mit Mikrofiltrationsmembranen 96 2.2.1.1 MF Kläranlage Seelscheid und Schulungseinrichtung 96 2.2.1.2 MF Pilotanlage Büchel 99 2.2.1.3 MF Kläranlage Richtheim 101 2.2.1.4 MF Kläranlage Eitorf (Inbetriebnahme) 102 2.2.1.5 MF Kläranlage Xanten-Vynen (Inbetriebnahme) 104 2.2.1.6 MF Kläranlage Piene (in Planung) 105 2.2.1.7 MF Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen (Inbetriebnahme) 106 2.2.1.8 MF Kläranlage Kohlfurth, Prozesswasserbehandlung 107 2.2.1.9 MF Kläranlage Dormagen, Prozesswasserbehandlung (Inbetriebnahme) 108 MF Anlagen außerhalb Deutschlands mit Mikrofiltrationsmembranen 109 2.2.2.1 MF Kläranlage Glasgow, Schottland 110 2.2.2.2 MF Kläranlage Ebisu Prime Square Building, Japan 112 2.2.2.3 MF Kläranlage St. Peter ob Judenburg, Österreich 113 UF Anlagen in Deutschland mit Ultrafiltrationsmembranen 114 2.2.3.1 UF Kläranlage Nordkanal 114 2.2.3.2 UF Kläranlage Monheim 116 2.2.3.3 UF Kläranlage Markranstädt 118 2.2.1 2.2.2 2.2.3 MF Mikro- und Ultrafiltration Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose 7 Inhaltsverzeichnis 2.2.3.4 UF Kläranlage Rödingen 2.2.3.5 UF Kläranlage Schramberg-Waldmössingen 123 2.2.3.6 UF Kläranlage Knautnaundorf 125 2.2.3.7 UF Pilotanlage Simmerath 126 2.2.3.8 UF Golfplatz St. Wendel 128 2.2.3.9 UF Kläranlage Glessen (in Planung) 130 UF Anlagen außerhalb Deutschlands mit Ultrafiltrationsmembranen 131 2.2.4.1 UF Pilotanlagen auf der Kläranlage Beverwijk, Niederlande 132 2.2.4.2 UF Kläranlage Varsseveld, Niederlande 134 2.2.4.3 UF Kläranlage Brescia, Italien 135 2.2.4.4 UF Kläranlage Säntis, Schweiz 137 2.2.4 2.3 121 Kleinkläranlagen, mobile Anlagen und Schiffskläranlagen mit Membrantechnik 138 2.3.1 MF Busse-MF-Anlage der Fa. Busse 138 2.3.2 MF UltraSept-Anlage der Fa. Mall 140 2.3.3 MF Kleinkläranlage für 4 EW in NRW 141 2.3.4 UF Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), Brauchwasseraufbereitung 141 2.3.5 UF MembraneClearBox ® -Kleinkläranlage und HoneyComb® der Hans Huber AG 142 2.3.6 MF Mobile Anlagen für den Einsatz in Feldlagern 144 2.3.7 MF Schiffskläranlagen mit Membrantechnik 145 2.3.8 UF Kreuzfahrtschiff Queen Mary 2 146 Grau- und Schwarzwasserbehandlung auf Schiffen 148 2.3.9 2.4 Nachgeschaltete Membranstufe zur Abwasserhygienisierung 150 2.4.1 Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete 150 2.4.2 Eingesetzte Membranmodule 150 2.4.3 Betriebserfahrung 150 2.4.4 UF Großtechnische Anwendungen in Deutschland zur Abwasserhygienisierung mit Ultrafiltration 151 2.4.4.1 UF Kläranlage Geiselbullach 152 2.4.4.2 UF Kläranlage Merklingen 153 2.4.4.3 UF Kläranlage Bondorf-Hailfingen 155 Großtechnische Anwendungen außerhalb Deutschlands zur Abwasserhygienisierung 157 2.4.5 UF mit Ultrafiltration 2.4.5.1 UF Aufbereitungsanlage Torreele, Belgien 157 2.4.5.2 UF Aufbereitungsanlage Katowice, Polen 159 2.4.5.3 UF Aufbereitungsanlage Bedok, Singapur 160 Bemessungsbeispiel Membranbelebungsanlage (MBA) 161 2.5.1 Bemessungsgrundlagen 161 2.5.2 Interpretation der ARA-BER-Berechnung gemäß den Bemessungsempfehlungen für MBA 162 2.5.3 Bemessung der Membranfiltrationsstufe 163 2.5.4 Ergebnisausdruck der Bemessung mit ARA-BER 164 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 165 2.5 3 3.1 Kurzüberblick 166 3.2 Ziele und Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen 168 Entscheidungskriterien 170 3.3 MF 8 3.4 Wirtschaftlichkeit von Membrananlagen in der industriellen Abwasserreinigung 172 3.5 Anwendungsbeispiele in Deutschland Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose 175 Inhaltsverzeichnis 3.5.1 3.5.1.1 3.5.1.1.1 UO 3.5.1.2 177 Kartoffelstärkeproduktion 178 Nahrungsmittelindustrie, Emsland Stärke GmbH 179 Mälzerei 180 3.5.1.2.1 UO Mälzerei, Durst Malz – H. Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG 181 3.5.1.3 UF Nahrungsmittelindustrie, Beeck Feinkost GmbH & Co. KG 182 UF Druckindustrie, Peter Leis 183 Papierindustrie 184 Papierfabrik Palm, Werk Eltmann 185 3.5.2 3.5.3 3.5.3.1 NF Textilindustrie 186 3.5.4.1 UF Textilindustrie, Drews Meerane GmbH 187 3.5.4.2 MF Seidenweberei Pongs 189 Textilveredlung Gerhard van Clewe GmbH & Co. KG 191 3.5.4 3.5.4.3 3.5.5 UO Faserindustrie, Vulkanfiber 193 3.5.6 UF Kunststoffindustrie, Troplast 195 Wäschereien 196 Wäscherei Alsco 196 3.5.7 3.5.7.1 3.5.7.2 3.5.8 Textilservice Mewa GmbH 199 Metall verarbeitende Industrie 201 3.5.8.1 UF Metall verarbeitende Industrie, Rasselstein Hoesch GmbH 202 3.5.8.2 UF Metall verarbeitende Industrie, Faurecia Betrand Faure Sitztechnik 203 3.5.8.3 Metall verarbeitende Industrie, Galvanikbetrieb Rudolf Jatzke 204 3.5.8.4 Metall verarbeitende Industrie, Wieland Werke AG 206 Lackwasseraufbereitung 208 Lackwasseraufbereitung DaimlerChrysler 208 3.5.9 3.5.9.1 UF 3.5.9.2 NF Lackwasseraufbereitung aus der Ersatzteilfertigung im Ford Werk Köln 209 UF Pharmazeutische Industrie, Schering 211 Sonstiges 213 Deponiesickerwässer 213 3.5.11.1.1 UO Deponie Alsdorf-Warden 216 3.5.11.2 MF Fischzucht 218 3.5.11.3 UF Kraftwerke, Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk (GuD) Dresden 219 3.5.11.4 UF Bilgenentölung 221 3.5.11.5 Schwimmbäder 223 3.5.11.5.1 Schwimmbad, Aquana Freizeitbad 223 3.5.10 3.5.11 3.5.11.1 3.5.11.5.2 UF 3.6 3.6.1 Schwimmbad, Freizeitbad Copa Ca Backum 225 Anwendungsbeispiele außerhalb Deutschlands 227 Nahrungsmittelindustrie 228 3.6.1.1 UF Müsliproduktion bei der Kellogg Company, Großbritannien 228 3.6.1.2 UF Stärkegrundproduktion bei Raisio Chemicals, Belgien 230 3.6.1.3 UF Molkerei Dairygold Food Products, Irland 231 3.6.1.4 UF Molkerei Diary Crest Limited, Großbritannien 233 3.6.1.5 UF Mälzerei Sobelgra n. v., Belgien 234 3.6.2 3.6.3 3.6.4 MF Nahrungsmittelindustrie Mikrofiltration UF UO Wäscherei Massop, Niederlande 237 MF Pharmazeutische Industrie, Penicillinproduktion bei der Firma Sandoz, Spanien 238 Sonstiges 240 Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose 9 Inhaltsverzeichnis 3.6.4.1 UF 3.6.4.2 3.6.4.2.1 UF Tierkörperbeseitigungsanlage der SARIA Bio-Industries, Frankreich 240 Mechanisch biologische Abfallbehandlungsanlage (MBA) 242 Abfallentsorgung bei der Firma Tirme, Spanien 242 4 Richtlinien und Normen in der Membrantechnik 245 5 Zusammenfassung und Ausblick 249 6 Literaturverzeichnis 253 A Anhang 263 A.1 Adressen (genannt in den Praxisbeispielen) 264 A.1.1 Standorte der Membrananlagen in Deutschland 264 A.1.2 Anlagenplaner, Anlagenbauer, Membranhersteller, Beratende Ingenieure 268 A.1.3 Wissenschaftliche Begleitung bei der Erstellung dieser Publikation 272 A.1.4 Weitere Institutionen und Personen, die zu den Inhalten beigetragen haben 274 A.1.5 Weitere Informationsquellen zum Thema Membrantechnik 275 Fördermöglichkeiten 276 Förderprogramme und Förderberatung des Bundes 276 A.2.2 Förderprogramme der Bundesländer 277 A.2.3 Förderprogramme der EU für den Bereich Umweltschutz bzw. den Bereich Wasserwirtschaft 282 A.3 Kurzchecklisten zu Abbildung 2-1 284 A.4 Kurzchecklisten zu Abbildung 3-1 286 A.2 A.2.1 A.5 Arbeitsbericht der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe IG-5.5 „Membrantechnik“: Aufbereitung von Industrieabwasser und Prozesswasser mit Membranverfahren und Membranbelebungsverfahren 288 Teil I Membranverfahren 288 A.5.1 Einleitung 288 A.5.2 Bestimmung des Membranverfahrens 291 A.5.2.1 Bestimmung der erforderlichen Trenngrenzen 291 A.5.2.2 Bestimmung des Membranmaterials 291 A.5.2.3 Bestimmung des Membranmoduls 293 A.5.2.4 Bestimmung der Betriebsweise von Membrananlagen 295 A.5.3 Einsatzbeispiele 296 A.5.4 Projektierung von Membrananlagen 296 A.5.4.1 Grundlagenermittlung 296 A.5.4.2 Projektierung und Bemessung 296 A.5.4.2.1 Vorversuche im Labormaßstab 296 A.5.4.2.2 Pilotversuche vor Ort 297 A.5.4.2.3 Anlagenplanung 298 Bewertungskriterien zur Auswahl einer Membrananlage 298 A.5.5.1 Technische Bewertung eines Membranverfahrens hinsichtlich Einsatz und Vollständigkeit 298 A.5.5.1.1 Definition der Aufgabenstellung 298 A.5.5 MF 10 A.5.5.1.2 Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage 298 A.5.5.1.3 Verwendung bzw. Entsorgung der entstehenden Produkte 299 A.5.5.1.4 Vorreinigung 299 Mikrofiltration UF Ultrafiltration NF Nanofiltration UO Umkehrosmose Inhaltsverzeichnis A.5.5.1.5 Technische Ausführung 299 A.5.5.1.6 Redundanzen 299 A.5.5.1.7 Referenzen/Ähnliche Anwendungen 299 A.5.5.2 Betriebskosten 299 A.5.5.2.1 Betriebsmittel 299 A.5.5.2.2 Betriebshilfsmittel 300 A.5.5.2.3 Personalkosten 300 A.5.5.2.4 Lebensdauer und Membranersatz 300 A.5.5.3 Änderungen der Bedingungen bei Betrieb der Anlage 300 A.5.5.4 Sonstige Punkte 300 A.5.5.4.1 Störungen 300 A.5.5.4.2 Vorversuche 301 Fragebogen Prozessdatenerhebung 301 A.5.6.1 Beschreibung der Trennaufgabe, die mit einem Membranverfahren gelöst werden soll 301 A.5.6.2 Zur Bewertung bzw. zur Integration eines Membranverfahrens in ein A.5.6 Gesamtbehandlungskonzept 301 A.5.6.3 Fragen zur Anlagenauslegung 301 A.5.6.4 Anforderungen an Ausführung und Bau der Membrananlage 301 Teil II Aerobe Membranbelebungsverfahren 302 A.5.7 Allgemeines 302 A.5.8 Konstruktiver Aufbau 302 A.5.8.1 Anordnung 302 A.5.8.1.1 Getauchte Membranmodule 303 A.5.8.1.2 Trocken aufgestellte Membranmodule 303 A.5.8.2 Deckschichtkontrolle 303 A.5.8.2.1 Deckschichtkontrolle bei getauchten Systemen 303 A.5.8.2.2 Deckschichtkontrolle bei trocken aufgestellten Systemen 304 A.5.8.2.3 Generell 304 A.5.8.3 Reinigungsstrategien 304 Anforderungen an den Zulauf 307 A.5.9.1 Allgemeines 307 A.5.9.2 Mechanische Vorbehandlung 307 A.5.9.3 Misch- und Ausgleichsbecken 307 A.5.9.4 Calcium-Gehalt 307 A.5.9.5 Eisen- und Aluminiumgehalt 308 Bemessungshinweise für Membranbelebungsanlagen 308 A.5.10.1 Allgemeines 308 A.5.10.2 Flächenbedarf 308 A.5.10.3 Eliminationsraten 309 A.5.10.4 Belüftung 309 A.5.10.5 Hydraulik 310 A.5.10.5.1 Flexibilität 310 A.5.10.5.2 Rezirkulation 310 A.5.10.6 Temperatureinfluss 310 Besonderheiten von Membranbelebungsanlagen 311 Schlammeigenschaften 311 A.5.9 A.5.10 A.5.11 A.5.11.1 11 1 1 Einleitung A.5.11.1.1 Schlammcharakterisierung 311 A.5.11.1.2 Rheologische Eigenschaften 311 A.5.11.1.3 Überschussschlammproduktion 312 A.5.11.1.4 Schlammbehandlung 312 A.5.11.1.5 Schaumbildung 312 Wirtschaftlichkeit 313 A.5.12.1 Definition der Wirtschaftlichkeit 313 A.5.12.2 Investition/Kapitalkosten 313 A.5.12.3 Betriebskosten 314 A.5.12.4 Kostenrelevante Faktoren im Vergleich 314 Beispiele im Bereich Industrieabwasser (Europa) 315 Literaturverzeichnis 316 A.5.12 A.5.13 A.5.14 A.6 2. Arbeitsbericht des DWA Fachausschusses KA-7 „Membranbelebungsverfahren“ vom 19.01.2005 318 A.6.1 Einführung 318 A.6.2 Beschreibung des Membranbelebungsverfahrens 319 A.6.3 Hinweise zur Planung und Bemessung 323 A.6.4 Schlammbehandlung 327 A.6.5 Chemische Reinigung der Membranmodule 329 A.6.6 Energiebedarf 330 A.6.7 Ertüchtigung bestehender kommunaler Kläranlagen 332 A.6.8 Hinweise zur Inbetriebnahme 333 A.6.9 Kosten 334 A.6.10 Jahreskosten 337 A.6.10.1 Kapitaldienst und Membranersatz 337 A.6.10.2 Betriebskosten 337 Schlussbemerkung 337 A.6.11 A.6.12 Vorteile und Risiken des Membranbelebungsverfahrens 338 Allgemeines 338 A.6.13 Glossar 338 A.6.14 Literaturverzeichnis 342 A.6.12.1 12 A.7 Großtechnisch realisierte Membrananlagen zur Trinwasseraufbereitung (in D) 344 A.8 Glossar 345 A.9 Abkürzungsverzeichnis 347 Abbildungsverzeichnis 1 Grundlagen der Membrantechnik 25 Abb. 1-1 Funktionsweise von Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen 26 Abb. 1-2 Darstellung der unterschiedlichen Einsatzbereiche von Membranverfahren 27 Abb. 1-3 Größe typischer Abwasserinhaltsstoffe und Porengröße eingesetzter Membranen 28 Abb. 1-4 Idealisierte Darstellung einer Poren- und einer Lösungs-Diffusions-Membran [nach MELIN 1999] 29 Abb. 1-5 Klassifizierung von Membranen [nach RAUTENBACH 1997] 33 Abb. 1-6 REM-Aufnahmen von Schnitten verschiedener Membranen 35 Abb. 1-7 Draufsicht auf die aktive Schicht einer Polyethylen-Membran (MF/UF) [AGGERVERBAND 2002] 35 Abb. 1-8 Draufsicht auf die Bruchkante einer Polyethylen-Membran (MF/UF), sichtbar ist die aktive Schicht [AGGERVERBAND 2002] 35 Abb. 1-9 Membran- und Modulformen 36 Abb. 1-10 Rohrmodule [Foto: WEHRLE WERK AG] 38 Abb. 1-11 Kapillar- bzw. Hohlfasermodule [Foto: KOCH MEMBRANE SYSTEMS] 39 Abb. 1-12 Wickelmodule Prinzipskizze [N.N. 2001], [Foto: NADIR FILTRATION GMBH] 40 Abb. 1-13 Kissenmodul, [Prinzipskizze und Foto: ROCHEM UF SYSTEME GMBH] 41 Abb. 1-14 Rohr-Scheiben-Modul (DT-Modul) [PALL 2001] 42 Abb. 1-15 Neuartige Multibore-Kapillaren der Firma inge AG [Foto: INGE AG] 43 Abb. 1-16 Vom Membranelement zur Membranstufe 44 Abb. 1-17 Reihenschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] 44 Abb. 1-18 Parallelschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] 45 Abb. 1-19 Anordnung von mehreren Modulen nach der Tannenbaumstruktur [nach RAUTENBACH 1997] 45 Abb. 1-20 Schematische Darstellung einer Membran bei der Crossflow- bzw. Dead-End-Filtration [nach MELIN 1999] 47 Abb. 1-21 Filtrationsintervalle im Dead-End-Betrieb [nach RAUTENBACH 1997] 47 Abb. 1-22 Schematische Übersicht der Filtrationswiderstände auf der Membranoberfläche und in der Membran [KRAMER, KOPPERS 2000] 49 Abb. 1-23 Auswirkung der Membranreinigung auf den Fluss bei konstantem Druck 51 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 59 Abb. 2-1 Anlass - Planung - Betrieb einer kommunalen Membranbelebungsanlage, Inhalte im Kapitel „Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung“ Abb. 2-2 Konventionelle Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren und Anordnungsmöglichkeiten einer Membranstufe bei kommunalen Abwasserreinigungsanlagen [OHLE 2001] Abb. 2-3 61 62 Verfahrensschema einer Kläranlage mit Membranbelebungsverfahren und nachgeschalteter Membranstufe 63 Abb. 2-4 Vergleich der Keimbelastung im Ablauf von Kläranlagen [BAUMGARTEN, BRANDS 2002] 66 Abb. 2-5 Schematische Darstellung des Flächenbedarfs einer konventionellen Belebungsanlage und einer Membranbelebungsanlage am Beispiel der KA Kaarst [ERFTVERBAND 2002] 67 Abb. 2-6 ZeeWeed TM-Modul der Firma ZENON 68 TM- Abb. 2-7 Anordnung mehrerer ZeeWeed Abb. 2-8 Plattenmodul der Firma Kubota Module ZW 1000 in einer Kassette [Foto: ZENON] 69 Abb. 2-9 Anordnung der Plattenmodule der Firma Kubota als „Doppeldecker“ [AGGERWASSER GMBH 2004] 70 Abb. 2-10 PURON Modul und Modulbaustein [Foto: PURON] 71 Abb. 2-11 Membranmodul der Martin Systems AG [Foto: MARTIN SYSTEMS AG] 72 Abb. 2-12 Huber VRM ®-Verfahren [Fotos: HANS HUBER AG, MARTIN SYSTEMS AG] 73 Abb. 2-13 Huber VUM ®-Verfahren [HANS HUBER AG] 74 69 13 1 1 Abbildungsverzeichnis Abb. 2-14 Membranelement und Membranmodul der Fa. Mitsubishi [Foto: ENVICARE®] 74 Abb. 2-15 Plattenmodul der Firma A3 GmbH [Foto: A3 GMBH] 75 Abb. 2-16 Membranmodul der Fa. US Filter Corporation [Foto: US FILTER CORPORATION] 76 Abb. 2-17 Membranmodul der Fa. Keppel Seghers Belgium [Foto: KEPPEL SEGHERS BELGIUM NV] 76 Abb. 2-18 Modulsystem der Weise Water Systems GmbH & Co. KG [WEISE WATER SYSTEMS GMBH & CO. KG] 77 Abb. 2-19 Keramische Plattenmembranen der Firma ItN Nanovation [Foto: ItN NANOVATION] 78 Abb. 2-20 Membranmodul und Konfiguration der Module im Rack mit darunter liegender Belüftungseinrichtung [Fotos: ItN NANOVATION] Abb. 2-21 Prinzipskizze des Rotationsscheibenfilters (RSF) 79 Abb. 2-22 Module des Rotations-Scheibenfilters im Labormaßstab [Foto: FRAUNHOFER IGB] 79 Abb. 2-23 Spezifische Überschussschlammproduktion in Membranbelebungsstufen [ATV-DVWK 2000a] 81 Abb. 2-24 Sauerstoffübergangskoeffizienten (-Werte) der KA Rödingen und Markranstädt bei einer feinblasigen Druckbelüftung [CORNEL ET AL. 2001] Abb. 2-25 84 Prinzipskizze und Ansicht einer Siebanlage für Membranbelebungsanlagen (Kläranlage Markranstädt) [HUBER 2002, STEIN 2002a] Abb. 2-26 85 Energiebedarf einer Membranbelebungsanlage (8.000 E) mit simultaner aerober Schlammstabilisierung [STEIN ET AL. 2001] 89 Abb. 2-27 Entwicklung der Membranersatzkosten [ISA 2002; CHURCHHOUSE, WILDGOOSE 2000] 92 Abb. 2-28 Verfahrensschema der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004] 97 Abb. 2-29 Membrananlage auf der Kläranlage Seelscheid [Fotos: AGGERVERBAND 2004] 97 Abb. 2-30 Bestehende Sandfilterbecken für die geplanten Schulungsanlagen [Foto: AGGERVERBAND 2004] 98 Abb. 2-31 Verfahrensschema der Schulungsanlagen [nach AGGERVERBAND 2004] 98 Abb. 2-32 Ansicht der Pilotanlage Büchel [Foto: AGGERVERBAND] 99 Abb. 2-33 Verfahrensschema der Pilotanlage Büchel [BAUMGARTEN 2001b] 99 Abb. 2-34 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage 101 Abb. 2-35 Verfahrensschema der Kläranlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF] 102 Abb. 2-36 Kläranlage Eitorf mit abgedeckten Membranbecken zwischen den Gebäuden im Vordergrund 103 Abb. 2-37 Membrananlage in Containerbauweise für die Kläranlage Xanten-Vynen [Foto: A3 GMBH] 104 Abb. 2-38 Verfahrensschema der Kläranlage Xanten-Vynen einschließlich der Membranbelebungsanlagen [nach LINEG 2004] 104 Abb. 2-39 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage 105 Abb. 2-40 Verfahrensschema der Kläranlage Kohlfurth [nach WUPPERVERBAND 2004] 107 Abb. 2-41 Verfahrensschema der Kläranlage Dormagen [nach STADT DORMAGEN 2004] 108 Abb. 2-42 Luftbild der Kläranlage Swanage [Foto: AQUATOR GROUP] 109 Abb. 2-43 Verfahrensschema der Schlammbehandlungsanlage Glasgow [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 110 Abb. 2-44 Draufsicht auf die Schlammbehandlungsanlage (STP) Glasgow und auf ein Becken der Membranstufe [Foto: AGGERWASSER GMBH 2001] 111 Abb. 2-45 Ebisu Prime Square Building [Foto: AGGERWASSER GMBH 2004] 112 Abb. 2-46 Abwasserreinigungsanlage im Keller des Ebisu Prime Square Building [Foto: AGGERWASSER GMBH 2004] 14 78 112 Abb. 2-47 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 112 Abb. 2-48 Verfahrensschema der Kläranlage St. Peter ob Judenburg [nach ENVICARE] 113 Abb. 2-49 Kläranlage St. Peter ob Judenburg [Fotos: ENVICARE] 114 Abb. 2-50 Siebtrommel der Feinrechenanlage auf der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 115 Abb. 2-51 Verfahrensschema der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 115 Abb. 2-52 Membranbelebungsbecken auf der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] 116 Abbildungsverzeichnis Abb. 2-53 Abb. 2-54 Kläranlage Monheim [Foto: BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] 117 Verfahrensschema der Kläranlage Monheim [nach BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] 117 Abb. 2-55 Modulkassetten bei der on-air-Reinigung [Foto: STADT MONHEIM 2004] 118 Abb. 2-56 Verfahrensstufen auf der KA Makranstädt [STEIN 2002a] 119 Abb. 2-57 Verfahrensstufen der Kläranlage Makranstädt [STEIN 2002a] 120 Abb. 2-58 Fließschema der KA Rödingen 122 ZeeWeed®-Kassetten Abb. 2-59 Blick in die zwei Filtrationsstraßen beim Einbau der Abb. 2-60 Kläranlage Schramberg [Foto: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] Abb. 2-61 Verfahrensschema der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [Foto: ERFTVERBAND] 123 [nach STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] Abb. 2-62 122 124 Membrananlage auf der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [Fotos: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] 124 Abb. 2-63 Verfahrensschema der Demonstrationsanlage Simmerath [nach WVER 2004] 126 Abb. 2-64 Membrananlage auf der Kläranlage Simmerath [Fotos: PURON AG 2003] 127 Abb. 2-65 Verfahrensschema der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [nach STADT ST. WENDEL] 128 Abb. 2-66 Modulrack auf der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [Fotos: ItN NANOVATION] 129 Abb. 2-67 Verfahrensschema der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] 130 Abb. 2-68 Luftbild und Fließbild der Kläranlage Lowestoft [ZENON 2002] 131 Abb. 2-69 Fotos der Pilotanlagen und Membranmodule auf dem Testfeld der Kläranlage Beverwijk [DHV 2004] 133 Abb. 2-70 Verfahrensschema der Kläranlage Varsseveld [nach DHV 2004] 134 Abb. 2-71 Verfahrensschema der Kläranlage Brescia [nach ZENON GMBH 2004] 135 Abb. 2-72 Luftaufnahme der Kläranlage Brescia [Foto: ZENON GMBH 2004] 136 Abb. 2-73 Ansicht und Fließbild der Membranbelebungsanlage nach dem ZenoGem®-Verfahren auf dem Säntis [ZENON 2002], Lage der Membranbelebungsanlage auf dem Säntis und Ansicht der Module [ZENON 2002] 137 Abb. 2-74 Ansicht der Busse-MF-Kleinkläranlage (vormals BioMIR® [BUSSE 2002]) 138 Abb. 2-75 Schematische Darstellung einer Busse-MF-Anlage [BUSSE 2002] 139 Abb. 2-76 Schema der UltraSept-Anlage der Fa. Mall [MALL 2002] 140 Abb. 2-77 Grauwasseraufbereitung bei der KfW 141 Abb. 2-78 Membrananlage zur Brauchwasseraufbereitung im Keller der KfW [WEISE WATER SYSTEMS GMBH] 142 Abb. 2-79 Einbauskizze einer Membrankleinkläranlage in eine Mehrkammergrube [HUBER AG 2004] 143 Abb. 2-80 MembraneClearBox®-Kleinkläranlage der Huber AG [Fotos: HUBER AG 2004] 143 Abb. 2-81 Transport der Containeranlage auf einem Einsatzfahrzeug und Schema der Containeranlage [A3 GMBH 2004] Abb. 2-82 Ansicht einer 144 MEMROD ® Schiffskläranlage nach dem Membranbelebungsverfahren für 250 Personen [VA TECH WABAG 2002] Pleiade ® 146 Abb. 2-83 Ultrafiltrationsmodul Abb. 2-84 Foto der Queen Mary 2 zur Abwasserreinigung auf der Queen Mary 2 [Foto: ORELIS SA 2004] 147 Abb. 2-85 Verfahrensschema der Abwasserreinigungsanlage auf der Queen Mary 2 [nach ORELIS SA 2004] 147 Abb. 2-86 Verfahrensschema der Abwasserreinigung nach der Two-Stream-Lösung [nach ROCHEM UF 2004] 148 3 Abb. 2-87 Membran-Bioreaktor BioFilt mit drei Straßen à 4,5 m /d Permeat [ROCHEM UF 2004] Abb. 2-88 Niederdruck-Umkehrosmose für die Grauwasser-Aufbereitung für 600 m3/d Permeat 146 149 [Foto: ROCHEM UF 2004] 149 Abb. 2-89 Verfahrensschema der Kläranlage Geiselbullach [nach AMPERVERBAND 2004] 152 Abb. 2-90 Aufbereitungsanlage auf der Kläranlage Geiselbullach [Fotos: AMPERVERBAND 2002] 153 15 1 1 Abbildungsverzeichnis Abb. 2-91 Verfahrensschema der Kläranlage Merklingen [nach RP TÜBINGEN 2004] 153 Abb. 2-92 Druckrohre der Ultrafiltrationsanlage auf der Kläranlage Merklingen [RP TÜBINGEN 2004] 154 Abb. 2-93 Verfahrensschema der Kläranlage Hailfingen [nach ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] Abb. 2-94 Abb. 2-95 Abb. 2-96 [Fotos: ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] 156 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage in Torreele [nach ZENON GMBH 2004] 158 Verfahrensschema der Ultrafiltrationsanlage zur Brauchwasseraufbereitung in Katowice [nach ZENON GMBH 2004] 159 Abb. 2-97 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage Bedok [nach ZENON GMBH 2004] 160 Abb. 2-98 Gesamtansicht der Aufbereitungsanlage Bedok [Foto: ZENON GMBH 2004] 161 Abb. 2-99 Ultrafiltrationsanlage der Aufbereitungsanlage Bedok [Foto: ZENON GMBH 2004] 161 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 165 Abb. 3-1 Anlass – Planung – Betrieb einer Membrananlage Übersicht der Inhalte im Kapitel „Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung“ Abb. 3-2 167 Ziele und wirtschaftliche Interessen beim Einsatz einer Membrananlage in der Industrieabwasserreinigung 168 Abb. 3-3 Vorgehensweise bei der Planung einer Anlage zur Industrieabwasserreinigung 171 Abb. 3-4 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit einer Membrananlage 173 Abb. 3-5 Fließschema der Kartoffelstärkeproduktion 178 Abb. 3-6 Fließschema zur Aufbereitung von Prozess- und Kartoffelfruchtwasser bei der Emsland Stärke GmbH [nach LOTZ 2000] 179 Abb. 3-7 Umkehrosmoseanlage bei der Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG, Gernsheim [LINDEMANN 2001] 181 Abb. 3-8 Verfahrensskizze der Abwasseraufbereitung bei BEECK Feinkost GmbH Abb. 3-9 Abb. 3-10 [nach KOCH-GLITSCH GMBH 2001] 182 Ultrafiltrationsanlage in der Grafischen Handelsvertretung Peter Leis [LEIS IN EFA 2000] 184 Nanofiltrationsanlage in der Papierfabrik Palm, Werk Eltmann [SCHIRM 2001] und Teilausschnitt der Rohrmodul-Anordnung in einer Feed-and-Bleed-Struktur [nach SCHIRM 2001] Abb. 3-11 186 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungs- und -aufbereitungsanlage bei Drews Meerane GmbH [nach ZENON GMBH 2004] 16 156 Membrananlage auf der Kläranlage Hailfingen im Bau 188 Abb. 3-12 Umbau der Abwasserreinigungsanlage bei PONGS Textil GmbH [Foto: A3 GMBH 2000] 189 Abb. 3-13 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei der Fa. PONGS [nach A3 GMBH 2004] 190 Abb. 3-14 Ultrafiltrationsanlage im Textilveredlungsbetrieb van Clewe [BÖTTGER 2001] 192 Abb. 3-15 Verfahrensfließbild der Prozesswasseraufbereitung in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [AMAFILTER 2001] 193 Abb. 3-16 Umkehrosmoseanlage in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [Foto: AMAFILTER] 194 Abb. 3-17 Ultrafiltrationsanlage bei der HT Troplast AG [Foto: HT TROPLAST] 195 Abb. 3-18 Verfahrensschema der Abwasserbehandlung in der Wäscherei ALSCO [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 197 Abb. 3-19 Membrananlage in der Wäscherei ALSCO [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 198 Abb. 3-20 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage der Textilservice Mewa GmbH [nach ENVIRO CHEMIE 2004] 199 Abb. 3-21 Ultrafiltrationsanlage in der Textilservice Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] Abb. 3-22 Nanofiltrationsanlage in der Textilservice Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] 200 Abb. 3-23 Ultrafiltrationsanlage im Unternehmen Rasselstein Hoesch [Foto: MFT GMBH] 202 Abb. 3-24 Ultrafiltrationsanlage in der Fa. Faurecia, Bertrand Faure Sitztechnik GmbH & Co. KG [KASTEN 2001] 203 200 Abbildungsverzeichnis Abb. 3-25 Funktionsweise der Membran-Elektrolyse [SCHMIDT 2002] Abb. 3-26 Ultrafiltrationsanlage im Werk Langenberg der Wieland Werke AG [MUNLV 2001] 207 Abb. 3-27 Ultrafiltrationsanlage bei DaimlerChrysler in Düsseldorf [HARMEL 2001] 208 Abb. 3-28 Verfahrensschema der Lackierung [IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] 209 Abb. 3-29 Nanofiltrationsanlage im Ford Werk Köln [Foto: IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] 210 Abb. 3-30 Luftaufnahme der Kläranlage bei der Schering AG [Fotos: SCHERING AG 2004] 211 Abb. 3-31 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der SCHERING AG in Bergkamen Abb. 3-32 Abb. 3-33 [nach SCHERING AG 2004] 212 Membranmodul bei der optischen Überprüfung [Foto: SCHERING AG 2004] 213 Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser ohne Einsatz der Membranverfahren [ROSENWINKEL, BAUMGARTEN 1998] Abb. 3-34 205 214 Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser unter Einsatz der Membranverfahren mit und ohne biologische Vorbehandlung Abb. 3-35 Abb. 3-36 Abb. 3-37 [ergänzt nach ROSENWINKEL, BAUMGARTEN, G. 1998] 214 Umkehrosmoseanlage auf der Deponie Alsdorf-Warden [MAURER 2001] 216 Aufbau der Kompositmembran [MAURER 2001] 217 Verfahrensschema einer Kreislaufanlage zur Reinigung von Abwasser aus der Fischzucht [UMWELTBUNDESAMT 2004] 219 Abb. 3-38 Schema des RÖKU-Verfahrens [nach DPC 1997] 220 Abb. 3-39 Ultrafiltrations-Anlage für das Verfahren RÖKU [Foto: THERM-SERVICE] 221 Abb. 3-40 Verfahrensskizze der Bilgenentölung [nach DEUTSCH 2001] 222 Abb. 3-41 Wasserkreislaufführung und Aufbereitung im Aquana Freizeitbad [nach DEGEBRAN ® ] 224 Abb. 3-42 Wasseraufbereitung im Freizeitbad Copa Ca Backum [nach L. V. H. T. 2001] 226 Abb. 3-43 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Kellogg Company in Manchester [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Abb. 3-44 229 Cross-Flow-Ultrafiltration bei der Kellogg Company in Manchester [Foto: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 229 Abb. 3-45 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei Raisio Chemicals [nach HUBER AG 2004] 230 Abb. 3-46 Huber VRM®-Verfahren (rotierende Module) [Fotos: HUBER AG 2004] 230 Abb. 3-47 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei Dairygold Food Products, Irland [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Abb. 3-48 Gesamtanlage bei Dairygold Food Products mit der Membrananlage im Vordergrund [WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Abb. 3-49 232 232 Verfahrensschema der Abwasserbehandlung bei Diary Crest, Großbritannien [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 233 Abb. 3-50 Luftaufnahme der Mälzerei Sobelgra im Antwerpener Hafen [Foto: PURON AG] 235 Abb. 3-51 Verfahrensschema der Werkskläranlage der Fa. Sobelgra [nach PURON AG] 236 Abb. 3-52 Schema der Membranbelebungsanlage und Membranmodule [Foto: PURON AG] 236 Abb. 3-53 Umkehrosmoseanlage in der Wäscherei Massop, Kerkrade [ROTH 2001] 237 Abb. 3-54 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage in Barcelona [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 239 Abb. 3-55 Membranbelebungsanlage und Membranmodule während der Bauphase bei der Fa. Sandoz in Spanien [Fotos: AGGERWASSER GMBH 2004] Abb. 3-56 Abb. 3-57 239 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei SARIA Bio-Industries in Bayet [nach ZENON GMBH 2004] 241 Gesamtansicht der Membranbelebungsanlage der TBA in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004] 241 17 1 1 Abbildungsverzeichnis Abb. 3-58 Container mit eingebauten Modulen bei SARIA Bio-Industries in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004] Abb. 3-59 [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 343 Abb. 3-60 Abwasserreinigungsanlage bei der Firma Tirme [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] 343 A Anhang 263 Abb. A-1 Schematische Darstellung des Grundprinzips eines Membranverfahrens 289 Abb. A-2 Zuordnung der Membran- und Filtrationsverfahren 289 Abb. A-3 Querschnitt durch eine Phaseninversionsmembran am Beispiel einer UF-Hohlfasermembran 292 Abb. A-4 Kompositmembran 292 Abb. A-5 Stirnseitige Ansicht eines Rohrmoduls mit 5,5 mm – Rohrmembranen [Foto: X-FLOW] 294 Abb. A-6 Abbildung eines Kissenmoduls [TYP ROCHEM FM] 294 Abb. A-7 Prinzipieller Aufbau eines Spiral-Wickelmoduls 295 Abb. A-8 Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage 298 Abb. A-9 Schematischer Vergleich des konventionellen Belebungsverfahrens mit dem Membranbelebungsverfahren 302 Abb. A-10 Anordnung der getauchten Membranmodule im aeroben Teil des Belebungsbeckens 303 Abb. A-11 Anordnung der getauchten Membranmodule in einem externen Filtrationsbecken 303 Abb. A-12 Anordnung der trocken aufgestellten Membranmodule 303 Abb. A-13 Qualitativer Zusammenhang zwischen erforderlicher Membranfläche, Energiebedarf und Fluss 304 Abb. A-14 Trocken aufgestellte Membranfiltration 319 Abb. A-15 Einbaumöglichkeiten einer getauchten Membranfiltration 320 Abb. A-16 Beispielhafte schematische Darstellung verschiedener Module 321 Abb. A-17 Übliche Betriebsweisen der Membranmodule 322 Abb. A-18 Einfluss der Feststoffkonzentrationen auf den -Wert für feinblasige Druckbelüftungsanlagen 326 Abb. A-19 Spezifischer Energieverbrauch der KA Markranstädt [STEIN, KERKLIES 2003] 331 Abb. A-20 Spezifischer Energieverbrauch der KA Monheim [WEDI 2003] 332 Abb. A-21 Beispiel einer Aufteilung von Errichtungskosten einer Membranbelebungsanlage für ca. 300 m3/h [WEDI 2003] Abb. A-22 335 Orientierende Netto-Kostenrichtwerte für die betriebsfertige Membranfiltrationsanlage ohne baulichen Teil [WEDI 2003] 18 241 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Firma TIRME, Spanien 336 Tabellenverzeichnis 1 Grundlagen der Membrantechnik 25 Tab. 1-1 Druckgetriebene Membranverfahren in der Abwasserreinigung 29 Tab. 1-2 Typische Kennzeichen der Mikro- und Ultrafiltration 30 Tab. 1-3 Typische Kennzeichen der Nanofiltration 31 Tab. 1-4 Typische Kennzeichen der Umkehrosmose 32 Tab. 1-5 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit rohrförmigen Membranen 37 Tab. 1-6 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit flachen Membranen 37 Tab. 1-7 Deckschichtbildung bei der Membranfiltration [nach BAUMGARTEN 1998] 49 Tab. 1-8 Methoden zur Verringerung und Entfernung von Deckschichten 50 Tab. 1-9 Beispiele für Reinigungschemikalien und ihre Anwendungen 52 Tab. 1-10 Trenngrenze und Transmembrandruck von druckgetriebenen Membranverfahren 53 Tab. 1-11 Größenangaben für Bakterien und Viren 54 Tab. 1-12 Molmassen ausgewählter Inhaltsstoffe im häuslichen Schmutzwasser [KOPPE, STOZEK 1999] 55 Tab. 1-13 Molmassen ausgewählter organischer Spurenstoffe, deren Rückhalt durch Nanofiltrationsmembranen zu erwarten ist [MUNLV 2004] 57 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 59 Tab. 2-1 Vorteile des Membranbelebungsverfahrens gegenüber dem konventionellen Belebungsverfahren 64 Tab. 2-2 Leistungsdaten von Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen 2 Tab. 2-3 Tab. 2-4 [DOHMANN ET AL. 2002] 65 Reinigungsverfahren für getauchte Modulsysteme 88 Einsparpotenziale und Mehrkostenbereiche bei den Investitionen von Membranbelebungsanlagen gegenüber konventionellen Belebungsanlagen Tab. 2-5 91 Anlagendaten der bestehenden großtechnischen Membranbelebungsanlagen zur kommunalen Abwasserreinigung in Deutschland (Stand: Dezember 2004) 94 Tab. 2-6 Im Bau befindliche bzw. geplante Membranbelebungsanlagen in Deutschland (Stand: Dezember 2005) 95 Tab. 2-7 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004] Tab. 2-8 96 Eingangswerte für die Bemessung der Membranbelebungsanlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF 2004] 102 Tab. 2-9 Einleitanforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen [nach WVER 2004] 106 Tab. 2-10 Rohwasser- und Permeatqualität [nach AGGERWASSER GMBH 2004] 112 Tab. 2-11 Zulauf- und Ablaufkonzentrationen der Kläranlage 113 Tab. 2-12 Mindestanforderungen und Einleiterlaubnis der Kläranlage Nordkanal [ERFTVERBAND 2004] 114 Tab. 2-13 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Monheim [BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] Tab. 2-14 Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Markranstädt [STEIN 2002a] Tab. 2-15 118 119 Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Rödingen [nach ENGELHARDT ET AL. 2001] 121 Tab. 2-16 Einleiterlaubnis für die Kläranlage Simmerath [WVER 2004] 126 Tab. 2-17 Betriebswerte der Membranbelebungsanlage in Simmerath [WVER 2004] 127 Tab. 2-18 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [STADT ST. WENDEL 2005] 128 19 1 1 Tabellenverzeichnis Tab. 2-19 Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] 130 Tab. 2-20 Eckdaten zu den verschiedenen Pilotanlagen [DHV 2004] 132 Tab. 2-21 Rohabwasserkonzentration, Betriebswerte und Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Brescia [ZENON GMBH 2004] Tab. 2-22 Anforderungen an die Ablaufgüte von Kleinkläranlagen und ermittelte Ablaufwerte der Tab. 2-23 Kenndaten verschiedener Membranmodule für die Filtration von Kläranlagenabläufen der Busse-MF-Anlage 136 139 Versuchsanlagen der Berliner Wasserbetriebe und der Anlagen auf den Kläranlagen Geiselbullach, Hailfingen und Merklingen 150 Tab. 2-24 Membrananlagen zur Abwasserhygienisierung in Deutschland 151 Tab. 2-25 Anforderungen an die Ablaufqualität und Betriebswerte der Kläranlage Hailfingen [ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] 155 Tab. 2-26 Abwasserbeschaffenheit im Ablauf der Nachklärung der Kläranlage Wulpen [ZENON GMBH 2004] 157 Tab. 2-27 Abwasserqualität im Zulauf und im Ablauf der Ultrafiltrationsanlage zur Aufbereitung des Ablaufs der Nachklärung der Kläranlage Katowice zu Brauchwasser [ZENON GMBH 2004] 159 Tab. 2-28 Bemessungsergebnisse nach HSG-Ansatz für eine konventionelle Kläranlage mit TS BB = 12 g/l 162 Tab. 2-29 Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Berücksichtigung unterschiedlicher Forderungen zur Auslegung von Membrananlagen 162 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 165 Tab. 3-1 Einsatzziele von Membranverfahren in der Industrieabwasserreinigung 169 Tab. 3-2 Ablauf für die Planung einer Membrananlage [nach THEILEN 2000; PETERS 2001] 172 Tab. 3-3 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung in Deutschland 176 Tab. 3-4 Qualität des Recyclingwassers 2 [ENVIRO CHEMIE 2004] 201 Tab. 3-5 Zulaufkonzentrationen, Einleitungsgrenzwerte und Betriebswerte der Anlage bei der Schering AG [SCHERING AG 2004] Tab. 3-6 A Tab. A-1 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung außerhalb Deutschlands 227 Anhang 263 Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ 278 Tab. A-2 Membranverfahren und deren Einsatzbereiche 291 Tab. A-3 Übersicht der gängigsten Membranmaterialien für die verschiedenen Membranverfahren 293 Tab. A-4 Eigenschaften und Anwendungsgebiete verschiedener Modulformen 294 Tab. A-5 Membrananlagen in der westeuropäischen Industrie 315 Tab. A-6 Kenndaten ausgelegter Membranbelebungsanlagen [WEDI 2002a] 325 Tab. A-7 Untersuchungen zur Entwässerbarkeit von Überschussschlämmen (ÜS) auf einer großtechnischen Tab. A-8 20 212 Zentrifuge 328 Beispielhafte Darstellung membrantypischer Jahreskostenanteile 337 Einführung Was ist Membrantechnik? gewählt werden. Bei komplexeren Aufgabenstellungen können auch Kombinationen mit anderen Verfahren, z. B. Die Membrantechnik ist ein physikalisches Verfahren zur biologischen oder chemischen, oder die Kombination aus Trennung von Stoffgemischen, bei dem die eingesetzten zwei Membranverfahren zur Anwendung kommen. Membranen ähnlich wie ein Filter funktionieren. Die abgetrennten Stoffe werden dabei weder thermisch noch Membranverfahren in der Abwasserreinigung chemisch oder biologisch verändert. In der Abwasserreinigung wird die Membrantechnik auch in Kombination Membranverfahren stellen heute für viele Bereiche in der mit weiteren, z. B. biologischen Reinigungsverfahren, ein- Abwasserreinigung aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit gesetzt. und der Möglichkeit, Kosten zu sparen, eine bewährte Alternative zu klassischen Verfahren dar. Einsatzgebiete Die hohe Reinigungsleistung von Membranverfahren, insDie Membrantechnik findet weltweit ein immer breiteres besondere die Kombination einer Belebungsstufe mit Anwendungsfeld. Während ihre Anfänge im Bereich der einer nachgeschalteten Mikro- oder Ultrafiltrationsanlage, Wasseraufbereitung in der Meer- und Brackwasserentsal- ermöglicht es, die Anforderungen an eine weitergehende zung in ariden Klimazonen lagen, wird sie seit Jahrzehn- Abwasserreinigung zum Schutz der Gewässer und der Res- ten auch zur Trennung von hochwertigen Stoffen aus klei- source Grundwasser zu erreichen. Dies ist anderenfalls oft nen Volumenströmen eingesetzt, z. B. in der Biotechnolo- nur durch eine Kombination verschiedener alternativer gie und der pharmazeutischen und chemischen Industrie, Verfahrensstufen (z. B. Belebungsstufe, konventionelle Fil- der Metall verarbeitenden Industrie und in der Nahrungs- tration, Desinfektion) realisierbar. Fallweise können bei mittel- und Getränkeindustrie. Einsatz der Membrantechnik gleichzeitig Ver- und Entsorgungs- sowie Produktionskosten reduziert werden. Daneben konnte sich die Membrantechnik zur Reinigung hochbelasteter industrieller Abwässer als leistungsfähiges Ziele in der Abwasserreinigung und wirtschaftliches Verfahren durchsetzen. Seit etwa zehn Jahren wird die Membrantechnik auch für vergleichs- In der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung weise gering belastete und große Volumenströme sowohl dienen Membranverfahren vorrangig folgenden Zielen: in der Trinkwasseraufbereitung als auch der kommunalen Abwasserreinigung (Membranbelebungsverfahren) erprobt und eingesetzt. • Rückhalt (z. B. von Feststoffen inklusive Biomasse, von Störstoffen, von gelösten Stoffen durch Umkehrosmose) Membranverfahren werden in der Trinkwasseraufbereitung • Reinigung zur Verbesserung des Partikelrückhalts und zur Entfernung (z. B. zur Brauchwasseraufbereitung, zur Entkeimung von Mikroorganismen eingesetzt. Überwiegend wird das durch Bakterienrückhalt) Verfahren der Ultrafiltration eingesetzt, welches neben Keimen auch Viren sicher zurückhält. Membranverfahren für die Trinkwasseraufbereitung werden hier nicht näher • Aufkonzentration (z. B. zur Wertstoffrückgewinnung) • Fraktionierung behandelt. Bestehende Anlagen zur Aufbereitung mit (z. B. zur Auftrennung in zwei oder mehrere Kompo- Membrantechnik sind im Anhang A7 zusammengestellt. nenten) Die Membranverfahren werden je nach Größe bzw. Molmasse der abgetrennbaren Stoffe in Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofiltration und Umkehrosmose eingeteilt. Durch die unterschiedlichen Trenngrenzen kann für verschiedenste Aufgabenstellungen ein geeignetes Verfahren 21 Einführung Vorteile der Membrantechnik in der Auch unter wirtschaftlichen Aspekten werden Membran- Abwasserreinigung verfahren im Vergleich zu anderen Abwasserbehandlungsbzw. -aufbereitungsverfahren immer interessanter, da die Die Entwicklung des Membranbelebungsverfahrens mit Wasser- und Abwasserkosten im Allgemeinen steigen und getauchten Membranen kann sowohl zur industriellen die spezifischen Membranpreise fallen. als auch zur kommunalen Abwasserreinigung eingesetzt werden und hat viele Vorteile im Vergleich zu konventio- Vor dem Hintergrund möglicher steigender Anforderun- nellen Verfahren der Abwasserreinigung (Belebungsstufe, gen an die Abwasserreinigung steigt die Attraktivität des Nachklärung, Filtration, Desinfektion), die sich auch wirt- Membranbelebungsverfahrens (Mikro- oder Ultrafiltration) schaftlich auswirken: in Kombination mit einer nachgeschalteten Nanofiltrations- bzw. Umkehrosmoseanlage. Das hohe erreichbare • Die Einsparung der Verfahrensstufen Nachklärung, Sandfiltration, UV-Desinfektion. • Die sehr kompakte Bauform. Das notwendige Volumen Schlammalter und die nachgeschaltete Membranstufe ermöglichen auch die Elimination organischer Spurenstoffe. für die biologische Stufe beträgt im Vergleich zum Belebungsverfahren nur etwa 30 %. Aufbau und Inhalte dieser Publikation • Die höhere Reinigungsleistung durch den vollständigen Rückhalt von Partikeln und Bakterien und je nach Die vorliegende Publikation gibt einen Überblick über den Membranverfahren auch Viren. gegenwärtigen Einsatz von Membranverfahren in der kom- • Die verbesserte Elimination von organischen Spuren- munalen und industriellen Abwasserreinigung, insbeson- stoffen durch ein hohes Schlammalter und die Etablie- dere in Deutschland. Die Entwicklung dauert jedoch an, rung spezieller Mikroorganismen. wobei sich die Anwendungsmöglichkeiten fortlaufend • Die Möglichkeit, eine weitere Membranstufe als Nano- erweitern. filtrations- oder Umkehrosmoseanlage nachzuschalten, um organische Spurenstoffe und ggf. auch gelöste Stoffe Mit dieser Veröffentlichung werden sowohl die Fachkraft zurückzuhalten. als auch der Fachlaie angesprochen. Es handelt sich weniger um ein umfassendes Lehr- und Handbuch oder ein Perspektiven Regelwerk zur Lösung aller Fragen bezüglich Auslegung, Bau und Betrieb einer Membrananlage als vielmehr um Die Entwicklung und Anwendung der Membrantechnik ein Instrument, welches den Leser für diese Fragen sensi- im Bereich der Wasser- und Abwasseraufbereitung wird bilisiert und Lösungsansätze aufzeigt. Der Bezug zur Praxis sich in den nächsten Jahren fortsetzen. Es wird progno- und die Relevanz der Membrantechnik für die Abwasser- stiziert, dass der Einsatz von Membranverfahren im Be- reinigung werden durch die beschriebenen Beispielanlagen reich der Abwasserreinigung weltweit um ca. 10 – 15 % für die kommunale und industrielle Abwasserreinigung und in der Trinkwasseraufbereitung um ca. 20 % jährlich in Deutschland und außerhalb Deutschlands deutlich. (inkl. Meerwasserentsalzung) steigt (in Deutschland Die Standorte der in dieser Publikation beschriebenen bestehende Anlagen zur Trinkwasseraufbereitung sind in Anlagen sind in der folgenden Abbildung eingetragen. Anlage 7 zusammengestellt). Durch die fortlaufende Entwicklung von Membranmaterialien und Modulkonstruktionen sowie von Prozessgestaltung und Verfahrenstechnik werden immer neue Anwendungsgebiete erschlossen. 22 Einführung Standorte der Abwasserreinigungsanlagen mit Membrantechnik in Deutschland, die in dieser Publikation beschrieben sind ! kommunale Anlagen mit Mikrofiltration Industrieanlagen mit Umkehrosmose ! kommunale Anlagen mit Ultrafiltration oder der Kombination UF/UO Industrieanlagen mit Mikrofiltration Industrieanlagen mit der Kombination Industrieanlagen mit Ultrafiltration UF/NF Industrieanlagen mit Nanofiltration Industrieanlagen mit der Kombination MF/UF/NF/UO 23 Einführung Die vorliegende Publikation ist inhaltlich in mehrere Teilkapitel gegliedert, die jeweils eine abgeschlossene Einheit darstellen. Sie können daher unabhängig voneinander gelesen werden und ermöglichen dem Leser, sich entsprechend seines Interessensschwerpunkts zu orientieren. Die folgende Übersicht fasst die Inhalte der einzelnen Kapitel kurz zusammen und weist dem Leser den Weg durch diese Publikation. Aufbau und Inhalte dieser Publikation Einführung Kapitel 1: Grundlagen Membrantechnik in der Abwasserreinigung Kapitel 2: Kommunale Abwasserreinigung Kapitel 3: Industrielle Abwasserreinigung Kapitel 4: Richtlinien und Normen Anhang: Kontakte, Fördermöglichkeiten 24 Grundlagen der Membrantechnik 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.1 reinigung die aufbereitete Phase dar. Der durch die Mem- Grundlagen der Stofftrennung mittels bran zurückgehaltene Anteil ist das Retentat bzw. Kon- Membrantechnik zentrat. Die Stofftrennung mittels Membrantechnik ist ein physika- Die treibende Kraft für den Trennprozess ist die Druckdif- lisches Trennverfahren. Im Vergleich zu anderen Separa- ferenz zwischen Feed- und Permeatseite, die sogenannte tionstechniken hat diese Technik den Vorteil, dass die ab- transmembrane Druckdifferenz bzw. der Transmem- getrennten Stoffe weder thermisch noch chemisch oder brandruck. Dieser wird durch einen feedseitigen Überdruck biologisch verändert werden. Die Anwendungsgebiete von oder einen permeatseitigen Unterdruck aufgebracht. Je Membranverfahren reichen von der einfachen Feststofffil- nach eingesetzter Membran liegt der Transmembrandruck tration, wie z. B. der Abtrennung von belebtem Schlamm zwischen 0,1 bar und 70 bar, in Sonderfällen beträgt er bei der kommunalen Abwasserbehandlung, bis zur Abtren- bis zu 120 bar. nung von Stoffen im molekularen Bereich, wie z. B. dem Rückhalt von gelösten Salzen bei der Meerwasserentsalzung. Von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit eines Membranprozesses sind die Eigenschaften Selekti- Das Funktionsprinzip einer Membran kann im weitesten vität und Leistungsfähigkeit. Die Selektivität beschreibt Sinne wie das eines Filters beschrieben werden. Wie Ab- die Fähigkeit einer Membran, zwischen den Komponen- bildung 1-1 beispielhaft zeigt, wird ein zu trennendes ten einer Mischung zu unterscheiden und somit die eine Stoffgemisch, genannt Feed bzw. Rohlösung (z. B. Rohab- Phase von der anderen zu trennen. Unter der Leistungs- wasser) durch die Membran selektiert. Der Teil, welcher fähigkeit einer Membran ist der Fluss unter bestimmten die Membran nahezu ungehindert passiert, wird als Per- Betriebsbedingungen zu verstehen. Der Fluss ist als der meat bzw. Filtrat bezeichnet und stellt in der Abwasser- auf die Fläche bezogene Volumenstrom definiert (Einheit: l/(m2 h)). Abb. 1-1 Funktionsweise von Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen Große Partikel Kleine Partikel Rohlösung, Abwasser, Feed Membran 26 Rententat, Konzentrat Permeat, Filtrat Grundlagen der Membrantechnik Die Durchlässigkeit einer Membran wird durch die Kenn- branverfahrens zur Abwasserreinigung insbesondere an, größe Permeabilität beschrieben. Sie ist definiert als wenn eine sinnvolle Integration in den Produktionsprozess der Quotient aus Fluss und zugehörigem Transmembran- möglich ist. Neben der Reinigung des Abwasserstroms wird druck (Einheit: l/(m h bar)). Die Permeabilität einer häufig auch eine Wiederverwendung des Permeats und teil- Membran wird vom Membranzustand und den Filtrations- weise auch des Konzentrats angestrebt, so dass diese dem eigenschaften des Abwassers beeinflusst (siehe Kapitel 1.7). Produktionsprozess erneut zugeführt werden können. 2 Letztere hängen von der stofflichen Zusammensetzung und den Eigenschaften des Abwassergemisches wie z. B. In der kommunalen Abwasserreinigung werden die Mem- Temperatur, Partikelgrößenverteilung und Viskosität ab. branverfahren Mikrofiltration (MF) und Ultrafiltration (UF) eingesetzt. Für die industrielle Abwasserreinigung 1.2 sind neben der MF und UF auch die Nanofiltration (NF) Membranverfahren in der Abwasserreinigung und Umkehrosmose (UO oder RO1) ) von Bedeutung. Diese vier Verfahren werden daher im Folgenden beschrieben. Es gibt verschiedene Membranverfahren, die sich durch ihre Trenngrenze und die aufzuwendende Triebkraft unter- In Abbildung 1-2 ist die Größenordnung der Stoffe ange- scheiden. Der Einsatz eines Verfahrens hängt von der Ab- geben, welche mit den Membranverfahren Mikrofiltra- wasserzusammensetzung und dem Trennziel ab. tion (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (UO bzw. RO) abgetrennt werden können. Das Trennziel in der kommunalen Abwasserreinigung ist vor allem die Abtrennung des gereinigten Abwassers von Die Größe einiger Abwasserinhaltstoffe und die Porenweite der Biomasse, um die Einleiteanforderungen zu erreichen. der eingesetzten Membranen sind in Abbildung 1-3 ver- In einem Industriebetrieb bietet sich der Einsatz eines Mem- anschaulicht. 1) Aus dem Englischen „reverse osmosis“ Abb. 1-2 Darstellung der unterschiedlichen Einsatzbereiche von Membranverfahren Filtration Mikrofiltration Ultrafiltration Nanofiltration 1.000.000 500.000 200.000 100.000 20.000 10.000 Umkehrosmose 200 Molekulargewicht [g/mol] oder [Dalton] keine Skala Organ. Säuren Simazin • Quecksilber • Nonylphenol • Biophenol A • Benzo-a-pyren • EDTA • Diclofenac • Saccharrose • Amoxillin • Poliomyelitis-Virus • Influenza-Virus • Mumps-Virus • Herpes-Virus • Essigsäure • Salz (NaCl) • Glycin • Phenol • Bacillus subtillis • Escherichia coli • Viren Bakterien Belebtschlammflocken 100 ungefähre Größe [µm] Log Skala 10 1 0,1 0,01 0,001 27 1 Grundlagen der Membrantechnik Abb. 1-3 Größe typischer Abwasserinhaltsstoffe und Porengröße eingesetzter Membranen Mikrofiltration Ultrafiltration Porenweite: 0,1 – 5 µm Porenweite: 0,005 – 0,1 µm Typische Porenweite: 0,04 µm Belebtschlammflocken Influenza-Virus Escherichia coli hochmolekulare organische Substanzen Membran Typische Porenweite: 0,4 µm Membran 1 niedermolekulare organische Substanzen Einwertiges Ion Mehrwertiges Ion Eine Übersicht der vorgestellten Membranverfahren mit liche Löslichkeit und Diffusivität für die Selektivität ver- Triebkraft und Anwendungsfeldern zeigt Tabelle 1-1. Aus- antwortlich sind [RAUTENBACH 1997]. führlichere Angaben zu den einzelnen Verfahren werden in den folgenden Abschnitten 1.2.1 bis 1.2.3 gegeben. Der Konzentrationsverlauf einer abzutrennenden Komponente über die Membran ist für eine Porenmembran Für den Stofftransport in Membranen sind im Wesentli- und eine Lösungs-Diffusion-Membran in Abbildung 1-4 chen zwei Mechanismen verantwortlich: der Transport idealisiert dargestellt. Bei der Porenmembran wird die ab- durch Poren und der Transport aufgrund von Diffusion. zutrennende Komponente allein aufgrund ihrer Größe In realen Membranen können beide Transportarten neben- von der Membran zurückgehalten. Im Konzentrationsver- einander vorkommen, jedoch erfolgt die Einteilung der lauf ist eine scharfe Trennung an der Membranoberfläche Membranen idealisiert in: zu erkennen. Die Konzentration der abzutrennenden Komponente im Feed sinkt bereits mit Eintritt in die Membran • reine Porenmembranen („poröse“ Membranen) und bis auf die Konzentration im Permeat ab. • reine Lösungs-Diffusions-Membranen (LDM) („dichte“ Membranen) Bei einer Lösungs-Diffusions-Membran (LD-Membran) hingegen findet aufgrund der Transportmechanis- Bei den Porenmembranen (MF, UF) ist die Trennung men eine Abnahme der Konzentration auch innerhalb auf einen Siebeffekt zurückzuführen, während bei den der Membran statt. Lösungs-Diffusions-Membranen (NF, RO) die unterschied- 28 Grundlagen der Membrantechnik Nanofiltration Umkehrosmose Porenweite: 0,001 – 0,01 µm Porenweite: 0,0001 – 0,001 µm Typische Porenweite: 0,0004 µm Membran Membran Typische Porenweite: 0,004 µm Tab. 1-1 Druckgetriebene Membranverfahren in der Abwasserreinigung Membranverfahren Phasentrennung Triebkraft Anwendung Mikrofiltration flüssig/fest Druckdifferenz 0,1 – 3 bar Abtrennung von Feststoffen aus Suspensionen Ultrafiltration flüssig/flüssig Druckdifferenz 0,5 – 10 bar Abtrennung makromolekularer bzw. kolloidal gelöster Stoffe, Entkeimung Nanofiltration flüssig/flüssig Druckdifferenz 2 – 40 bar Abtrennung von gelösten organischen Molekülen und Umkehrosmose flüssig/flüssig Druckdifferenz 5 – 70 bar mehrwertigen anorganischen Ionen Abtrennung organischer Moleküle und aller Ionen in Sonderfällen bis 120 bar Abb. 1-4 Idealisierte Darstellung einer Poren- und einer Lösungs-Diffusions-Membran [nach MELIN 1999] Porenmembran Lösungs-Diffusions-Membran (LDM) WiF Feedseite WiF Permeatseite Feedseite Permeatseite WiP WiP WiF Konzentration der abzutrennenden Abwasserinhaltsstoffe im Feed WiP Konzentration der Abwasserinhaltsstoffe im Permeat 29 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.2.1 MF UF Mikro- und Ultrafiltration Die Mikrofiltration (MF) und die Ultrafiltration (UF) ge- ren und emulgierten Abwasserinhaltsstoffen genutzt. hören zu den druckgetriebenen Membranverfahren und Anwendungsbeispiele sind: sind bezüglich Betriebsdruck und Trenngrenze zwischen der Nanofiltration und der Filtration (z. B. Sandfiltration) Kommunale Abwasserreinigung einzuordnen. Die Trennmechanismen der MF- und UF- • Trennung von Belebtschlamm und Wasser Membranen sind sehr ähnlich und die Einsatzbereiche • Entkeimung können sich stark überschneiden (Abbildung 1-2), so dass • Vorreinigung für eine Umkehrosmose-Anlage sie in diesem Kapitel gemeinsam beschrieben werden. • Phosphatentfernung nach Fällung Entsprechend dem Prinzip eines porösen Filters wer- Industrielle Abwasserreinigung den bei der MF und UF alle Partikel vollständig zurückge- • Abwasserrecycling und Wiedereinsatz als Brauchwasser halten, die größer als die Membranporen sind. Die zurückgehaltenen Partikel können auf der Membranoberfläche eine Deckschicht aufbauen. Durch diese werden dann auch kleinere Partikel zurückgehalten, die ohne Deckschicht die Membran passieren würden (deckschichtkontrollierter Prozess). für verschiedene Zwecke • Sickerwasseraufbereitung in Kombination mit einer biologischen Stufe • Rückgewinnung von Wasserlack aus Spritzkabinenwasser durch Aufkonzentrierung • z. B. in der Metall verarbeitenden Industrie: · Standzeitverlängerung von Elektrotauchlackbädern In Tabelle 1-2 sind die typischen Charakteristika der Mikro- · Aufkonzentrierung von Wasser/Öl-Emulsionen und Ultrafiltration zusammengefasst. · Aufarbeitung von Entfettungsbädern In der Abwasserreinigung werden die Mikro- und Ultrafiltration zur Abtrennung und zum Rückhalt von partikulä- Tab. 1-2 Typische Kennzeichen der Mikro- und Ultrafiltration Mikrofiltration (MF) Ultrafiltration (UF) Betriebsart (siehe Kapitel 1.6) Crossflow- u. Dead-End-Betrieb Crossflow- u. Dead-End-Betrieb Betriebsdruck 0,1 – 3 bar (transmembran) 0,5 – 10 bar (transmembran) Trennmechanismus Siebung ggf. deckschichtkontrolliert Siebung ggf. deckschichtkontrolliert Trenngrenze Feststoffe > 0,1 µm (siehe Abbildung 1-2) kolloidal gelöste Stoffe: 20.000 – 200.000 Dalton*, Membrantypen überwiegend symmetrische Polymer- oder Feststoffe > 0,005 µm (siehe Abbildung 1-2) Modultypen Keramikmembranen (siehe Kapitel 1.3) Keramikmembranen (siehe Kapitel 1.3) Wickel-, Hohlfaser- und Rohrmodule, Wickel-, Hohlfaser- und Rohrmodule, Platten- und Kissenmodule Platten- und Kissenmodule * numerisch äquivalent zum Molekulargewicht (MW) in [g/mol] 30 asymmetrische Polymer-, Komposit- oder Grundlagen der Membrantechnik 1.2.2 NF Nanofiltration Die Nanofiltration (NF) ist ein druckgetriebenes Mem- Die Nanofiltration findet in der kommunalen Abwasser- branverfahren und wird bevorzugt zur Aufbereitung wäss- reinigung bislang keine Anwendung. riger Lösungen eingesetzt. Die Nanofiltration ist bezüglich Betriebsdruck und Trenngrenze zwischen der Umkehr- Industrielle Abwasserreinigung osmose und der Ultrafiltration einzuordnen. Mittels NF- • Entlastung von Ionentauschern oder nachgeschalteten Membranen wird ein hoher Rückhalt von Partikeln erreicht, deren Molmasse größer als 200 g/mol ist, was einem Moleküldurchmesser von ca. 1 nm entspricht. Umkehrosmose-Einheiten • Entfärbung von Abwässern der Textil- und Zellstoffindustrie • Entsalzung von tensidhaltigem Abwasser Charakteristisch für NF-Membranen ist ihre Ionenselektivität. Der Rückhalt eines gelösten Salzes wird durch Allgemein: die Wertigkeit des Anions bestimmt. So können Salze mit • Rückhalt mehrwertiger Ionen (z. B. SO42 -, Cd2 +, Cr2 +) einwertigen Anionen (z. B. Cl -) die Membran in hohem Maße passieren, wohingegen mehrwertige Anionen (z. B. 2- SO4 ) zurückgehalten werden [RAUTENBACH 1997]. In Tabelle 1-3 sind typische Kennzeichen der Nanofiltration bei Permeation einwertiger Ionen (z. B. Cl -, Na +) • Rückhalt organischer Verbindungen • Trennung von nieder- und höhermolekularen Inhaltsstoffen in wässrigen Lösungen dargestellt. Tab. 1-3 Typische Kennzeichen der Nanofiltration Nanofiltration Betriebsart (siehe Kapitel 1.6) Crossflow-Betrieb Betriebsdruck 2 – 40 bar (transmembran) Trennmechanismus Löslichkeit/Diffusion/Ladung (Ionenselektivität) Trenngrenze gelöste Stoffe: 200 – 20.000 Dalton* Membrantypen asymmetrische Polymer- oder Kompositmembran (siehe Kapitel 1.3) Modultypen Wickel-, Rohr-, Kissenmodule Feststoffe > 0,001 µm (siehe Abbildung 1-2) * numerisch äquivalent zum Molekulargewicht (MW) in [g/mol] 31 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.2.3 UO Umkehrosmose Die Umkehrosmose (RO)2) dient zur Trennung der Kom- Die Umkehrosmose hat in der kommunalen Abwasserrei- ponenten einer Lösung und beruht auf einem druckbe- nigung keine Bedeutung. Anwendungsmöglichkeiten triebenen Prozess, wobei die Triebkraft aus der Differenz sind [RAUTENBACH 1997]: des elektrochemischen Potenzials zu beiden Seiten der Membran resultiert. Die porenfreien RO-Membranen Industrielle Abwasserreinigung können gelöste Inhaltsstoffe mit einem Molekulargewicht • Aufkonzentrierung von CaSO4-haltigem Minen- von weniger als 200 g/mol vollständig zurückhalten, so dass die Umkehrosmose eine höhere Trennleistung als die Nanofiltration erzielt. Aufgrund des sehr guten Rückhaltevermögens gelöster Salze stellt die RO seit langem ein bewährtes Membranverfahren dar und ist bei- drainagewasser • Entwässerung fotografischer Spülwässer zur Rückgewinnung von Silber • Reinigung von Textilfärbeabwasser (Baumwoll-Polyesterfärbung) spielsweise in der Meer- und Brackwasserentsalzung • Konzentrierung von Zellstoffwaschwasser bereits Stand der Technik. In Tabelle 1-4 sind typische • Rückgewinnung von Phosphorsäure Kennzeichen der Umkehrosmose zusammengestellt. • Reinigung von Bleichereiabwässern • Reinigung von Deponiesickerwasser Tab. 1-4 Typische Kennzeichen der Umkehrosmose Umkehrosmose (RO) Betriebsart (siehe Kapitel 1.6) Crossflow-Betrieb Betriebsdruck 5 – 70 bar (transmembran), in Sonderfällen bis 120 bar Trennmechanismus Löslichkeit/Diffusion Trenngrenze gelöste Stoffe < 200 Dalton* (siehe Abbildung 1-2) Membrantypen asymmetrische Polymer- oder Kompositmembran (siehe Kapitel 1.3) Modultypen Wickel-, Rohr-, Platten-, Kissen- oder Scheiben-Rohrmodule * numerisch äquivalent zum Molekulargewicht (MW) in [g/mol] 2) Aus dem Engl. „reverse osmosis“ 32 Grundlagen der Membrantechnik 1.3 Membranmaterialien, -aufbau und -klassifizierung Membranen werden anhand verschiedener Merkmale klassifiziert (Abbildung 1-5), die im Folgenden kurz erläutert werden: • Herkunft • Werkstoff • Morphologie und Struktur • Herstellungsverfahren Abb. 1-5 Klassifizierung von Membranen [nach RAUTENBACH 1997] Membran synthetisch Herkunft biologisch flüssig anorganisch organisch Werkstoff Morphologie fest nicht porös porös porös 1.3.1 Herkunft und Werkstoffe Es gibt Membranen biologischer und synthetischer Her- Je nach Abwasserzusammensetzung und -eigenschaften kunft, die sich hinsichtlich Struktur, Funktionalität und sowie betrieblich bedingten Beanspruchungen werden für Stofftransport unterscheiden. Während biologische Mem- die Membranen verschiedene Werkstoffe eingesetzt. branen, wie z. B. Zellmembranen, für die menschliche Membranwerkstoffe sind organisch (z. B. Cellulose-, Poly- und tierische Existenz unverzichtbar sind, werden in der mermembranen) oder anorganisch (z. B. Keramikmem- Abwasserreinigung ausschließlich synthetische, feste branen). Membranen eingesetzt. 33 1 1 Grundlagen der Membrantechnik Organische Membranen 1.3.2 Morphologie, Struktur und Herstellung Synthetische Polymermembranen sind derzeit dominierend, da aus der existierenden Vielzahl synthetischer Hinsichtlich der Morphologie von Membranen wird zwi- Polymere ein für das spezifische Trennproblem geeignetes schen Porenmembranen und Lösungs-Diffusions-Mem- Polymer ausgewählt werden kann und Polymermembra- branen unterschieden (siehe Abbildung 1-5 und Abschnitt nen im Kostenvergleich mit anderen Materialien oft gün- 1.2). Bei anorganischen Membranen handelt es sich im- stiger abschneiden. mer um Porenmembranen. Für die Abtrennung eines Inhaltsstoffs sind die Struktur- Die Struktur einer Membran kann symmetrisch oder eigenschaften der verwendeten Polymere, wie thermische, asymmetrisch sein. Während symmetrische Membranen chemische und mechanische Beständigkeit, und die Per- über die Membrandicke annähernd homogen aufgebaut meabilität ausschlaggebend. Beispiele für organische sind, bestehen asymmetrische Membranen aus zwei Polymermembranen sind Polysulfon- (PS), Polyacrylnitril- Schichten. (PAN), Polyethersulfon- (PES), Polypropylen- (PP), Polyvinylidenfluorid- (PVDF), Zelluloseacetat- (CA) und Poly- Die feedseitige Schicht (aktive Schicht) bestimmt das amid- (PA) -Membranen. Trennverhalten der Membran, während die darunter liegende poröse Stützschicht als Träger dient. Die Stützschicht Anorganische Membranen sorgt für die mechanische Stabilität der Membran und behindert den Permeatfluss nur vergleichsweise wenig. Ziel Anorganische Membranen haben in der jüngsten Vergan- der asymmetrischen Membrangestaltung ist es, die aktive genheit vermehrt an Bedeutung gewonnen. Sie werden Schicht möglichst dünn und damit den Filtrationswider- vor allem eingesetzt, wenn die Eigenschaften des aufzu- stand der Membran möglichst gering zu halten. Bei Lö- bereitenden Rohabwassers den Einsatz von Polymermem- sungs-Diffusions-Membranen können hierdurch 50- bis branen ausschließen oder organische Membranflächen 100-fach höhere Flüsse als bei vergleichbaren symmetri- aufgrund der Abwasserzusammensetzung häufig und in- schen Membranen erzielt werden [MELIN 1999]. tensiv gereinigt werden müssen. Die Herstellung asymmetrischer organischer Membranen Anorganische Werkstoffe für Membranen sind Keramik, erfolgt heute meist als Phaseninversions- oder Komposit- Aluminium, Edelstahl, Glas und faserverstärkter Kohlen- membranen. Bei den Phaseninversionsmembranen sind stoff, von denen die keramischen Membranen zur Zeit die aktive Schicht und die Stützschicht aus demselben die größte Bedeutung in der Abwasserreinigung haben. Material. Hingegen bestehen bei Kompositmembranen Die Vorteile der keramischen gegenüber organischen Mem- die aktive Schicht und die Stützschicht aus verschiedenen branen sind die hohe Temperatur- und chemische Bestän- Materialien, so dass hierdurch beide Schichten auf die digkeit, die entsprechend gute Regenerierbarkeit sowie jeweils geforderten Eigenschaften hin optimiert werden eine geringere Alterung und lange Standzeiten. Als Nach- können. Abbildung 1-6 zeigt rasterelektronenmikroskopi- teile sind vor allem die höheren Investitionen bedingt sche (REM-) Aufnahmen von Phaseninversionsmembra- durch den Membranwerkstoff und die zum Teil aufwän- nen (a), (b) sowie von einer Kompositmembran (c). In digeren Modulkonstruktionen zu nennen. Abbildung 1-7 und Abbildung 1-8 ist die aktive Schicht einer Polyethylen-Membran in verschiedenen Auflösungen dargestellt. 34 Grundlagen der Membrantechnik Abb. 1-6 Abb. 1-7 REM-Aufnahmen von Schnitten verschiedener Draufsicht auf die aktive Schicht einer Polyethylen- Membranen Membran (MF/UF) [AGGERVERBAND 2002] Denitrifikation Symmetrische Membranschicht 200 µm Symmetrische Polymer-Membran (MF) [N.N. 2002a] Aktive Schicht Abb. 1-8 Stützschicht Draufsicht auf die Bruchkante einer PolyethylenMembran (MF/UF), sichtbar ist die aktive Schicht [AGGERVERBAND 2002] 7 µm Asymmetrische Kompositmembran (RO) [FRIMMEL, GORENFLO 2000] Aktive Schicht Stützschicht 7 µm Asymmetrische Polymer-Phaseninversionsmebran (UF) [N.N. 2001a] 35 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.4 Membranformen und -module In Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren werden zwei Hohlfasermodul sowie für die flachen Membranen das Grundformen von Membranen unterschieden: Platten-, Wickel-, Kissen- und Rohrscheibenmodul unterschieden werden. • rohrförmige Membranen und • flache Membranen Die verschiedenen Modulformen lassen sich hinsichtlich der Anordnung der Trennschicht, der Packungsdichte und Diese Membranen werden technisch zu einer anschluss- bei den rohrförmigen Membranen hinsichtlich der Durch- fähigen Einheit, dem Modul, angeordnet. Das Modul ist messer (freier Fließquerschnitt) charakterisieren (Tabelle 1-5, neben der Membran selbst von entscheidender Bedeutung Tabelle 1-6). Bedingt durch die unterschiedlichen Leis- für die Leistungsfähigkeit einer Membranstufe. Es existiert tungs- und Betriebseigenschaften (z. B. Betriebsart, Ver- eine Vielzahl unterschiedlicher Modulkonstruktionen, da stopfungsneigung, Rückspülbarkeit usw.) und die flächen- die Module in Abhängigkeit vom Einsatzzweck konstruk- spezifischen Modulkosten werden in Abhängigkeit vom tiv an die Anforderungen angepasst sind. Die herstellungs- zu behandelnden Abwasser bestimmte Modultypen bevor- bedingten Membrangrundformen sind den in Abbildung zugt eingesetzt. Voraussetzung für die Modulauswahl ist 1-9 dargestellten Modulformen zugeordnet. In einigen in jedem Fall die Auswahl des für das Trennproblem ge- Sonderfällen ist diese strikte Zuordnung nicht zulässig, eigneten Membranverfahrens bzw. der geeigneten Mem- z. B. wenn einige in Rohrmodulen eingesetzte Membranen bran. Welche Modultypen bei den verschiedenen Mem- durch die rohrförmige Verarbeitung von flachen Membra- branverfahren eingesetzt werden, ist Tabelle 1-2 (für MF nen hergestellt wurden. Für die rohrförmigen Membranen und UF), Tabelle 1-3 (für NF) und Tabelle 1-4 (für RO) zu können als Modulkonstruktionen das Rohr-, Kapillar- und entnehmen. Abb. 1-9 Membran- und Modulformen Membranform Modulform rohrförmig flach Rohrmodul Wickelmodul Kapillarmodul Kissenmodul Hohlfasermodul Plattenmodul Scheiben-Rohr-Modul 36 Grundlagen der Membrantechnik Tab. 1-5 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit rohrförmigen Membranen Rohrförmige Membranen Anordnung der Rohrmodul Kapillarmodul Hohlfasermodul innen außen/innen außen/innen Trennschicht Innnendurchmesser 5,5 ... 25 mm 0,25 ... 5,5 mm 0,04 ... 0,25 mm Packungsdichte < 80 m2/m3 < 1.000 m2/m3 < 10.000 m2/m3 Betriebsart Crossflow Dead-End/Crossflow Dead-End Vorteile geringe Empfindlichkeit hohe Packungsdichte extrem hohe Packungsdichte gegen Verstopfung kostengünstige Fertigung günstige spezifische Membrankosten geringer Druckverlust Rückspülung permeatseitig möglich hohe Druckstabilität deckschichtkontrollierter Betrieb möglich Nachteile geringe Packungsdichte geringe Druckfestigkeit empfindlich gegen Verstopfungen Druckverlust Tab. 1-6 Kenndaten, Vor- und Nachteile der Modultypen mit flachen Membranen Flache Membranen Plattenmodul Wickelmodul Kissenmodul außen außen außen Packungsdichte 40 ... 100 m2/m3 < 1.000 m2/m3 ca. 400 m2/m3 Betriebsart Crossflow Dead-End/Crossflow Dead-End/Crossflow Vorteile Membranen einzeln auswechselbar kostengünstige Fertigung geringe permeatseitige Druckverluste Anordnung der Trennschicht geringe Verstopfungsempfindlichkeit Nachteile wenige Dichtungen geringe Empfindlichkeit gegen hohe Packungsdichte Verschmutzung viele Dichtungen langer permeatseitiger Strömungsweg geringe Packungsdichte geringe Packungsdichte keine mechanische Reinigungs- viele Dichtungen möglichkeit verstopfungsgefährdet In den Abbildungen werden beispielhaft gängige Modulformen, die vor allem in der industriellen Abwasserreinigung eingesetzt werden, anhand von Bildern bzw. Schemata erläutert. Weitere Beispiele und Erläuterungen zu den z. B. in der kommunalen Abwasserreinigung eingesetzten Platten- und Kapillarmodulen werden in Kapitel 2.1.2 gegeben. 37 1 1 Grundlagen der Membrantechnik Rohrmodule Innerhalb eines Mantel- bzw. Druckrohrs werden zumeist mehrere perforierte bzw. permeatdurchlässige Stützrohre kleineren Durchmessers zusammengefasst, auf deren Innenseite die rohrförmige Membranschicht aufgebracht ist. Der Feed wird durch diese Rohre gepumpt, im Außenraum zwischen Druckrohr und Stützrohren gesammelt und an einem Stutzen am Druckrohr abgezogen. Abb. 1-10 Rohrmodule [Foto: WEHRLE WERK AG] Permeat Feed Permeat Zustrom Permeatsammler Retentat Anschlussgewinde Membran-Stützrohr Membran 38 Dichtungsring Grundlagen der Membrantechnik Kapillarmodule bzw. Hohlfasermodule Eine Vielzahl von Kapillar- bzw. Hohlfasermembranen werden. Es wird hier von außen nach innen filtriert und werden in einem Druckrohr zu einem Modul zusammen- das Permeat wird auf der Innenseite der Kapillare/Fasern gefasst. Ähnlich wie bei den mehrkanaligen Rohrmodulen abgezogen. können die Kapillare bzw. Fasern an den Stirnseiten mit dem Feedstrom beschickt werden, so dass von innen nach Weitere Kapillarmodulbauformen werden in Kapitel 2.1.2 außen filtriert wird. beschrieben. Darüber hinaus gibt es eine andere Bauweise, bei der außenbeschichtete Membrankapillare/-fasern eingesetzt Abb. 1-11 Kapillar- bzw. Hohlfasermodule [Foto: KOCH MEMBRANE SYSTEMS] Feed innenseitig Feed außenseitig Permeat Feed Feed Permeat Permeat Hohlfaser Feed Druckrohr Verklebung (Harz) 39 1 1 Grundlagen der Membrantechnik Wickelmodule Beim (Spiral-) Wickelmodul werden ein oder mehrere den Membranen ermöglicht. Das durch die Wicklung Membrantaschen mit je einem Abstandshalter (Feedspacer) entstehende zylindrische Modul wird an den Stirnseiten spiralförmig um das Permeatsammelrohr gewickelt. Die mit dem Feedstrom beaufschlagt, der das Modul in axialer Membrantaschen sind an drei Seiten geschlossen, an der Richtung durchströmt. Während der Feedstrom den offenen Seite sind die Taschen an das perforierte Permeat- durch die Feedspacer entstehenden Raum außerhalb der sammelrohr angeschlossen. Das Innere der Membran- Membrantaschen durchströmt, fließt das abgezogene Per- taschen ist mit einem porösen Kunststoffgewirk (Permeat- meat innerhalb der Membrantaschen spiralförmig dem spacer) ausgefüllt, das die Permeatströmung zwischen Permeatsammelrohr zu. Abb. 1-12 Wickelmodule Prinzipskizze [N.N. 2001], [Foto: NADIR FILTRATION GMBH] feedspacer Zentralrohr Membran Feedstrom Permeatstrom im Zentralrohr Permeatspacer 40 Permeat im Permeatkanal Grundlagen der Membrantechnik Kissenmodule Kissenmodule werden analog zu Wickelmodulen aus Mem- Gemäß der Abbildung können mehrere Kissen über die brantaschen mit dazwischenliegendem Gewebevlies auf- Permeatöffnungen miteinander verbunden werden. Die gebaut. Hier sind die Taschen an allen Seiten verschlos- Kissenpakete werden dann in ein modular aufgebautes sen und das Permeat wird über eine bzw. mehrere mit Druckrohr eingesetzt. In deren Wandung befindet sich Runddichtungen versehene Öffnungen im Kissen abge- die Permeatsammelleitung mit Anschlüssen und Dich- zogen. tungen für die entsprechenden Permeatöffnungen der Kissenpakete sowie für die sich anschließenden Komponenten des Druckrohrs. Abb. 1-13 Kissenmodul [Prinzipskizze und Foto: ROCHEM UF SYSTEME GMBH] Permeatkanal (Permeatableitung) Permeat-Drainagestift Membrankissenstapel Druckrohr Halbschalenelement Distanzhalter Rohwasser Membran Permeatseitiges Drainagevlies Distanzhalter 1 bis 3 mm (variable Kanalhöhe) Permeatseitiges Drainagevlies Trägerplatte Permeatseitiges Drainagevlies Membran Permeatkanal 41 1 1 Grundlagen der Membrantechnik Rohr-Scheiben-Modul (DT-Modul – disc tube module) Bei dem Scheiben-Rohr-Modul (Abbildung 1-14) sind Trä- Der vormontierte Membranelement-Stapel wird in ein gerscheiben und Membrankissen abwechselnd über einen Druckrohr eingeschoben. Das Rohwasser wird zwischen Zuganker aufeinandergestapelt, so dass zwischen den Trä- der Druckrohrinnenwand und den Dichtungsringen am gerscheiben und den eingeschobenen Membrankissen Rand der Trägerscheiben zum Ringspalt in der ersten Trä- rohwasserseitig offene Strömungskanäle entstehen. Die gerscheibe des Membranelement-Stapels geleitet und von Trägerscheiben des DT-Moduls haben am äußeren Rand außen nach innen durch die Membrankissen filtriert. einen beidseitig gleichmäßig überstehenden Dichtungsring. Zentrisch angeordnet sind ein durch Rippen ausge- Über die runde Aussparung in der Mitte der Membran- bildeter Ringspalt, durch den im Betrieb das Rohwasser kissen, die Ablaufnuten in den Trägerplatten und eine strömt, eine Dichtungsnut zur Abdichtung zwischen Mem- Bohrung im Endstück des Membranstapels wird das Per- brankissen und Trägerscheiben und eine Aussparung für meat abgeleitet. Die offenen Ringspalten bzw. Strömungs- die Durchführung des Zugankers mit Permeat-Ablaufnuten. pfade zwischen den Membrankissen und den Trägerschei- Die Membrankissen bestehen aus Flachmembranen mit ben ermöglichen auch eine Aufbereitung von Flüssigkei- innenliegendem Gewebevlies und sind im Außenbereich ten mit höherer Kolloid- oder Feststoffbelastung. verschweißt. Über die runde Aussparung in der Mitte wird das Permeat abgeleitet. Abb. 1-14 Rohr-Scheiben-Modul (DT-Modul) [PALL 2001] 42 Grundlagen der Membrantechnik Das Modulsystem der Firma inge AG Eine weitere Entwicklung ist das Modul der Firma inge lich den innendurchströmten Einzelkapillarmodulen aus- AG mit neuartigen, sogenannten Multibore-Kapillaren. schließlich bei geringen Feststoffgehalten im Rohwasser Wie die Abbildung zeigt, weist bei diesen Kapillaren eine einsetzbar. Höhere Feststoffgehalte führen bei innendurch- Kapillare sieben Bohrungen auf, die in etwa den Innen- strömten Kapillarmembranen mit geringen Feedkanalab- durchmesser herkömmlicher Einzelkapillaren besitzen. messungen häufig zu Verblockungserscheinungen. Bevor- Dadurch wird die mechanische Festigkeit der Membran- zugter Anwendungsbereich der Multibore-Kapillaren ist kapillaren erhöht und es kommt seltener zu Kapillarbrü- daher die Trinkwasseraufbereitung. chen als bei Einzelkapillaren. Die Multibore-Kapillaren werden nach dem Out-In-Prinzip betrieben, d. h. von ihrer Innenseite mit dem zu filtrierenden Rohwasser beaufschlagt. Dadurch sind sie ähn- Abb. 1-15 Neuartige Multibore-Kapillaren der Firma inge AG [Foto: INGE AG] 43 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.5 dule werden in Reihe geschaltet, wobei gemäß Abbildung Anordnung von Modulen 1-17 der Konzentratstrom eines Moduls als Feedstrom des folgenden Moduls dient und das Permeat der einzelnen Als Membranstufe wird eine in sich funktionierende Module zusammengeführt wird. Einheit, bestehend aus Modulen, Pumpen, Ventilen usw., bezeichnet. Für die Leistung einer Membranstufe ist neben Bei der Parallelschaltung (Abbildung 1-18) erfolgt eine der Auswahl einer für das zu trennende Abwassergemisch Aufteilung des Feedstroms auf die einzelnen parallel ge- geeigneten Membran bzw. eines geeigneten Membranmo- schalteten Module. Die Anzahl der parallel geschalteten duls die Anordnung bzw. Verschaltung der Module maß- Module richtet sich nach der benötigten Kapazität der gebend (Abbildung 1-16). Dabei sind in der Abwasserrei- Membranstufe. Die parallel verschalteten Module werden nigung in erster Hinsicht der zu trennende Volumenstrom als Block bezeichnet. Die abwasserspezifische Permeataus- und die zu erzielende Permeatqualität bzw. Permeataus- beute bzw. die Aufkonzentrierung innerhalb eines Blocks beute von Bedeutung. entspricht der Ausbeute bzw. Aufkonzentrierung, die mit einem Modul erreicht wird. Es werden zwei Grundschaltungsarten von Modulen unterschieden: Während bei der kommunalen Abwasserreinigung die reine • Reihenschaltung und Parallelschaltung dominiert, werden bei der industriellen • Parallelschaltung Abwasserreinigung oft Kombinationen der Grundschaltungsarten eingesetzt, um das gewünschte Reinigungsziel Die Reihenschaltung wird angewendet, falls die Permeat- bzw. die maximale Aufkonzentration zu erreichen: ausbeute über einem Modul nicht ausreicht. Mehrere Mo- Abb. 1-16 Vom Membranelement zur Membranstufe Membranelement Modul Modulverschaltung Membranstufe gewünschte Ablaufqualität Feed Konzentrat Abb. 1-17 Reihenschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] Feed Konzentrat Permeat 44 Grundlagen der Membrantechnik • Tannenbaumstruktur (Abbildung 1-19) in den nachgeschalteten Membranelementen den Erfor- • Feed-and-Bleed-Struktur dernissen angepasst sind. Ein Beispiel für die häufig angewendete Tannenbaum- Falls die Tannenbaumstruktur nicht angewendet werden struktur (z. B. bei der Meerwasserentsalzung) zeigt Ab- kann, weil der Feedvolumenstrom geringer ist als für das bildung 1-19. Die Module innerhalb der Blöcke eins und eingesetzte Modul notwendig, kommt die Feed-and- zwei sind parallel und alle drei Blöcke untereinander in Bleed-Struktur bzw. der Rezirkulationskreislauf inner- Reihe verschaltet. Der Konzentratvolumenstrom wird bei halb jedes Blocks zum Einsatz. Bei dieser Struktur wird dieser Struktur von Block zu Block weiter aufkonzentriert durch Vermischung des gewonnenen Konzentrats mit bzw. minimiert und die Permeatausbeute entsprechend einem Teil des Feeds durch interne Rezirkulation der Feed- gesteigert. Da das Permeat in jedem Block abgezogen volumenstrom erhöht. Mit einem Modul kann hierdurch wird, reduziert sich der zu behandelnde Volumenstrom eine höhere Aufkonzentration bzw. größere Permeataus- von Block zu Block. Daher muss die Zahl der benötigten beute erzielt werden, was z. B. bei der Deponiesickerwas- Module im folgenden Block verringert werden, damit serreinigung ausgenutzt wird. z. B. bei Rohrmodulen die Überströmbedingungen auch Abb. 1-18 Parallelschaltung von Modulen [nach BAUMGARTEN 1998] Feed Konzentrat Permeat Abb. 1-19 Anordnung von mehreren Modulen nach der Tannenbaumstruktur [nach RAUTENBACH 1997] Permeat 1. Block 2. Block Feed 3. Block Konzentrat 45 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.6 Betriebsarten Grundsätzlich werden bei den Filtrationsprozessen zwei Im Crossflow-Betrieb wird die Deckschichtbildung vermin- Betriebsarten unterschieden: dert, da der Feedstrom die Membran kontinuierlich parallel überströmt. Dadurch wird an der Membranoberfläche • Dead-End- bzw. statische Filtration und ein Gleichgewichtszustand zwischen Deckschichtentste- • Crossflow- bzw. dynamische Filtration hung und -entfernung durch die wirkenden Scherkräfte angestrebt. In der Regel wird die Überströmung durch Die Betriebsart Crossflow wird bei der Nanofiltration Pumpen erzeugt, wobei inzwischen auch Systeme im Ein- und der Umkehrosmose angewendet, bei der Ultra- und satz sind, bei denen die Überströmung durch Einpressen Mikrofiltration sind beide Betriebsarten möglich. von Gas unterhalb der Module durch das aufsteigende Gas-Feed-Gemisch oder die Bewegung der Membranen Im Crossflow-Modus (Querstromfiltration) wird der Feed- selbst erzeugt wird (siehe Kapitel 2.1.2). Nachteil des strom parallel zur Membranoberfläche gepumpt und das Crossflow-Betriebs gegenüber dem Dead-End-Betrieb ist Permeat quer dazu abgezogen. Im Dead-End-Betrieb der höhere Energiebedarf, welcher aus der kontinuierlich wird die Membran ähnlich einem „Kaffeefilter" orthogo- aufzubringenden Überströmungsenergie resultiert. nal beschickt. Abbildung 1-20 verdeutlicht die Unterschiede der beiden Betriebsarten. Zunehmend wird auch der Begriff des „Semi-Crossflow-“ bzw. „Semi-Dead-End-Verfahrens“ verwendet. Dabei Durch den Rückhalt suspendierter Stoffe bildet sich auf werden Verfahrenselemente der beiden Betriebsarten Cross- der Feedseite eine Deckschicht, welche die Filtrationsleis- flow und Dead-End kombiniert, um den Energieverbrauch tung vermindert und dazu führt, dass mit fortschreiten- gegenüber dem reinen Crossflow-Verfahren zu reduzieren. der Prozessdauer der Permeatfluss abnimmt. Als Gegen- Beispiel für einen Semi-Crossflow-Betrieb ist die diskonti- maßnahme wird im Dead-End-Betrieb das gesamte Modul nuierliche Überströmung der Membran nach dem Cross- in Intervallen einer Rückspülung unterzogen. flow-Prinzip kombiniert mit Rückspülintervallen, so dass die sich bildende Deckschicht entfernt werden kann. Abbildung 1-21 zeigt die Abnahme des Permeatflusses VP bei Vorgabe eines konstanten Feeddrucks pF (links) bzw. die Zunahme des Feeddrucks bei Vorgabe eines konstanten Permeatflusses (rechts) über das Filtrationsintervall. Durch die Entfernung der Deckschicht im Rückspülintervall wird im Idealfall wieder die ursprüngliche Filtrationsleistung erreicht. 46 Grundlagen der Membrantechnik Abb. 1-20 Schematische Darstellung einer Membran bei der Crossflow- bzw. Dead-End-Filtration [nach MELIN 1999] Crossflow-Betrieb Dead-End-Betrieb Feed Feed Permeat Permeat Abb. 1-21 Filtrationsintervalle im Dead-End-Betrieb [nach RAUTENBACH 1997] Rückspülintervall Rückspülintervall Feeddruck pF Permeatfluss Vp Filtrationsintervall Feeddruck pF Permeatfluss Vp Filtrationsintervall Zeit t Zeit t Zielvorgabe : Konstanter Feeddruck pF Zielvorgabe : Konstanter Permeatfluss VP 47 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.7 Deckschichtbildung Kommunale und industrielle Abwässer enthalten organi- Die Ausbildung von Deckschichten kann verschiedene sche und anorganische Stoffe. Bei der Reinigung dieser Ursachen haben, die damit auch die Zusammensetzung Abwässer über eine Membran tritt infolge der selektiven der Schicht bestimmen. Man unterscheidet [BAUMGAR- Wirkung der Membran eine Aufkonzentrierung der Inhalts- TEN 1998]: stoffe des Feedstroms und eine Abscheidung von Partikeln an der Membranoberfläche ein. Mit zunehmender Betriebs- • biologisches Fouling (kurz Biofouling) dauer kommt es dadurch zur Bildung einer Deckschicht. • kolloidales3) Fouling Deckschichten können zwar in einem bestimmten Maß • Scaling zur Filtration gezielt genutzt werden (z. B. um den Reinigungsgrad zu erhöhen), sind aber oft unerwünscht, da Biofouling durch sie der Permeatfluss und damit die Leistung der Membran vermindert wird. Die Biofilmbildung auf der Membranoberfläche wird durch Adhäsion und das Wachstum von Mikroorganismen Der Leistungsrückgang der Membran beruht auf einer hervorgerufen [FLEMMING 1995]. Man spricht von Bio- Erhöhung des Filtrationswiderstandes, der den Ausgangs- fouling, wenn durch den Biofilm eine Leistungsminde- membranwiderstand (Rm) erhöht (Abbildung 1-22). rung am Membransystem durch die Abnahme der spezifischen Membranflüsse festgestellt wird [FLEMMING 2000]. Bei den Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen resultiert Besonders kritisch sind Anlagenstillstände zu betrachten, der erhöhte Deckschichtwiderstand aus Adsorption (Ra), da die Bakterien unter diesen Bedingungen auf den Mem- Porenverblockung (Rp) und der Deckschichtbildung (Rc) branflächen sprunghaft anwachsen können selbst. Hingegen beruht die Erhöhung des Filtrations- [BAKER ET AL. 1998]. widerstandes bei den dichten Nanofiltrations- und Umkehrosmosemembranen auf einer Konzentrationspolarisa- Kolloidales Fouling tion (Rcp) gelöster Inhaltsstoffe, deren Konzentration mit zunehmender Filtrationsdauer zur Membranoberfläche Durch die Anlagerung kolloidal gelöster Stoffe entsteht hin ansteigt. eine Art Film bzw. Schleim auf der Membranoberfläche, der zu einer Abnahme der Filtrationsleistung führt. Die erhöhten Widerstände infolge Adsorption (Ra) und Porenverblockung (Rp) lassen sich in der Regel nicht Scaling durch Maßnahmen wie Rückspülen o. Ä. verringern, so dass bei starker Porenverblockung ggf. ein anderes Mem- Als Scaling werden durch anorganische Ausfällungen branmaterial eingesetzt werden sollte. Dagegen kann die (Kristallisation) gebildete Beläge auf der Membran bezeich- Deckschichtbildung durch eine Erhöhung der Überströ- net. Diese treten in der Regel nur bei NF- und RO-Mem- mungsgeschwindigkeit oder die intervallweise Rückspü- branen auf, wenn beispielsweise die Löslichkeitsgrenze lung der Membran mit Permeat vermindert bzw. rück- gelöster Salze durch die Konzentrationsüberhöhung an gängig gemacht werden [PANGLISCH ET AL. 1996]. der Membranoberfläche überschritten wird. Maßnahmen gegen Deckschichtbildung und damit zum In Tabelle 1-7 wird zusammengefasst, welche Substanzen Erhalt der Filtrationsleistung werden im folgenden Kapi- die drei vorgestellten Deckschichtarten verursachen kön- tel behandelt. nen. 3) kolloidal = fein verteilt, fein zerteilt 48 Grundlagen der Membrantechnik Abb. 1-22 Schematische Übersicht der Filtrationswiderstände auf der Membranoberfläche und in der Membran [KRAMER, KOPPERS 2000] Permeatseite Feedseite Rp Ra Rm Rc Rcp Ra RP Rm Adsorption Porenverblockung Membranwiderstand Rc Rcp Deckschichtbildung Konzentrationspolarisation Tab. 1-7 Deckschichtbildung bei der Membranfiltration [nach BAUMGARTEN 1998] Deckschichtbildung Fouling Biofouling Kolloidales Fouling Scaling (Kristallisation) Keime Kolloidale Kieselsäure und Silikate CaSO4 Bakterienwachstum durch Nährstoffangebot im Feed Kolloidale Hydroxide (z. B. Fe und Mn) CaF2 Schleimbildung durch Mikroorganismen Organische Kolloide (z. B. Huminstoffe, Proteine) BaSO4 SiO2 Mg(OH)2 49 1 1 Grundlagen der Membrantechnik 1.8 Maßnahmen zum Erhalt der Filtrationsleistung Der Einsatz von Membranen in der Abwasserreinigung ist folgende Aspekte beim Bau und Betrieb der Membran- nur dann praktisch durchführbar, wenn die Deckschicht- anlage berücksichtigt werden (Tabelle 1-8): bildung (Abschnitt 1.7) überwacht und damit ein gesicherter und wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet werden kann. • Vorbehandlungsmaßnahmen • Prozesskonfiguration Die Entstehung von Deckschichten infolge Fouling bzw. • Membran- und Moduleigenschaften Scaling kann vermieden bzw. verringert werden, wenn • Reinigung Tab. 1-8 Methoden zur Verringerung und Entfernung von Deckschichten Verminderung, Vermeidung, Entfernung von Deckschichten Vorbehandlung Optimierung der Konstruktive Prozesskonfiguration Gestaltung Reinigung Siebung Betriebsart Membranmaterial Reinigungsmittel Vorfiltration Prozessführung Struktureigenschaften Reinigungsintervall Abkühlung Überströmung Modulbauform Konzentration Neutralisation Spülmethode Modulverschaltung Temperatur Vorfällung Vorbehandlungsmaßnahmen Optimierung der Prozesskonfiguration In der kommunalen Abwasserreinigung erfolgt die Vorbe- Die Ausbildung der Deckschicht wird im Wesentlichen handlung für das Membranbelebungsverfahren (Abschnitt durch die Betriebsart – Dead-End oder Crossflow-Betrieb – 2.1.3.2) in der mechanischen Reinigungsstufe (Rechen, und die Prozessführung bestimmt. Durch betriebliche Maß- Sandfang, Vorklärung). Dort werden für den Filtrations- nahmen, wie die Erhöhung des Rückspülvolumenstromes bereich störende Stoffe wie grobe Partikel, Fette und Faser- bzw. der Rückspülzeit beim Dead-End-Betrieb oder die stoffe ferngehalten. Erhöhung der Überströmgeschwindigkeit beim CrossflowBetrieb, kann die Deckschichtbildung verringert werden. Industrieabwässer sind hinsichtlich der Inhaltsstoffe und der Zusammensetzung sehr unterschiedlich. Die Wahl der Diese Maßnahmen sind jedoch aufgrund des erhöhten Vorbehandlungsmaßnahmen für eine Membrananlage ist Energiebedarfs für die größere Überströmgeschwindigkeit entsprechend den Erfordernissen der Abwasserzusammen- bzw. aufgrund des Permeatverlusts durch die häufigere setzung zu treffen. Dabei können mechanische, physika- Rückspülung nur in begrenztem Umfang wirtschaftlich lische, biologische und chemische Verfahren zum Einsatz und können erst während des Betriebs einer Anlage opti- kommen. Beispiele sind in Tabelle 1-8 genannt. miert werden. 50 Grundlagen der Membrantechnik Konstruktive Gestaltung Den größten Einfluss auf die Deckschichtbildung haben Die Modulbauform ist z. B. entscheidend dafür, wie groß das Membranmaterial und die Membranstruktur, da die die Druckerhöhung zur Überwindung des durch die Deck- Membran in direkter Interaktion mit den deckschicht- schicht erhöhten Filtrationswiderstandes gewählt werden bildenden Stoffen des Zulaufs steht. Je nach Materialeigen- kann, um den vorgegebenen Fluss weiterhin zu erreichen. schaft und Ladung einer Membran werden Verschmut- Diese Druckerhöhung ist nur im Rahmen des modulspe- zungen an der Membran weniger oder stärker adsorbiert. zifischen maximalen Betriebsdruckes erlaubt und muss Die wichtigsten Struktureigenschaften im Hinblick auf auch vor dem Hintergrund eines wirtschaftlichen Betriebs die Deckschichtbildung sind die Rauheit der Membran- der Membranstufe gesehen werden. oberfläche, der Porendurchmesser, die Porosität (Hohlraumanteil4)) und die Porengrößenverteilung. Je glatter Reinigung die Oberfläche und je kleiner der Porendurchmesser ist, desto geringer ist die Verblockungsneigung. Ebenso ist Ist der gewünschte Permeatfluss nicht mehr wirtschaftlich die Membranverschmutzung bei einer homogenen realisierbar, wird in der Regel ein vom Membranhersteller Porenverteilung im Allgemeinen geringer [KRAMER, vorgegebener Reinigungsplan angewendet. Durch die Reini- KOPPERS 2000]. In den letzten Jahren hat es zahlreiche gung mit einem membranverträglichen Reinigungsmittel Bemühungen gegeben, durch die Modifikation von Mem- wird eine Wiederherstellung bzw. Erhöhung des Permeat- braneigenschaften die Leistungsfähigkeit von Membra- flusses bewirkt. Unter der Voraussetzung eines konstanten nen zu erhöhen [LINDAU ET AL. 1998; PIERACCI ET AL. Drucks ist in Abbildung 1-23 der Verlauf des Flusses über 1998; LINDAU, JÖNSSON 1999; AMANDA ET AL. 2000]. die Filtrationszeit mit und ohne chemische Reinigung Porosität in [%] ist definiert als das Volumen der Hohlräume in einer betrachteten Membranschicht bezogen auf das Gesamtvolumen dieser Membranschicht Abb. 1-23 Auswirkung der Membranreinigung auf den Fluss bei konstantem Druck Reinigungsintervall Fluss 4) irreversibles Fouling Reinigung mit Reinigung ohne Reinigung Konstanter Druck Zeit 51 1 1 Grundlagen der Membrantechnik dargestellt. Trotz der signifikanten Verbesserung der Die Effektivität einer Reinigung hängt nicht nur von den Flussleistung durch die chemischen Reinigungen nimmt eingesetzten Reinigungsmitteln und ihrer chemischen der Fluss mit zunehmender Filtrationszeit ab. Dieses Phä- Aktivität ab, sondern wird auch durch Faktoren wie Tem- nomen ist durch irreversibles Fouling zu erklären, das peratur, pH-Wert, Kontakt- bzw. Einwirkzeit, Konzentra- durch Reinigungen nicht beseitigt werden kann. tion der Wirksubstanz und mechanische Kräfte bestimmt. Das Reinigungsergebnis wird besser, je höher die Tempe- Für die Membranreinigung werden in erster Linie che- ratur bzw. je länger die Reinigungszeit ist. Bei höheren mische Reinigungsmittel in Kombination mit einer Rück- Temperaturen kann die Reinigungszeit reduziert werden spülung (permeatseitig) oder Spülung (feedseitig) einge- bzw. bei einer längeren Reinigungszeit die Temperatur ge- setzt. Grundsätzlich können drei Reinigungsarten unter- ringer sein. Neben der Membran- bzw. Modulwerkstoff- schieden werden: verträglichkeit ist für die Einstellung des pH-Wertes die spezifische Wirksamkeit des Reinigungsmittels in Abhän- 1. Rückspülung/Spülung der Membran gigkeit vom pH-Wert zu berücksichtigen. 2. Zwischenreinigung mit geringer konzentrierten Für den Umgang mit den Reinigungschemikalien sind Chemikalien, z. B. wöchentlich 3. Intensivreinigung mit höher konzentrierten die Gefahrenhinweise der zugehörigen Sicherheitsdatenblätter zu beachten. Diesen kommt besonders dort eine Chemikalien, z. B. halbjährlich erhöhte Bedeutung zu, wo das Personal, wie z. B. auf KlärBei einer Intensivreinigung werden Reinigungsmittel in anlagen, mit der Verwendung von Gefahrstoffen gewöhn- höheren Konzentrationen als bei der Zwischenreinigung lich nicht oder nur eingeschränkt vertraut ist. eingesetzt. In Abhängigkeit der Deckschichtsubstanzen wird das Reinigungsmittel ausgewählt (Tabelle 1-9). Weiterhin ist zu beachten, dass einige Reinigungschemikalien nach Einsatz zur Reinigung unerwünschte Belastungen der Permeatqualität hervorrufen können. Nach einer Reinigung müssen diese Reinigungslösungen ggf. aufgefangen und separat entsorgt werden. Tab. 1-9 Beispiele für Reinigungschemikalien und ihre Anwendungen Deckschichtsubstanz Eingesetzte Reinigungsmittel Calcium-/Magnesiumscaling Säuren, z. B. Zitronensäure, Essigsäure Metallhydroxide, anorganische Kolloide Säuren, z. B. Zitronensäure Organische Stoffe Anionische Tenside Oxidationsmittel, z. B. Hypochlorit, Wasserstoffperoxid Alkalische Reiniger, z. B. Natronlauge Bakterien, Keime Desinfektionsmittel, z. B. Hypochlorit Biozide 52 Grundlagen der Membrantechnik 1.9 gend druckgetriebene getauchte Membransysteme mit Weitere Aspekte zum Einsatz der Membran- Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt. Die verfahren in der Abwasserreinigung Porengröße dieser Membranen garantiert einen Rückhalt von Feststoffen bzw. von makromolekularen bzw. kolloi- Trenngrenze und Transmembrandruck dal gelösten Stoffen bis zu der in Tabelle 1-10 angegebenen Größe. Sollen kleinere Teilchen bzw. Stoffe mit gerin- Die Auswahl des Membranverfahrens richtet sich nach gerem Molekulargewicht abgetrennt werden, ist der Ein- der Abwasserzusammensetzung und dem Trennziel. In satz von Nanofiltrations- oder Umkehrosmosemembra- der kommunalen Abwasserreinigung werden überwie- nen erforderlich. Tab. 1-10 Trenngrenze und Transmembrandruck von druckgetriebenen Membranverfahren Membranverfahren Größe der abtrennbaren Teilchen, Kolloide bzw. Moleküle Mikrofiltration Feststoffe > 0,1 µm Ultrafiltration 200.000 – 20.000 D * Transmembrandruck 0,1 – 3 bar 0,5 – 10 bar Nanofiltration 20.000 – 200 D * 2 – 40 bar Umkehrosmose < 200 D * 5 – 70 bar * Dalton, numerisch äquivalent zum Molekulargewicht in [g/mol] Die für den Filtrationsprozess notwendige Triebkraft bzw. Trennergebnis einer Ultrafiltrationsmembran erreicht der Transmembrandruck muss den Filtrationswiderstand werden kann. überwinden, der sich aus dem Widerstand der Membran, dem Widerstand durch Adsorption und Porenverblockung In vielen Fällen ist die Struktur und Dicke der gebildeten in der Membran, der feedseitigen Deckschicht und Kon- Deckschicht von größerer Bedeutung für die Stofftrennung zentrationspolarisation zusammensetzt [KRAMER 2000]. als die Membran selbst. Die Bildung einer reversiblen Deck- Der Transmembrandruck beträgt im Regelbetrieb bei schicht ist insbesondere bei Mikrofiltrationsprozessen so- getauchten Membransystemen in kommunalen Anwen- gar erwünscht, solange damit keine zu starke Flussminde- dungen zwischen 0,05 und 0,2 bar und wird üblicher- rung verbunden ist, da durch die Deckschicht eine innere weise durch permeatseitig angeschlossene Pumpen aufge- Membranverblockung durch kleinere Partikel vermieden bracht. Bei Anordnung der Behälter mit den Membranen wird. Entscheidend ist, dass sich ein stationärer Betrieb oberhalb des Permeatsammelbehälters kann die Differenz einstellt, bei dem sich deckschichtbildende und deck- der Wasserspiegellagen, d. h. die hydrostatische Druckdif- schichtabscherende Effekte ausgleichen. ferenz als Transmembrandruck genutzt werden. Durch die Deckschicht können beispielsweise die im VerEinflüsse auf den Filtrationsprozess und Erhalt der gleich zu Bakterien wesentlich kleineren Viren zu einem Leistungsfähigkeit des Filtrationsbetriebs hohen Prozentsatz auch bei der Verwendung von Mikrofiltrationsmembranen zurückgehalten werden, obwohl Beim Filtrationsprozess entsteht eine Deckschicht durch die Membranporen keinen Rückhalt erwarten lassen Teilchen, die von der Membran zurückgehalten werden [MELIN, RAUTENBACH 2004]. und sich auf dieser ablagern. Dadurch werden der Filtrationswiderstand erhöht und der Permeatfluss reduziert, Da Bakterien eine Größe von ca. 0,2 µm bis 10 µm und aber in der Regel die Filterwirkung verbessert, so dass in Viren von ca. 0,02 µm bis 0,250 µm haben werden Viren einzelnen Fällen mit einer Mikrofiltrationsmembran das nur von Ultrafiltrationsmembranen (Porengröße 0,1 µm 53 1 1 Grundlagen der Membrantechnik Tab. 1-11 Größenangaben für Bakterien und Viren Bezeichnung Länge [µm] Breite [µm] Durchmesser [µm] Bakterien [STARR ET AL. 1981] Bacteriodes pneumosintes Mycoplasma spp. Bacillus subtilis Escherichia coli Achromatium oxaliferum Cristipira pectinis 0,2 < 0,1 0,25 0,1 2,5 0,75 2 0,6 100 5 36 – 72 1,5 Viren [SCHLEGEL 1976] Pocken 0,3 0,2 Influenza 0,1 Poliomyelitis 0,02 bis 0,01 µm) vollständig zurückgehalten. Eine Übersicht stoffperoxid hat sich bewährt. Für die Durchführung der der Größen unterschiedlicher Bakterien und Viren ist in chemischen Reinigungen ist eine entsprechend ausgerüs- Tabelle 1-11 aufgeführt. tete Chemikaliendosierstation einzurichten. Die Reinigung kann in situ oder on air weitestgehend automati- Für den stabilen Betrieb einer Membrananlage müssen siert erfolgen. nicht nur deckschichtbildende und deckschichtabscherende Effekte ausgeglichen sein, sondern auch die Fou- Für die Vorbereitung und Durchführung einer chemischen lingbildung begrenzt werden. Reinigung ist mit einem erhöhten Personaleinsatz zu rechnen, der bei Reinigung der Module in einer separaten Fouling entsteht durch Bakterien, die extrazelluläre poly- Waschkammer steigt. Während der Reinigung stehen die mere Substanzen (EPS) produzieren, welche im Wesent- Membranmodule für den Filtrationsprozess nicht zur Ver- lichen aus Polysacchariden und darin eingelagerten Pro- fügung, was bei der Auslegung der Anlage berücksichtigt teinen bestehen und sich als Schleimkapseln um die Zel- werden muss (größere Membranfläche). Nach derzeitigem len anlagern. Die Gründe für die Bildung dieser Schleim- Kenntnisstand erscheint eine vorsorgende, an die hydrau- kapseln sind vielfältig und noch nicht vollständig geklärt. lischen Belastungen angepasste Betriebs- und Reinigungs- Die von Bakterien produzierten EPS werden zur Bildung strategie technisch und wirtschaftlich sinnvoll. Diese der Belebtschlammflocke benötigt, wobei sich die schleim- bedeutet die Planung einer ausreichend großen Mem- artige Matrix auf der Membran gleichzeitig negativ auf branfläche und den Betrieb der Membranen bei modera- den Filtrationsprozess auswirkt. Daher ist die Prozessfüh- ten transmembranen Druckdifferenzen. rung so zu gestalten, dass die EPS-Bildung möglichst minimiert wird. Im Rahmen eines optimierten Betriebskonzeptes kann zur Reduzierung der Membranfläche die Pufferung hydrauli- In der Praxis werden Chemikalien eingesetzt, um dem scher Stoßbelastungen in einem vorgeschalteten Aus- Fouling entgegen zu wirken. Der Einsatz einer Säure, z. B. gleichsbecken sinnvoll sein. Zitronensäure, und einer oxidativ wirkenden Reinigungschemikalie, wie z. B. Natriumhypochlorit oder Wasser- 54 Grundlagen der Membrantechnik Leistungsfähigkeit von Mikro- und Ultrafiltrations- Belebtschlammflocken bestehen aus Bakterienkolonien membranen unterschiedlicher Bakterienarten, wobei die häufigsten anzutreffenden Gattungen Pseudomonas, Archobacter, Das Modell für den Stofftransport in Mikro- und Ultrafil- Bacillus, Micrococcus, Aerobacter und vor allem Zoogloea trationsmembranen beruht auf dem idealisierten Poren- sind. Die Größe von Belebtschlammflocken wird unter- modell, d. h. größere Partikel, Belebtschlammflocken und schiedlich angegeben, z. B. mit Durchmessern von Bakterien, Stoffe mit einer Molmasse größer als 20.000 50 bis 200 µm [HARTMANN 1983] bzw. 5 bis 30 µm g/mol können die Membrankapillaren aufgrund ihrer [KRIEBITZSCH 1999], also Größen, die auch von Mikro- Größe nicht passieren. Gelöste Inhaltsstoffe wie z. B. Essig- filtrationsmembranen zurückgehalten werden. säure oder Harnstoff werden nicht zurückgehalten, es sei denn, sie sind an Stoffe adsorbiert, die zurückgehalten Leistungsfähigkeit von Nanofiltrations- und werden. Umkehrosmosemembranen In der kommunalen Abwasserreinigung wird eine Kombi- Für die Abtrennung organischer Stoffe aus wässrigen nation aus Belebungs- und Membranverfahren, das Mem- Lösungen ist eine Nanofiltrations- bzw. Umkehrosmose- branbelebungsverfahren, eingesetzt, um auch gelöste, bio- membran einzusetzen. Nanofiltrationsmembranen errei- logisch abbaubare Inhaltsstoffe eliminieren zu können. chen nennenswerte Rückhalteleistungen für Stoffe mit Wie beim konventionellen Belebungsverfahren finden ein einer Molmasse von 200 g/mol und größer, während Abbau organischer Stoffe unter Aufbau von Biomasse und durch Umkehrosmosemembranen auch gelöste organische Stoffumwandlungsprozesse wie Nitrifikation und Denitri- Komponenten mit einer Molmasse von 100 – 150 g/mol fikation statt. Die an die Belebtschlammflocken adsorbier- nahezu vollständig zurückgehalten werden. In Tabelle 1-12 ten Stoffe werden von Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmem- und Abbildung 1-24 sind die Molmassen einiger ausge- branen sicher zurückgehalten. wählter Abwasserinhaltsstoffe zusammengestellt. Tab. 1-12 Molmassen ausgewählter Inhaltsstoffe im häuslichen Schmutzwasser [KOPPE, STOZEK 1999] Bezeichnung Summenformel Molmasse [g/mol] natürliche organische Stoffe Makrostoffe Essigsäure C2H4O2 60 Zitronensäure C6H8O7 112 Saccharose C12H22O11 342 Glycin C2H5O2N 75 Harnstoff CH4ON2 60 Östradiol C18H24O2 272 Toluol C7H8 Mikrostoffe 92 synthetische organische Stoffe Trichlorethen C2HCL3 132 Dichlorbenzol C6H8CL10 435 Sorbinsäure C6H8O4 144 55 1 1 Grundlagen der Membrantechnik Abb. 1-24 Molmassen ausgewählter Inhaltsstoffe im häuslichen Schmutzwasser Nanofiltration Umkehrosmose 100 200 300 400 500 Molmasse [g/mol] • • Essigsäure Harnstoffe • Glycin • Toluol • Zitronensäure • Trichlorethen • Sorbinsäure • Östradiol • Saccharose • Dichlorbenzol Eine Besonderheit der Nanofiltrationsmembranen ist ihre Ionenselektivität. Negative Ladungsgruppen auf bzw. in der Membran halten gelöste Salze mit mehrwertigen Anionen zurück, während einwertige Anionen die Mem- • „Gruppe 1: Stoffe, deren Konzentrationen im Zulauf bereits unterhalb der Bestimmungsgrenze liegen“ (u.a. Atrazin). • „Gruppe 2: Stoffe, die im Zulauf und z. T. im Ablauf bran fast ungehindert passieren können. Für industrielle oberhalb der Bestimmungsgrenze detektiert werden Anwendungen wird diese Eigenschaft genutzt, um Wert- und deren Konzentrationen zwischen Zulauf und stoffe aus dem Prozessabwasser zurückzugewinnen (z. B. Ablauf erheblich reduziert werden“( u. a. Naphtalin, Lackwasseraufbereitung bei der Fahrzeuglackierung, Farb- Nonylphenole, Bisphenol A). stoffrückgewinnung in der Papier- oder Textilindustrie). • „Gruppe 3: Stoffe, die im Zulauf und im Ablauf oberhalb der Bestimmungsgrenze detektiert werden und für Für die kommunale Abwasserbehandlung eröffnen sich die keine oder nur eine geringe Reduzierung der Kon- im Hinblick auf den Rückhalt organischer Spurenstoffe zentration auftritt“ (u. a. Diclofenac). neue Perspektiven. In Tabelle 1-13 und sind einige organische Spurenstoffe Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Einteilung der ausgewählt, deren Rückhalt durch Nanofiltrationsmem- organischen Spurenstoffe in drei Gruppen hinsichtlich branen aufgrund ihrer Molmasse zu erwarten ist. Die tat- ihrer konzentrationsabhängigen Relevanz im Abwasser sächliche, quantifizierbare Rückhalteleistung ist jedoch und ihres Abbauverhaltens sinnvoll ist [MUNLV 2004]: erst in praktischen Versuchen zu ermitteln. Zu diesem Aufgabenfeld werden zurzeit intensive Untersuchungen durchgeführt. 56 Grundlagen der Membrantechnik Tab. 1-13 Molmassen ausgewählter organischer Spurenstoffe, deren Rückhalt durch Nanofiltrationsmembranen zu erwarten ist [MUNLV 2004] Bezeichnung Summenformel Molmasse [g/mol] Bisphenol A C15H20O2 228 EDTA C10H16N2O2 292 Trifluralin C13H16F3N3O4 335 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe – PAK C22H12 276 Nonylphenol C15H24O 220 TCEP C6H12O4P1Cl3 285 TCPP C9H18Cl3O4P 327 Clofibrinsäure ClC6H4OC(CH3)2CO2H 214 Carbamazepin C15H12N2O 236 Naproxen C14H14O3 230 Diclofenac C14H11Cl2NO2 296 Organische Spurenstoffe Organophosphate Pharmaka Abb. 1-25 Molmassen ausgewählter organischer Spurenstoffe Nanofiltration Umkehrosmose 200 300 400 Molmasse [g/mol] • Clofibrinsäure • Nonylphenol • Bisphenol A • Naproxen • Carbamazepin • PAK • TCEP • EDTA • Diclofenac • TCPP • Trifluralin 57 1 1 Grundlagen der Membrantechnik Membranbelebungsanlagen benötigen für den Betrieb bei Anforderungen an das Betriebspersonal hohen Schlammaltern gegenüber konventionellen Anlagen erheblich kleinere Belebungsvolumina. Es ist davon Der Betrieb einer Membranbelebungsanlage unterschei- auszugehen, dass bei diesen Bedingungen eine Adapta- det sich in betriebs- und verfahrenstechnischer Hinsicht tion der Biomasse stattfindet, die eine vermehrte Elimi- von einer konventionellen Belebungsanlage. Derzeit nation schwer eliminierbarer Abwasserinhaltstoffe (vgl. besteht deshalb noch Ausbildungs- und Schulungsbedarf z. B. Stoffe der Gruppe 2 und 3) ermöglicht. Eine voll- für Betriebspersonal einer Membrananlage. Für das Mem- ständige Elimination von Stoffen, die evtl. nicht in der branbelebungsverfahren bietet der Erftverband eine Schu- Membranbelebungsanlage eliminiert werden, wie z. B. lungsreihe auf der Kläranlage Nordkanal an und der Stoffe der Gruppe 3, kann durch die direkte Nachschal- Aggerverband errichtet in Zusammenarbeit mit dem tung einer Nanofiltrationsstufe bzw. einer Umkehrosmo- MUNLV NRW zurzeit eine Schulungseinrichtung zum sestufe erreicht werden. Eine Zwischenschaltung einer Membranbelebungsverfahren am Standort der Kläranlage weiteren Reinigungsstufe, wie dies bei konventionellen Seelscheid. Belebungsanlagen erforderlich wäre, ist nicht notwendig. 58 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung In der industriellen Abwasserreinigung wird die Mem- Zu Beginn des Kapitels wird die Verfahrenstechnik genau- brantechnik schon seit Jahrzehnten angewendet. Hinge- er erläutert, wobei eine Unterscheidung nach Art der gen ist dies bei der kommunalen Abwasserreinigung erst Anordnung der Membranstufe in kommunalen Abwasser- seit einigen Jahren der Fall. reinigungsanlagen vorgenommen wird (Abbildung 2-2): Auslöser für den seit einigen Jahren verstärkten Einsatz im • die integrierte Anordnung der Membranstufe in kommunalen Bereich waren sowohl der neuartige Verfahrensansatz der in Belebungsbecken direkt eingetauchten die Belebungsstufe und • die nachgeschaltete Anordnung der Membran- Membranmodule als auch Weiterentwicklungen im Bereich stufe im Ablauf einer konventionellen biologischen der Membranen (Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen). Abwasserreinigungsanlage Beide Aspekte führten dazu, dass diese Technik konkurrenzfähig zu etablierten Reinigungsverfahren, wie z. B. dem In Deutschland hat die integrierte Anordnung der konventionellen Belebungsverfahren, wurde und darüber Membranstufe als Kombination von Belebungsverfah- hinaus eine deutlich verbesserte Reinigungsleistung erzielte. ren und Membranfiltration im sogenannten Membranbelebungsverfahren (Kapitel 2.1) die größte Bedeu- Obwohl in den letzten Jahrzehnten erhebliche Anstren- tung. Das Verfahren wird angewendet gungen im Bereich der Abwasserreinigung unternommen wurden, die sich signifikant auf die Verbesserung der • in Kläranlagen (Kapitel 2.2) sowie in Gewässergüte ausgewirkt haben, ist der weiteren Verbes- • Kleinkläranlagen und Schiffskläranlagen (Kapitel 2.3). serung des Gewässerschutzes auch zukünftig eine hohe Bedeutung beizumessen. Zu nennen sind dabei Maßnah- Beim Membranbelebungsverfahren wird die Mem- men zur Entfernung von Keimen, Bakterien und Viren branstufe anstelle eines Nachklärbeckens zur Abtrennung aus dem Abwasser wie auch zum Rückhalt oder Abbau des biologisch gereinigten Wassers von der Biomasse ein- von Mikroschadstoffen, beispielsweise endokrin wirksa- gesetzt. Je nach verwendetem Modulsystem wird zwischen men Substanzen oder Rückständen aus Arzneimitteln. internen, d. h. in Belebungsbecken eingebrachten Membranmodulen (Abbildung 2-2, 2a), und externen Mem- Im Folgenden wird ein Überblick über die Möglichkeiten branstufen, d. h. separat aufgestellten Membranmodulen der Membrantechnik im kommunalen Bereich gegeben, außerhalb von Becken (Abbildung 2-2, 2b), unterschieden. und es werden die Hintergründe erläutert, warum sich schon heute einige Betreiber für deren Anwendung ent- Biologischen Reinigungsstufen nachgeschaltete Mem- schieden haben. Auf diese Beispiele, aber auch auf tech- branstufen (Abbildung 2-2, 3) werden eingesetzt, um nische sowie wirtschaftliche Rahmenbedingungen, plane- einen vollständigen Feststoffrückhalt und eine weitgehende rische und betriebliche Aspekte wird in den nachfolgen- Hygienisierung des Ablaufs zu erzielen (siehe Kapitel 2.4). den Abschnitten eingegangen. Die Abbildung 2-1 soll dabei dem Leser den Weg durch das Kapitel weisen, so dass er sich – je nach Interesse – direkt auf Themenfelder fokussieren kann. 60 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-1 Anlass – Planung – Betrieb einer kommunalen Membranbelebungsanlage, Inhalte im Kapitel „Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung“ Vorgehen Beispiele S. 286 Anlass Information Neubau, Ertüchtigung Erweiterung von Belebungsstufen Praxisbeispiele S. 93 ff. Verbände Weitergehende Maßnahmen Zielsetzung S. 64 ff. S. 286 S. 266 f. S. 67 Reinigungsanforderungen Ingenieurbüros Örtliche Situation Analyse IST-Zustand ... S. 65 S. 286 Einbeziehung vorhandener Becken S. 270 ff. Membranmodule S. 68 ff. Wirtschaftlichkeit Variantenbetrachtungen Beckenneubau Membranmodule ... S. 286 f. Planung, Bemessung, konstruktive Gestaltung S. 80 S. 287 Betrieb Bemessung Membranbelebungsstufe S. 161 Praxisbeispiele S. 93 ff. Ingenieurbüros Anlagenbauer Anlagenkonfiguration ... S. 90 ff. S. 68 ff. S. 85 S. 270 ff. Reinigung Praxisbeispiele Energieverbrauch Betreiber S. 93 ff. Personal S. 87 f. S. 87 f. S. 266 f. 61 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-2 Konventionelle Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren und Anordnungsmöglichkeiten einer Membranstufe bei kommunalen Abwasserreinigungsanlagen [OHLE 2001] Konventionelle Verfahrenstechnik bei der kommunalen Abwasserreinigung Rohabwasser Ablauf RE/SFF VK BB BB NK ggf. weitergehende Maßnahmen, z. B.: NN, SF, UV 1 Integrierte Anordnung der Membranstufe bei der kommunalen Abwasserreinigung Rohabwasser 2a Ablauf RE/SFF VK ggf. FS optional RE/SFF VK ggf. FS optional BB M Rohabwasser 2b Ablauf BB BB M Nachgeschaltete Anordnung der Membranstufe bei der kommunalen Abwasserreinigung Rohabwasser Ablauf RE/SFF VK BB BB NK M 3 RE⁄SFF Rechen, Sand- und Fettfang VK Vorklärbecken FS Feinsieb 62 BB NK SF Belebungsbecken Nachklärbecken Sandfilter M UV NN Membranstufe UV-Behandlung Nachnitrifikationsstufe Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Unter dem Aspekt des Gewässerschutzes stellt die Mem- mose) lassen auch die Elimination organischer Spuren- brantechnik eine zukunftsweisende Lösung dar. Denn das stoffe erwarten. Abbildung 2-3 zeigt eine entsprechende hohe erreichbare Schlammalter und eine weitere nachge- Verfahrenskombination. schaltete Membranstufe (Nanofiltration oder Umkehros- Abb. 2-3 Verfahrensschema einer Kläranlage mit Membranbelebungsverfahren und nachgeschalteter Membranstufe Membranstufe I (MF/UF) Denitrifikations- Nitrifikationsstufe stufe Rechen Feinsieb (optional) Sandund Fettfang Membranstufe II (NF/UO) Ablauf Rohwasserzulauf Rezirkulation optionale Verfahrensergänzung Überschussschlamm 63 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.1 Da die Leistung der Phasenseparation beim Membranbe- Das Membranbelebungsverfahren lebungsverfahren weitgehend unabhängig von den Absetzeigenschaften des Belebtschlamm-Wasser-Gemi- 2.1.1 sches ist, kann die Belebungsstufe mit weit höheren Bio- Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete massekonzentrationen betrieben werden als bei konventionellen Anlagen. Während in letzteren Biomassekon- Das Membranbelebungsverfahren ist eine Verfahrens- zentrationen von TS < 5 g/l üblich sind, werden die der- kombination von biologischer Abwasserreinigung nach zeit laufenden Membranbelebungsanlagen bei TS-Gehal- dem Belebungsverfahren und der Phasenseparation des ten von 9 – 16 g/l betrieben. Hierdurch können bei Schlamm-Wasser-Gemisches durch Membranfiltration. gleicher Schlammbelastung die benötigten Belebungs- Die eigentliche Abwasserreinigung erfolgt durch Stoff- beckenvolumina gegenüber konventionellen Anlagen um wechsel- und Umsetzungsprozesse in der biologischen bis zu 75 % reduziert werden. Stufe (Belebungsverfahren). Vereinfacht formuliert erfolgt hier eine Umsetzung der im Abwasser gelöst vorliegenden In der nachfolgenden Tabelle 2-1 sind die wesentlichen Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen zu CO2 und N2 Vorteile für den Einsatz des Membranbelebungsverfah- bzw. deren Einbau in die Biomasse. Diese Aufgabe wird rens bei der kommunalen Abwasserbehandlung von Mikroorganismen vollzogen, die sich als suspendierte zusammengestellt. Schlammflocken im Belebungsbecken befinden. Zur Abtrennung des gereinigten Abwassers von der Tab. 2-1 suspendierten Biomasse werden Membranstufen mit Vorteile des Membranbelebungsverfahrens gegen- druckgetriebenen Mikro- oder Ultrafiltrationsmembranen über dem konventionellen Belebungsverfahren eingesetzt. Die Membranen gewährleisten einen vollständigen Feststoff- und Biomasserückhalt, so dass ein dem Belebungsbecken nachgeschaltetes Nachklärbecken zur Phasenseparation, wie bei der konventionellen Klärtechnik, entfällt. Als Resultat erhält man ein feststofffreies, weitgehend hygienisiertes gereinigtes Abwasser. Daher bietet sich der Einsatz einer Membranstufe in der kommunalen Abwasserreinigung vor allem an, wenn erhöhte Anforderungen an die Einleitung des gereinigten Abwassers gestellt werden. Vorteile • vollständiger Feststoffrückhalt: – verbesserte Ablaufqualität hinsichtlich der Parameter CSB und BSB5 – weitgehend hygienisierter Ablauf, d. h. Nachklärung, Filtration und Entkeimungsanlage werden ersetzt – Beeinflussung der Ablaufqualität durch Schwimmschlamm-, Blähschlamm- und Schaumbildung (ggf. geringerer Hilfsstoffbedarf) • geringere Belebungsbeckenvolumina durch erhöhte Biomassekonzentration • bestehende Anlagenkomponenten können beim Ausbau von Anlagen Beim Membranbelebungsverfahren wird zwischen interner und externer Anordnung der Membranmodule unterschieden. Während bei der internen Anordnung die mitgenutzt werden • geringerer Platzbedarf für die Abwasserreinigungsanlage • modulare Erweiterbarkeit von Anlagen Membranmodule (Abbildung 2-2, 2a) innerhalb der Bioreaktoren in das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch eingetaucht werden (getauchtes System), wird bei der externen Auf Basis der in Tabelle 2-1 angeführten Aspekte erweist Anordnung das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch aus den sich das Membranbelebungsverfahren aus ökonomischer Bioreaktoren abgezogen und die Membranmodule, meis- Sicht derzeit bei folgenden Rahmenbedingungen als vor- tens Rohrmodule, üblicherweise im Crossflow-Betrieb teilhafte Option gegenüber anderen Verfahrenstechniken: beschickt (Abbildung 2-2, 2b). In der kommunalen Abwasserreinigung werden aus Kostengründen ausschließlich getauchte Modulsysteme eingesetzt (Kapitel 2.1.2). 64 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Anforderungen an die Ablaufqualität Liegen erhöhte Anforderungen an die Einleitwerte hin- nomisch interessante Lösung dar. Wie die nachfolgende sichtlich der Standardüberwachungsparameter oder Tabelle 2-2 zeigt, ist die Ablaufqualität von Membranbe- hygienischer Parameter vor, wie z. B. für die Einleitung in lebungsanlagen deutlich besser als diejenige konventio- schwache Vorfluter, Trinkwassereinzugsgebiete oder Bade- neller Kläranlagen. gewässer, so stellen Membranbelebungsanlagen eine öko- Tab. 2-2 Leistungsdaten von Membranbelebungsanlagen im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen [DOHMANN ET AL. 2002] Parameter Konventionelle Membranbelebungsanlage Belebungsanlage Feststoffe (AFS) mg/l 10 – 15 0 CSB mg/l 40 – 50 < 30 Nges mg/l < 13 < 13 Pges (mit Simultanfällung) mg/l 0,8 – 1,0 < 0,3 hygienisch bedenklich Badegewässerqualität <5 < 20 0,2 – 0,4 0,7 – 1,5 Mikrobiologische Qualität Trockensubstanzgehalt g/l im Belebungsbecken Spez. Stromverbrauch kWh/m3 So ergaben Untersuchungen zur hygienischen Qualität tionellen Abwasserreinigungsanlage [BAUMGARTEN, des Ablaufs, dass mit Membranbelebungsanlagen die An- BRANDS 2002] derjenigen der Pilotanlage Büchel gegen- forderungen der EU-Badegewässerrichtlinie ohne weiter- übergestellt (jeweils Mittelwerte aus Mehrfachbeprobung). gehende Behandlungsmaßnahmen eingehalten werden Deutlich zu erkennen ist, dass die Anlage mit Membran- können. Zur Verdeutlichung der hohen Ablaufquali- technik hinsichtlich der hygienischen Ablaufqualität den tät von Membranbelebungsanlagen ist dazu in Abbil- konventionellen Anlagen überlegen ist. dung 2-4 beispielhaft die Keimbelastung einer konven- 65 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-4 Vergleich der Keimbelastung im Ablauf von Kläranlagen [BAUMGARTEN, BRANDS 2002] konventionelle Kläranlage Membranbelebungsanlage Leitwert EU Grenzwert EU 1.000.000 100.000 10.000 1.000 100 10 1 E. coli [MPN/100 ml] Gesamt-Coliforme [MPN/100 ml] Fäkalstreptokokken [MPN/100 ml] Salmonellen [MPN/100 ml] Coliphagen [PFU/l] Gesamtkeimzahl [KBE/ml] Entwässerungssystem Örtliche Situation Wird das Einzugsgebiet vorrangig im Trennsystem entwäs- Aufgrund der höheren Biomassekonzentrationen in sert, so ist die zu installierende Membranfläche in der Bele- Membranbelebungsanlagen können die Belebungsbecken- bungsstufe der Kläranlage um ein Vielfaches kleiner als bei volumina um 50 bis 75 % kleiner dimensioniert werden Anlagen, in denen Abwässer aus Mischsystemen gereinigt als bei konventionellen Anlagen. Erfordert die zur Verfü- werden. Aufgrund der geringeren hydraulischen Schwan- gung stehende Grundfläche eine kompakte Bauweise, so kungen wird die Membranstufe optimal ausgelastet und kann eine Membranbelebungsanlage eine technische kann so mit alternativen technischen Lösungen zur Ab- Lösung darstellen. Dies zeigt Abbildung 2-5 exemplarisch wasserreinigung konkurrieren, selbst wenn keine erhöhten für den Variantenvergleich beim Neubau der Kläranlage Anforderungen an die Ablaufqualität gestellt werden. Kaarst. Daneben führt ein hoher Fremdwasseranfall im Kanalnetz zu großen Membranflächen, so dass Membranverfahren vorzugsweise bei einem geringen Fremdwasseraufkommen im Vergleich zum Schmutzwasseraufkommen Anwendung finden sollten. 66 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-5 Schematische Darstellung des Flächenbedarfs einer konventionellen Belebungsanlage (blaue Flächenumrandung) und einer Membranbelebungsanlage (rote Flächenumrandung) am Beispiel der KA Kaarst [ERFTVERBAND 2002] Umbau bzw. Erweiterung von Anlagen Bestehende Anlagen, die z. B. aufgrund erhöhter Anforde- verband, Kommunale Wasserwerke Leipzig (KWL)), bei rungen an die Ablaufqualität oder gestiegener Abwasser- weiteren Projekten die Membrantechnik in die Wirt- mengen umgebaut bzw. erweitert werden müssen, können schaftlichkeitsbetrachtung mit einzubeziehen oder gar zu Membranbelebungsanlagen umgerüstet werden. Die direkt bei der Planung zu bevorzugen, sind ein deut- Membranstufe lässt sich dabei kostengünstig in bestehen- licher Hinweis auf die Konkurrenzfähigkeit zur konven- de Anlagenteile integrieren, so dass z. B. auf den Abriss tionellen Technik. Nach Ansicht der KWL wird – unter bzw. Neubau von Belebungsbecken verzichtet werden Berücksichtigung weiterer Reduzierungen der Membran- kann. Vorteilhaft ist dies insbesondere dann, wenn eine kosten sowie durch Verfahrensoptimierungen – sogar ein flächenmäßige Ausdehnung einer zu erweiternden Anlage Generationswechsel hin zur Membrantechnik erwartet, aufgrund der örtlichen Situation nicht möglich ist. der sich nicht über die Steigerung der Reinigungsanforderungen, sondern über rein wirtschaftliche Aspekte durch- Da zukünftig Kostenreduzierungen für installierte Mem- setzt [WALTHER 2001]. branflächen zu erwarten sind (Kapitel 2.1.4), ist mit einer weiteren Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu rechnen. Die Entscheidungen der Wasserverbände, die bereits erste großtechnische Erfahrungen mit der Membrantechnik gesammelt haben (Aggerverband, Erft- 67 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.1.2 Kapillarmodul der Fa. ZENON, Kanada Eingesetzte Membranmodule Das in Abbildung 2-6 dargestellte Kapillarmodul (ProDie grundsätzliche Eignung von Membranen zur Trennung duktbezeichnung: ZeeWeedTM) besteht aus einer Vielzahl von Belebtschlamm und Wasser ist seit langem bekannt. röhrenförmiger Membranen mit einem Durchmesser von Doch wurden erst in den vergangenen zehn Jahren Modul- 3 mm, die parallel zueinander zwischen zwei Kunststoff- systeme entwickelt, die aufgrund günstiger Investitions- blöcken (Modulkopf und -fuß) eingeharzt sind. Die Mem- und Betriebskosten für die kommunale Abwasserreinigung brankapillaren (Porengröße ~ 0,04 µm) werden von eine relevante Verfahrensalternative zur Sedimentation außen mit dem Belebtschlamm-Wasser-Gemisch beauf- darstellen. schlagt, das Permeat gelangt in das Innere der Kapillaren und wird über eine im Modulkopf integrierte Sammellei- Bislang am weitesten verbreitet sind die so genannten tung abgezogen. Zur Minimierung der Deckschichtbil- Niederdruckverfahren mit getauchten Modulen. Die dung auf den Membranflächen wird am Fuß des Moduls Mikro- bzw. Ultrafiltrationsmodule werden dabei direkt grob- bis mittelblasige Luft eingepresst, die eine Auf- in das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch eingetaucht und strömbewegung des Schlamm-Wasser-Gemisches und ziehen das biologisch gereinigte Abwasser als Filtrat bei eine Bewegung der Kapillaren zwischen der Einspannung Transmembrandrücken < 0,5 bar im Unterdruck- oder erzeugt. Eine zusätzliche Deckschichtentfernung ist durch Überstaubetrieb („gravity-flow“) ab. Einen großen Anteil eine zyklische filtratseitige Rückspülung der Module im an den weltweit großtechnisch eingesetzten Modulen so genannten „Backpulse-Modus“ möglich. Ein Beispiel haben zurzeit Kapillarmodule der Firma ZENON und für eine gängige Betriebseinstellung ist ein Filtrations- Plattenmodule der Firma Kubota. Diese Module sowie die betrieb von 6 Minuten und eine Rückspülzeit von 30 wesentlichen nationalen und internationalen Neuent- Sekunden. wicklungen werden im Folgenden vorgestellt. Abb. 2-6 ZeeWeed™-Modul der Firma ZENON, links: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines Moduls [OHLE 2001], rechts: Foto der technischen Ausführung als Modulkassette [Foto: ZENON] Luftzufuhr Rückspülung Permeatabzug Modulkopf mit integriertem Permeatsammelkanal Membranbündel Permeatkanal Stützschicht Membran Aufsteigendes Schlamm-WasserLuft-Gemisch Stützrahmen mit integrierter Luftleitung Modulfuß Belüfter Stützrahmen 68 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Die Modulkonfiguration der Fa. ZENON ist in den letzten Abb. 2-7 Jahren fortwährend optimiert worden. Mit dem aktuellen Anordnung mehrerer ZeeWeed™-Module ZW 1000 Kapillarmodul ZW 500 d ist eine sehr kompakte Bauform in einer Kassette [Foto: ZENON] erreicht worden (Abbildung 2-6). Die in Abbildung 2-7 dargestellte Modulkassette des Typs ZW 1000 (Porengröße der Membranen 0,02 µm) wurde ursprünglich für die Trinkwasseraufbereitung konzipiert, wird aber beispielsweise auch zur weitergehenden Reinigung bzw. zur Aufbereitung des Ablaufs einer Nachklärung oder einer Sandfiltration eingesetzt. Plattenmodul der Fa. Kubota, Japan Die Plattenmodule (Abbildung 2-8) bestehen aus einer Trägerplatte, auf die beidseitig die Membranfolie (Porengröße ~ 0,4 µm) aufgeschweißt ist. Zwischen der Platte und der Membran befindet sich ein Drainage- und Stützvlies. Die Trägerplatte ist mit Drainagekanälen versehen, die in einem Saugstutzen zum Permeatabzug zusammenlaufen. Die einzelnen Platten werden in einem Abstand von 6 mm parallel zueinander und senkrecht stehend zu einem Plattenpaket zusammengefasst und in einen Stützrahmen eingesetzt Abb. 2-8 Plattenmodul der Firma Kubota, links: Schematische Darstellung des Funktionsprinzips [nach KRAFT, MENDE 1997], rechts: Foto der technischen Anordnung der Plattenmodule als Plattenpaket [Foto: KUBOTA] Filtratsammelleiste Filtrat Saugstutzen Membranpaket Sammelkanäle Drainagevlies Membranträger Membran Aufströmkanal Druckbelüfter Luft Suspension 69 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-9 Anordnung der Plattenmodule der Firma Kubota als „Doppeldecker“ [AGGERWASSER GMBH 2004] Membranpaket oben Membranpaket unten Belüftungseinrichtung (Abbildung 2-8). Der Stützrahmen ist seitlich geschlossen schen der so genannte Doppeldecker angeboten (Abbil- und auf einem Aufströmkanal montiert, an dessen Fuß eine dung 2-9). Hierbei sind zwei Plattenpakete übereinander flächendeckende Druckbelüftungsvorrichtung angeordnet angeordnet, so dass die eingetragene Luft bzw. das auf- ist. Das Schlamm-Wasser-Luft-Gemisch steigt durch die ein- strömende Schlamm-Wasser-Luft-Gemisch doppelt ausge- geblasene Luft auf, überströmt die Flachmembranen und nutzt werden kann. Dadurch reduziert sich der Energie- sorgt für die Deckschichtentfernung. Der Filtratabzug er- bedarf für die Modulbelüftung erheblich. folgt durch einen filtratseitig angelegten Unterdruck oder den hydrostatischen Druck der wirkenden Wassersäule Modulystem der Fa. PURON AG („gravity flow") über die Filtratsammelleiste, welche mit den Saugstutzen der einzelnen Platten verbunden ist. Die An der RWTH Aachen wurde vor etwa fünf Jahren ein Entfernung der Deckschicht auf den Platten erfolgt nicht neues, getauchtes Modulsystem aus Kapillarmembranen durch eine permeatseitige Rückspülung. Stattdessen wird mit einer Porengröße von ca. 0,1 µm entwickelt, das der Filtrationsbetrieb intervallweise unterbrochen, während mittlerweile für den Einsatz in der Wasseraufbereitung die Module weiter belüftet werden [KRAFT, MENDE 1997]. und Abwasserbehandlung zur Verfügung steht. Die Pro- Die Pausenzeit zur Entspannung der Membranen und Ab- duktion und Vermarktung der neuen Membranfilter reinigung der Deckschicht variiert dabei je nach Abwasser- erfolgen durch die Firma PURON, die zum KOCH- zusammensetzung. Für mehrere kommunale Anlagen hat GLITSCH Konzern gehört. sich ein neunminütiger Filtrationsbetrieb mit einer anschließenden Pausenzeit von einer Minute bewährt. Die patentierte Grundidee des PURON-Moduls basiert auf Bündeln aus Membranfasern, die nur an ihrem unteren Als Weiterentwicklung der Kombination aus Aufström- Ende der Module fixiert sind, während sie an ihrem oberen kanal und Plattenpaket wird für die Großtechnik inzwi- Ende, einzeln verschlossen, sich frei im zu filtrierenden 70 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-10 PURON-Modul und Modulbaustein [Foto: PURON] PURON-Modul Modulbaustein Filtrat Filtrat Luftblasen Luft Membranfaser Membranfasern Faserhalter Filtrat Modulreihen Luftleitung • Zentrale Luftzufuhr • Einseitige Fixierung der Membranen • Aufbau aus einzelnen Membranbündeln Belebtschlamm-Wasser-Gemisch bewegen können (Abbil- Im technischen Modul von PURON wird eine Vielzahl die- dung 2-10). ser Modul-Bausteine parallel angeordnet. Die Gesamtmembranfläche des PURON-Moduls beträgt 504 m2, wobei die In der Mitte jedes Faserbündels eines Modulbausteins ist Einbau- und Anschlussmaße des Moduls kompatibel zu zentral eine Luftzufuhrdüse angeordnet. Über diese wird anderen bestehenden Modulsystemen gestaltet sind. gezielt Luft zur Bewegung und Abreinigung der Membranen in die Membranbündel eingetragen. Die Luft durch- Im Rahmen eines vom „Kompetenznetzwerk Wasser strömt das Membranfaserbündel von innen nach außen NRW“ geförderten Testfeldes für Membranbelebungsanla- und steigt gleichzeitig nach oben. Dabei werden Mem- gen liefen seit August 2001 Pilotversuche auf der Kläran- branbeläge bzw. beginnende Verschlammungen aus dem lage Aachen-Eilendorf, bei denen einzelne Modulbaustei- Modul ausgetragen. Auch Haare und faserige Verbindun- ne unter realen Bedingungen, d. h. mit Lastschwankun- gen können frei nach oben abgestreift werden, wodurch gen betrieben wurden. Die Erkenntnisse dieser ersten das Problem einer Verzopfung der Module auch bei rela- Pilotierung bildeten die Grundlage für die Errichtung tiv grober Vorsiebung vermieden werden soll. Aufgrund einer technischen Anlage auf der Kläranlage Simmerath des definierten Lufteintrags kann die Belüftungszeit der für 750 EW in NRW, die seit Ende 2002 im Rahmen eines Module auf 5 bis 10 % der Filtrationszeit verkürzt und Forschungs- und Entwicklungsvorhabens betrieben wird. damit der Energiebedarf für die Überströmung deutlich reduziert werden. 71 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Modulsystem der Martin Systems AG Von der Martin Systems AG wird unter dem Namen ® anschlussfähigen Modulpaket. Für den technischen Ein- siClaro ein neues Modulsystem vertrieben. Die Innova- satz werden mehrere Modulblöcke nebeneinander und tion dieses Modulsystems liegt nach Herstellerangabe im übereinander miteinander verbunden. Ein anschlussfähi- Filteraufbau und in der Betriebsweise. ges siClaro® Membranmodul Typ FM 643 (siehe Abbildung 2-11 rechts) besteht z. B. aus 12 Modulblöcken und ver- Für die Module werden Flachmembranen mit einer fügt über eine Membranfläche von 72 m2. Porengröße von etwa 0,04 µm eingesetzt. Jede Membran ist auf ein Stützgerüst mit einer offenen Gitterstruktur Durch den Einsatz feinblasiger Membranrohrbelüfter aufgeschweißt. Auf ein Drainagevlies kann verzichtet unterhalb des Modulpaketes soll ein höherer Sauerstoff- werden kann. Die Stützgerüste weisen die für eine effekti- eintrag erzielt werden, um hierdurch die zusätzlich not- ve Abreinigung der Membranoberflächen notwendigen wendige Luftzufuhr zur Versorgung der Mikroorganismen Abstandshalter auf und werden zu Modulblöcken ver- zu reduzieren. Auf eine Rückspülung mit Filtrat kann schweißt. Auf jeden Modulblock werden quer zum Stütz- durch die Fixierung der Membranen quer zum reinigen- gerüst im Kopf- und Fußbereich Filtratsammler aufge- den Wasser-/Luftgemisch verzichtet werden. schweißt. Die selbsttragende Konstruktion erlaubt relativ geringe Materialstärken für das Stützgerüst und ermög- Abbildung 2-11 zeigt das Schema eines Modulblocks und licht eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten bei ein anschlussfähiges Modulpaket. der Zusammenstellung der Modulblöcke zu einem Abb. 2-11 Membranmodul der Martin Systems AG [Foto: MARTIN SYSTEMS AG], links: schematische Darstellung eines Modulblocks, rechts: anschlussfähiges Modulpaket 72 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung VRM®-Verfahren mit Rotations-Plattenmodulen und VUM®-Verfahren der Huber AG, Deutschland Das VacuumRotationMembrane-System (Huber VRM® - Von der Huber AG wird insbesondere für die Anwendung Verfahren, früher der Martin Systems AG) wird bereits in kleinen, dezentralen Kläranlagen das Vacuum Upstream seit 2001 auf der Kläranlage Knautnaundorf in Sachsen Membrane® Verfahren (VUM®-Verfahren) vertrieben. Da- großtechnisch betrieben. Die eingesetzten Membranmo- bei kommen kleine Plattenmodule mit wenigen Quadrat- dule (Porengröße ~ 0,04 µm) bestehen aus parallel ange- metern Membranfläche zur Anwendung (Abbildung 2-13). ordneten Plattensegmenten (Scheibenpakete), die jeweils Die einzelnen mit Ultrafiltrationsmembranen be- mit einem Anschluss zum Absaugen des Permeats verse- spannten Filterplatten im Modul sind parallel angeordnet, hen sind (Abbildung 2-12). Der Aufbau der Plattenseg- wobei die Abstände variabel sind. Die VUM®-Module wer- mente ist dem der Kubota-Platten ähnlich. Die Scheiben- den in die zu filtrierende Flüssigkeit getaucht, und das pakete sind axial um eine rotierende Hohlwelle angeord- Filtrat wird direkt über die Flachmembranen mit einer net und über einen Permeatsammler verbunden, durch Porengröße von 0,04 µm abgesaugt. In einem Spülkasten den kontinuierlich im Unterdruckbetrieb das Permeat unterhalb des Moduls wird das Schlamm-Wasser-Luft- abgezogen wird. Gemisch erzeugt, welches die Membranen quer zur Filtrationsrichtung überströmt und damit zur Abreinigung der Im Zentrum des Scheibenpakets wird über die gesamte Beläge von den Filtrationsoberflächen beiträgt. Die Module Länge durch eine Verteilereinrichtung kontinuierlich Luft können gestapelt und als Pakete zu mehreren Modulen radial nach oben eingepresst, die zwischen den Platten zusammengefasst werden, so dass kompakte Filtrations- aufsteigt. Durch die Rotation des Scheibenpakets wird die einheiten entstehen, die sich an den jeweiligen Einsatz- gesamte Membranfläche mit dem aufsteigenden Schlamm- fall anpassen lassen. Wasser-Luft-Gemisch überströmt, so dass eine Deckschichtentfernung stattfindet. Abb. 2-12 Huber VRM®-Verfahren [Fotos: HANS HUBER AG, MARTIN SYSTEMS AG], oben: Ansicht einer Filtrationseinheit, unten: Eingebaute Filtrationseinheit auf der KA Knautnaundorf 73 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-13 Huber VUM ®-Verfahren [HANS HUBER AG], links: Ansicht eines Modulpakets in zweistöckiger Anordnung, rechts: Ansicht eines Moduls Abb. 2-14 Membranelement und Membranmodul der Fa. Mitsubishi [Foto: ENVICARE ® ] 74 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Modulsystem der Mitsubishi AG Mitsubishi, u. a. bekannt für seine PKW-Produktion, stellt Lage senkrecht zur Aufströmrichtung des Luft-Belebt- auch Membranen zur Filtration von Wasser und Abwas- schlamm-Wasser-Gemisches angeordnet. Im Betrieb wird ser her und vertreibt diese in einem Modul unter dem die Oberfläche der Membranen durch die permanent ein- ® Namen Sterapore-SUN (siehe Abbildung 2-14). Die Hohl- geblasene Luft möglichst frei gehalten. Darüber hinaus ist fasermembranen aus Polyethylen mit einer Porengröße periodisch eine Rückspülung der Membranen mit Perme- von 0,4 µm sind horizontal zwischen Sammelrinnen für at vorgesehen. Es können bis zu drei Membranmodule das Permeat eingespannt und werden in den Belebt- übereinander angeordnet werden, wobei der relative Luft- schlamm eingetaucht. Somit sind die Hohlfasern in ihrer bedarf für drei Module geringer ist als für zwei. Abb. 2-15 Plattenmodul der Firma A3-GmbH [Foto: A3 GMBH], links: Foto der einstöckigen Ausführung, rechts: Draufsicht auf ein Plattenmodul Modulsystem der Fa. A3 Abfall-Abwasser-Anlagen- Gegensatz zu den Kubota-Plattenmembranen – eine per- technik GmbH meatseitige Rückspülung möglich. Derzeit liegen mehrjährige Erfahrungen bei der Anwendung des Membran- Eine weitere Membranentwicklung aus NRW wird von materials in unterschiedlichen Abwässern vor, z. B.: der Fa. A3 Abfall-Abwasser-Anlagentechnik GmbH/Hese Umwelt GmbH vorangetrieben. Das System basiert dabei • Filtration von Kompostsickerwasser auf dem Prinzip der Plattenmembranen (Porengröße ~ • Filtration von Gülle 0,4 µm), die sich durch eine spezielle Werkstoffauswahl • Filtration von Gärresten aus Biogasanlagen und ein optimiertes Konstruktionsprinzip kostengünstig • Filtration von belebtem Schlamm aus Textilabwasser- herstellen lassen. Abbildung 2-15 zeigt die Ansicht eines Prototypen sowie ein Konstruktionsbeispiel. Infolge eines anderen konstruktiven Aufbaus der Membranplatte ist behandlungsanlagen • Filtration von belebtem Schlamm aus der kommunalen Abwasserbehandlung bei den von der Fa. A3 entwickelten Membranen – im 75 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Modulsystem der US Filter Corporation Abb. 2-16 Membranmodul der Fa. US Filter Corporation Von der amerikanischen Firma US Filter wird unter dem Namen MemJet TM [Foto: US FILTER CORPORATION] ein getauchtes Modulsystem produziert und vertrieben. Die Membranmodule bestehen aus gebündelten Kapillarmembranen (Porengröße ~ 0,2 µm), Permeat die an beiden Enden fixiert sind (Abbildung 2-16). Am Fuß des Moduls wird über eine Zweiphasendüse ein LuftBelebtschlamm-Gemisch eingetragen. Durch das aufströmende Gemisch soll die reversible Deckschicht auf den Membranen nach Herstellerangaben effizient kontrolliert und eine gute Durchmischung im Membranreaktor gewährleistet werden, so dass Ablagerungen und Foulingbildung auf den Membranen entgegengewirkt wird. Der BelebtschlammWasserGemisch Luft Permeatabzug erfolgt am Kopf des Moduls. Abbildung 2-17 zeigt die Draufsicht auf in Klarwasser getauchte Module. Modulsystem der Fa. Keppel Seghers Belgium Abb. 2-17 Membranmodul der Fa. Keppel Seghers Belgium Das von der Firma Seghers Keppel unter dem Namen ® Unibrane produzierte und vertriebene Modulsystem ist in seiner konstruktiven Gestaltung mit dem der Firma Kubota vergleichbar. Das Membranmodul besteht aus Plattenmembranen der Firma Toray mit einer nominellen Porengröße von 0,1 µm. Die Modulanordnung kann an die jeweilige Anwendung angepasst und sowohl einstöckig als auch zweistöckig ausgeführt werden. Abbildung 2-17 zeigt die Draufsicht auf in Klarwasser getauchte Module. 76 [Foto: KEPPEL SEGHERS BELGIUM NV] Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Modulsystem der Weise Water Systems GmbH & Co. KG Das MicroClear Filtersystem besteht aus getauchten Ultra- der reversiblen Deckschicht beitragen. Zur Entfernung der filtrationsmodulen, in die Membranen mit einer Poren- Deckschicht wird der Filtrationsbetrieb in bestimmten größe von 0,05 µm eingebaut sind. Ein Modul besteht je Zeitabständen unterbrochen und die Module in dieser nach Anwendungsfall aus 26 bis 40 einzelnen Filterplat- Zeit intervallweise belüftet. Das Rohwasser wird von ten (siehe Abbildung 2-18), die parallel angeordnet sind. außen nach innen über die Membranen filtriert und das In Abhängigkeit der Beschaffenheit des Rohwassers wer- Permeat durch Unterdruck an der Stirnseite des Moduls den die Filterplatten mit unterschiedlichen Abständen an- über eine Sammelleitung abgezogen. Entsprechend der geboten. In die Module wird nach Bedarf intermittierend benötigten Kapazität können 1 bis 100 MicroClear Filter fein- bis mittelblasige Luft eingeblasen, wodurch das Be- in einem Rahmen nebeneinander und übereinander (ein- lebtschlamm-Wasser-Gemisch aufströmt. So entstehen an und zweistöckig) angeordnet werden (Abbildung 2-18). den Membranoberflächen Scherkräfte, die zur Kontrolle Abb. 2-18 Modulsystem der Weise Water Systems GmbH & Co. KG [WEISE WATER SYSTEMS GMBH & CO. KG], links: Aufbau eines Filterelements, rechts: Filtersystem in zweistöckiger Anordnung Filterplatte Membran Spacer Filtratauslässe 77 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Neuentwicklungen bei Membranmodulen aus Abb. 2-19 Deutschland Keramische Plattenmembranen der Firma ItN Nanovation [Foto: ItN NANOVATION] Modulsystem der ItN Nanovation Das Modulsystem der Firma ItN Nanovation besteht aus getauchten Modulen, die aus keramischen Plattenmembranen (Abbildung 2-19) aufgebaut sind. Als Werkstoff der Membranen wird vom Hersteller für die Trägerschicht -Al2O3 und die aktive Trennschicht -Al2O3, TiO2 oder ZrO2 angegeben. Die Membranen sind mit unterschiedlichen Trenngrenzen aus dem Bereich der Mikround Ultrafiltration lieferbar. Ein Modul verfügt über 86 Membranplatten mit einem Plattenabstand von 7 mm, wobei die aktive Membranfläche eines Moduls ca. 11 m2 beträgt. Maximal 8 Module können zu einem Rack zusammengefügt werden. Abb. 2-20 Membranmodul und Konfiguration der Module im Rack mit darunter liegender Belüftungseinrichtung [Fotos: ItN NANOVATION] Die Belüftungseinrichtung besteht aus mit Schlitzen ver- die hohe thermische und chemische Beständigkeit und sehenen Rohrbelüftern. eine lange Standzeit sowie dem damit verbundenen breiteren Anwendungsgebiet. Zur Kontrolle der Deckschicht werden die Membranmodule bei der Filtration von Belebtschlamm von unten mit Modulsystem des Fraunhofer IGB, Stuttgart grobblasiger Luft beaufschlagt. Besondere Vorteile der Der Rotations-Scheibenfilter (RSF) des Fraunhofer Insti- keramischen Membranen erwartet der Hersteller durch tuts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) 78 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, in dem ein tion der Abwasserinhaltsstoffe im Bereich von 200 bis Stapel von Membranfilterscheiben auf einer rotierenden 500 U/min. Der RSF kann trocken aufgestellt oder als Hohlwelle befestigt ist (Abbildung 2-21). Die Umdre- getauchtes System betrieben werden. hungsgeschwindigkeit variiert nach Art und Konzentra- Abb. 2-21 Prinzipskizze des Rotationsscheibenfilters (RSF) Rotierende Hohlwelle Membranfilterscheiben Zylindrisches Gehäuse Feststoffaustrag Filtrat Zulauf Die Membranen bestehen aus einem keramischen Abb. 2-22 Material und zeichnen sich im Betrieb durch hohe Per- Module des Rotations-Scheibenfilters im Labor- meatflüsse aus. Momentan sind Keramikscheiben mit maßstab [Foto: FRAUNHOFER IGB] Außendurchmessern von 152 mm und 312 mm und 6 Trenngrenzen erhältlich. Die Abbildung 2-22 zeigt ein trocken aufgestelltes Labormodul mit Druckgehäuse. Als getauchtes System eingesetzt, fehlt bei dem RSF das Druckgehäuse. Das Permeat passiert die Trennschicht auf der Membranscheibe von außen nach innen und wird über die Hohlwelle abgezogen. Die Deckschichtkontrolle erfolgt beim RSF durch das erzeugte Zentrifugalkraftfeld, welches die auf der Filterscheibe haftende und deshalb mitrotierende laminare Grenzschicht nach außen abfließen lässt und somit für eine ständige Deckschichterneuerung sorgt. 79 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Wie die Ergebnisse aus dem Betrieb von Pilotanlagen zei- griff dazu die Abweichungen gegenüber der Bemessung, gen, ist der RSF unempfindlich gegenüber Verstopfungen der Gestaltung und dem Betrieb konventioneller Bele- und Verzopfungen Dadurch ist der Einsatz des RSF auch bungsstufen fokussiert. Diese betreffen insbesondere zur Filtration von gefaultem Klärschlamm geeignet. Auf der Kläranlage Heidelberg wird zurzeit eine Demonstrationsanlage zur Filtration des Klärschlamms betrieben, • die Vorbehandlung des Rohabwassers (mechanische Abwasserreinigung), und auf der Kläranlage Tauberbischhofsheim wird im Jahr 2005 eine großtechnische Anlage zur Filtration des Klärschlamms errichtet. In beiden Anlagen werden Keramik- • die verfahrenstechnische Gestaltung und Bemessung der Belebungsstufe, membranen mit einer Porengröße von 0,2 µm eingesetzt. • die Bemessung der Belüftungseinrichtungen, Sonstige Modulsysteme zur Trennung von Belebtschlamm und Wasser • die Gestaltung der Schlammbehandlung, Neben den zuvor beschriebenen Modulsystemen existieren weitere, die aber in Deutschland (wie auch einige der oben genannten) bislang nicht großtechnisch in der • den Betrieb der Membranstufe einschließlich der durchzuführenden Membranreinigung und kommunalen Abwasserreinigung eingesetzt werden. Einige der Hersteller für verschiedene Modulsysteme verfügen jedoch über Referenzen im europäischen, amerikanischen • geänderte Randbedingungen bzw. Sicherheiten für mögliche Störfälle. und asiatischen Raum, wie z. B. Module für getauchte Systeme der Firmen Rhodia und Norit. Die Zahl der An- 2.1.3.1 bieter und der Neuentwicklungen von Modulen nimmt Bemessung seit einigen Jahren kontinuierlich zu. Die Bemessung einer Membranbelebungsstufe kann nach 2.1.3 den Grundsätzen der Bemessung für konventionelle Bele- Planung und Betrieb von Membranbelebungs- bungsstufen, d. h. nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A- anlagen 131 [ATV-DVWK 2000c] oder nach Hochschulgruppenansatz [DOHMANN ET AL. 1993] erfolgen. Aufbauend und Bedingt durch die „neue“ Verfahrenskomponente Mem- ergänzend dazu wurde vom Institut für Siedlungswasser- branstufe ergeben sich gegenüber der konventionellen wirtschaft der RWTH-Aachen in der ersten Hälfte des Jahres Abwasserreinigung bemessungsspezifische, konstruktive 2005 ein Upgrade für das Bemessungstool „ARA-BER" her- und betriebliche Unterschiede. Hierzu werden die maß- ausgebracht. Das Upgrade basiert auf einer mit Mitteln geblichen Aspekte im Folgenden zusammengestellt. Sie der Oswald-Schulze-Stiftung und des Landes Nordrhein- basieren auf Erkenntnissen aus den ersten Betriebsjahren Westfalen finanzierten Version des Bemessungsprogramms. großtechnischer Anlagen, einer Vielzahl von labor- und halbtechnischen Untersuchungen – zu nennen sind Im Vergleich zur konventionellen Bemessung, bei der dabei auch die Erkenntnisse aus den Niederlanden (Ver- aufgrund der Interaktionen zwischen Belebungs- und suchsfeld Beverwijk) [v.d. ROEST ET AL. 2002] – und den Nachklärbecken eine iterative und stark verknüpfte Be- Veröffentlichungen des DWA-Fachausschusses KA 7 – messung von Belebungsbecken- und Nachklärbecken- Membranbelebungsverfahren [ATV-DVWK 2000a; DWA volumina zu erfolgen hat, ist dies bei einer Membran- 2005]. Dieser Ausschuss, in dem Betreiber, Hersteller und belebungsstufe nicht erforderlich. Membranstufe und Wissenschaftler vertreten sind, erarbeitet ein entspre- Belebungsbecken können unter den im Folgenden aufge- chendes Arbeitsblatt für Membranbelebungsstufen in führten Rahmenbedingungen weitgehend getrennt von- Analogie zum Arbeitsblatt ATV-DVWK-A-131, so dass in einander ausgelegt werden. einigen Jahren ein verbindliches Regelwerk zu erwarten ist. In nachfolgender Zusammenstellung werden im Vor- 80 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Ein Beispiel zu der Bemessung einer Membranbelebungs- penansatzes. Bei höherem Schlammalter sind die in anlage auf Basis der nachfolgenden Empfehlungen ist in Abbildung 2-23 dargestellten Auslegungsempfehlungen Kapitel 2.5 erläutert. des DWA-Fachausschusses KA-7 Membranbelebung [ATVDVWK 2000a; DWA 2005] zu berücksichtigen, da infolge Die Bemessung der Belebungsbecken erfolgt dabei des höheren Schlammalters die üblichen Ansätze zur für Schlammalter < 30 Tage nach den bewährten o. g. Ermittlung des Überschussschlammanfalls keine Gültig- Bemessungsverfahren der ATV oder des Hochschulgrup- keit besitzen. Abb. 2-23 Spezifische Überschussschlammproduktion in Membranbelebungsstufen [ATV-DVWK 2000a] 1,4 1,2 ÜSBSB5 [kg TS/kg BSB5] 1,0 1,2 1,0 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 TS0/BSB5 Bemessungsbereich 0,4 minimale ÜS-Produktion Nährstoffelimination tTS = 15d 0,2 0 0,001 0,01 0,1 1 Schlammbelastung [kg BSB5 /(kg ·TS · d)] Bis heute werden sämtliche bestehenden und geplanten für den Betrieb der Membrananlagen TSBB im Bereich von großtechnischen Membranbelebungsanlagen zur kommu- 10 bis 15 g/l bewährt, da in diesem Bereich das Schlamm- nalen Abwasserreinigung in Deutschland mit Schlamm- Wasser-Gemisch gut filtrierbar und der Sauerstoffeintrag belastungen von BTS, BSB5 0,08 kg BSB5/kg TS, d. h. für wirtschaftlich zu gewährleisten ist. Der Schlammindex eine Stickstoffelimination bei simultan-aerober Schlamm- wird bei der Bemessung von Membranbelebungsanlagen stabilisierung (Schlammalter 25 d), ausgelegt. nicht berücksichtigt. Während bei konventionellen Belebungsstufen der Fest- Infolge des höheren TSBB in Membranbelebungsstufen stoffgehalt (TSBB) und der Schlammindex (ISV) in der von 10 bis 15 g/l, je nach Modulart und Herstelleremp- Belebungsstufe sowohl in die Größe des Belebungs- als fehlungen, ergeben sich bei gleicher Schlammbelastung auch des Nachklärbeckens Eingang findet, ist dieses bei im Vergleich zu konventionellen Belebungsstufen um 3- Membranbelebungsstufen nicht der Fall. Prinzipiell kann bis 4fach kleinere Belebungsbeckenvolumina. Das hier der TSBB für die Festlegung des Belebungsbeckenvolu- geringere Belebungsbeckenvolumen sowie das bei Mem- mens frei gewählt werden. In der Praxis haben sich aber brananlagen nicht vorhandene Volumen der Nachklär- 81 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung becken haben Relevanz für das Puffervermögen und die hydraulischen Verweilzeit von sechs Stunden beim kriti- Abbauleistung infolge geringerer Durchflusszeiten. schen Lastfall führt. Zur Einhaltung der Einleitanforderungen bzgl. der Stick- Der kritische Lastfall kann bei Mischwasserzufluss infolge stoffparameter sollte daher für den kritischen Bemes- von Spülstößen mit gleichzeitig auftretenden NH4-N- sungsfall eine Mindestdurchflusszeit im Belebungs- Konzentrationsspitzen im Zulauf auftreten. Treten dage- becken eingehalten werden. Die Empfehlung einer erfor- gen keine derartigen Konzentrationsspitzen bei Misch- derlichen Mindestdurchflusszeit von 6 h (bzw. 8 h bei wasserzufluss auf, sondern es sind tageszeitlich bedingte weitergehenden Anforderungen) bei einer Bemessungs- Konzentrationsspitzen bei Trockenwetterzufluss zu erwar- temperatur von 10 °C für den kritischen Bemessungsfall ten, ist der kritische Lastfall anhand von aufgezeichneten kann unterschritten werden, wenn das dazu erforderli- Konzentrationsganglinien über einen repräsentativen che Volumen der Membrananlage größer wäre als das Zeitraum darzulegen. Belebungsbeckenvolumen, das sich bei der konventionellen Auslegung mit einem Volumenzuschlag von bis Die Empfehlung einer Mindestdurchflusszeit von 6 h zu 50 % ergibt (bei einem gewählten TSBB = 10 bis 15 g/l beim maßgebenden Lastfall und einer Bemessungstempe- in der Belebungsstufe). Dabei muss unbedingt beachtet ratur von 10 °C gibt den derzeitigen Stand des Wissens werden, dass das Nitrifikationsvolumen der Membranan- wieder. Durch den Gewinn an Erkenntnissen aus dem lage (mit VDeni, MBR / VNitri, MBR = 1) infolge der Volumenbe- Betrieb von Membranbelebungsanlagen werden die der- schränkung (VMBR, max = 1,5 · VBB, konventionell, 10-15 g TS/l) nicht zeitigen Empfehlungen zur Bemessung von Membranbe- kleiner als das erforderliche Nitrifikationsvolumen bei lebungsanlagen weiterentwickelt. konventioneller Auslegung wird (bei einem gewählten TSBB = 10 bis 15 g/l in der Belebungsstufe). Die erforder- Das geringere Reaktorvolumen von Membranbelebungs- lichen Beckenvolumina können sowohl durch entspre- anlagen wirkt sich nicht nur auf das mögliche Durch- chend groß dimensionierte Belebungsbecken als auch schlagen von Zulaufspitzen, sondern auch auf die Leis- durch alternativ zu errichtende Misch- und Ausgleichs- tungsfähigkeit der Denitrifikation aus. Diese ist bei den becken vorgehalten werden. Die Empfehlungen hin- großtechnischen Membranbelebungsanlagen bislang als sichtlich der erforderlichen Durchflusszeit, des Verhält- vorgeschaltete Denitrifikation ausgebildet. Infolge des nisses zwischen Nitrifikations- und Denitrifikationsvolu- geringeren Belebungsbeckenvolumens können uner- men der Membrananlage sowie der Volumenbeschrän- wünschte Effekte auftreten, wie z. B. eine vermehrte Sau- kung auf das 1,5-fache Belebungsbeckenvolumen bei erstoffverschleppung aus dem Nitrifikations- oder Filtra- einer konventionellen Auslegung (bei einem gewählten tionsbereich in die Denitrifikationszone. Hohe Rezirkula- TSBB = 10 bis 15 g/l in der Belebungsstufe) beruhen auf tionsraten aus dem Filtrationsbereich verstärken dies. Simulationsstudien, die am Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen durchgeführt wurden. Um die Auswirkungen einer vermehrten Sauerstoffver- Dabei wurden die Ablaufkonzentrationen einer fiktiven schleppung zu reduzieren, ist im Gegensatz zu der Be- konventionellen Kläranlage und einer fiktiven Mem- messung konventioneller Belebungsstufen die Größe des branbelebungsanlage mit einer Anschlussgröße von Denitrifikationsbereichs in etwa der Größe des Nitrifika- 100.000 E unter Variation des Membranbelebungsvolu- tionsbereichs (VDN : VN = 1) gleichzusetzen. Um unter- mens modelliert. Unter der Annahme, dass der Standard- schiedlichen Betriebszuständen Rechnung zu tragen, ist parametersatz (Z.B. BORNEMANN ET AL. 1998 für das ein Teil des Belebungsbeckens als Variobereich zu gestal- Activated Sludge Model No. 1) auch für Membranbele- ten. Dieser Bereich, mit einem Volumen von ca. 30 – 50 % bungsanlagen gültig ist, der Berücksichtigung eines des Denitrifikationsvolumens, ist den betrieblichen An- Schwankungsfaktors von 1,7 und einer vorgegeben Be- forderungen entsprechend im Belebungsbecken anzuord- messungslast ergaben sich für beide simulierten Kläran- nen. Auch kann der Filtrationsbereich auf das Nitrifikations- lagen vergleichbare Ablaufkonzentrationen bei einem volumen angerechnet werden, wobei sowohl die Betriebs- Volumen der Membranbelebungsstufe, welches zu einer weise der Belüftung der Module als auch ein geringerer 82 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Sauerstoffeintragswert berücksichtigt werden müssen (flächenspezifischer Fluss) in Abhängigkeit von Eigen- (vgl. Pkt. Belüftungsbedarf Membranmodule). schaften des zu filtrierenden Mediums (Temperatur, Viskosität etc.). Generell sollten zur Vermeidung von Sauerstoffverschleppungen in den Denitrifikationsbereich bzw. zur Optimie- Die Membranfläche sollte dabei derart bemessen werden, rung der Sauerstoffausnutzung im Nitrifikationsbereich dass die zu Grunde gelegten flächenspezifischen Flüsse Beruhigungszonen vor der Schlammrückführung vorgese- einen dauerhaften, stabilen Betrieb der Membranmodule hen werden. – auch bei Spitzenzuflüssen – ermöglichen. Kurzzeitige, d. h. wenige Stunden dauernde Überschreitungen der Darüber hinaus bietet es sich bei einem räumlich ge- maximalen Flüsse sind zwar möglich, sollten jedoch im trennten Filtrationsbereich an, den Rücklaufschlamm aus Hinblick auf den langfristigen Erhalt einer hohen Per- der Filtration nicht in die Denitrifkations-, sondern in die meabilität vermieden werden. Übliche Permeabilitäten Nitrifikationszonen zurückzuführen. Hierdurch sind beide liegen bei neuen bzw. gereinigten Membranen im Bereich internen Schlammkreisläufe – Rezirkulationsschlamm zur oberhalb von 150 – 200 l/(m2 · h · bar), eine Intensivreini- Denitrifikation aus der Nitrifikationsstufe und Rücklauf- gung ist üblicherweise bei einer Permeabilität < 100 l/ schlamm aus der Membranstufe – voneinander getrennt (m2 · h · bar) durchzuführen. einstellbar. Sieht das Anlagenkonzept vor, dass sich permanent eine Die genannten Maßnahmen können zur Verkleinerung oder mehrere Modulkassetten oder sogar Filtrationsstra- des VDN - zu VN -Verhältnisses beitragen. ßen in einem Reinigungszyklus befinden (z. B. bei großen Anlagen), so sind diese in der Reinigung befindlichen Flä- Um Phosphorablaufwerte gemäß den Einleitanforderungen chen bei der Bemessung der Membranfläche für den Last- zu erreichen, ist eine Phosphatfällung gemäß den etablier- fall nicht anzusetzen. ten Empfehlungen (z B. ATV-DVWK-A131 [ATV-DVWK 2000c]) durchzuführen. Üblicherweise wird eine Fällmit- Bei der Ermittlung der notwendigen Membranflächen telzugabe in die Belebungsstufe, d.h. eine Simultanfällung, sind zudem interne Prozesswassermengen, z. B. aus der praktiziert. Der bei einer simultanen Phosphatelimina- Siebreinigung, zu berücksichtigen. tion erhöhte spezifische Überschussschlammanfall kann gemäß Arbeitsblatt ATV-A202 ermittelt werden [OHLE 2001]. Auf Basis der Erfahrungen der im Betrieb befindlichen Membranbelebungsanlagen können mit den auf dem Bemessung der Membranfiltrationsstufe Markt derzeit zur Verfügung stehenden Membranmodulen Bemessungsflüsse, d. h. Nettoflüsse, basierend auf In Analogie zum konventionellen Belebungsverfahren ist dem Ablauf der Gesamtanlage, für die Membranfläche bei Membranbelebungsstufen die Phasenseparation, d. h. von 25 l/(m2 · h ) bei Temperaturen des Schlamm-Wasser- die Membranstufe, zu dimensionieren. Im Gegensatz zu Gemisches von 8 °C angesetzt werden. Bei einer Bemes- konventionellen Belebungsstufen hat der gewählte Be- sungstemperatur von 10 °C darf dieser Wertebereich um messungsfeststoffgehalt TSBB im für Membranbelebungs- 15 % höher gewählt werden [ATV-DVWK 2000a]. anlagen üblichen Bereich von 10 bis 15 g/l einen nicht quantifizierbaren Einfluss auf die Auslegung der zu instal- Auslegung der Belüftungseinrichtungen lierenden Membranfläche. Eingang in die Bemessung der Membranstufe bzw. die Berechnung der erforder- Beim Membranbelebungsverfahren führt der höhere TS- lichen Membranfläche finden Gehalt im Belebungsbecken zu höheren Viskositäten der Belebtschlamm-Wasser-Suspension im Vergleich zu kon- • der maximale Zufluss zur Membranbelebungsstufe bzw. der maximale Ablaufvolumenstrom sowie • die Leistungsdaten der eingesetzten Membranmodule ventionellen Belebungsstufen. Dies wirkt sich wiederum auf den Stoffübergang und damit auf den Sauerstoffeintragskoeffizienten aus, wie Abbildung 2-24 zeigt. 83 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-24 Sauerstoffübergangskoeffizienten (-Werte) der KA Rödingen und Markranstädt bei einer feinblasigen Druckbelüftung [CORNEL ET AL. 2001] Markranstädt Rödingen 1,0 0,8 alpha-Wert [-] 2 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 TS-Gehalt [g/l] Bei der Bemessung der Belüftungseinrichtungen für den Weitere Reduzierungen des Belüftungsbedarfs für die Sauerstoffeintrag ist diesem Rechnung zu tragen, da Sau- Membranstufe infolge verbesserter Modulkonzepte sind erstoffeintragsmessungen in den Belebungsbecken der zukünftig zu erwarten (siehe Kapitel 2.1.2). Kläranlagen Markranstädt und Rödingen eine Abnahme des -Wertes mit steigendem Trockensubstanzgehalt Mit der Belüftung der Membranmodule findet auch ein gezeigt haben (Abbildung 2-24). Bei einem TS-Gehalt von Sauerstoffeintrag statt, der für den biologischen Abbau 7 g/l wurden -Werte von 0,75 gemessen, diese gingen angerechnet werden kann. Der zugehörige -Wert sollte bei einem TS-Gehalt von 17 g/l auf 0,4 zurück. mit 0,17 bis 0,20 (TSBB = 16 bis 10 g/l) angesetzt werden. [SEYFRIED 2002] Wird bei einer Bemessung einer Membranbelebungsstufe der üblicherweise angesetzte TSBB von 12 g/l zu Grunde Schlammbehandlung gelegt, sollte für den Sauerstoffeintrag ein -Wert von 0,6 gewählt werden. Dieser entspricht in etwa -Werten kon- Die ersten Erfahrungen bei der Behandlung von Schlämmen ventioneller Anlagen mit feinblasiger Belüftung [CORNEL aus Membranbelebungsanlagen zeigen, dass sich bezüg- ET AL. 2001]. lich der Stoffeigenschaften nur unwesentliche Abweichungen gegenüber den aerob-stabilisierten Schlämmen Die notwendige Belüfterleistung für die Überströmung aus konventionellen Anlagen ergeben. So haben Versuche der Membranmodule kann – je nach Modul – mit 7,5 bis zur Entwässerung des aerob stabilisierten Schlamms auf 2 25 W/m installierte Membranfläche abgeschätzt werden. der KA Rödingen sowie der Pilotanlage Büchel gezeigt, Da der Belüftungsbedarf sowie die Belüftungsstrategien dass mit den üblichen Aggregaten (Kammerfilterpresse, (grob-, mittelblasig, permanent, intermittierend) sehr von Zentrifuge) bei gleichen Betriebsbedingungen und einem den Modulherstellerkonzepten abhängen, erfolgt die Aus- vergleichbaren Flockungshilfsmittelbedarf Trockenrück- legung der Belüftung üblicherweise seitens der Hersteller. stände von 25 bis 30 % erreichbar sind [ENGELHARDT 84 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung ET AL. 2001; N.N. 2002c; DICHTL, KOPP 1999; BRANDS ET einem 3-mm-Rechen sowie einem Sand- und Fettfang AL. 2000; VAN DER ROEST 2001; DRENSLA ET AL. 2001]. als ausreichend anzusehen ist, da diese eine geringere Verzopfungsneigung aufweisen [N. N. 2002c]. Auch bezüglich der Faulbarkeit von Membranschlämmen wurden anhand der spezifischen Faulgasproduktion Um den Anforderungen an die Vorbehandlung bei Mem- ähnliche Werte festgestellt wie für Schlämme aus konven- branbelebungsanlagen gerecht zu werden, wurden seitens tionellen Anlagen mit simultan aerober Schlammstabili- der Rechen- bzw. Siebanlagenhersteller bereits neue Pro- sierung [BRANDS ET AL. 2000; VAN DER ROEST 2001]. dukte entwickelt. Beispiel hierfür ist der von der Huber AG angebotene Membrane-Screen (Abbildung 2-25) zur 2.1.3.2 Feinstsiebung des Rohabwassers im Zulauf einer Mem- Konstruktive und planerische Gestaltung branbelebungsstufe. Membranbelebungsanlagen unterscheiden sich im Hinblick auf die konstruktive und planerische Gestaltung Abb. 2-25 nicht wesentlich von konventionellen Belebungsanlagen. Prinzipskizze und Ansicht einer Siebanlage für Dies betrifft auch Überlegungen zu möglichen Störfallsze- Membranbelebungsanlagen (Kläranlage Markran- narien, die z. B. bei einer Genehmigungsplanung anzu- städt) [HUBER 2002, STEIN 2002a] stellen sind. Nachfolgend werden daher nur die Aspekte aufgeführt, die bei Membranbelebungsanlagen gesondert im Vergleich zu konventionellen kommunalen Abwasserreinigungsanlagen zu berücksichtigen sind. Mechanische Vorbehandlung Der mechanischen Reinigung des zufließenden Abwassers kommt beim Membranbelebungsverfahren eine besondere Bedeutung zu. Wie großtechnische Erfahrungen zeigen, neigen die eingesetzten Membranmodule zu Verzopfungen und infolgedessen zu Verschlammungen [BAUMGARTEN 2001a]. Daraus resultiert eine unzureichende Membranüberströmung, die wiederum zu geringeren Filtrationsleistungen führt oder sogar Beschädigungen der Membranen verursachen kann [ENGELHARDT ET AL. 2001]. Daher ist das Rohabwasser deutlich sorgfältiger von Störstoffen wie Fetten, Haaren oder sonstigen Grobstoffen zu befreien, als dies bei konventionellen Belebungsanlagen der Fall ist. Die Güte der Vorbehandlung ist dabei neben der Zuflussbeschaffenheit auch vom eingesetzten Membranmodul abhängig. So wird für den Einsatz von Kapillarmembranen eine mechanische Vorreinigung bestehend aus einem Rechen im Zulaufbereich (3 bis 5 mm), einem Sand- und Fettfang, gefolgt von einem Feinrechen bzw. -sieb mit einer Spalt- bzw. Maschenweite von < 1 mm empfohlen [MEYER 2001; DRENSLA 2001]. Erfahrungen mit Plattenmodulen zeigen, dass eine Vorbehandlung mit 85 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Anlagengestaltung im Hinblick auf Störfallszenarien Anlagengestaltung im Hinblick auf die Anordnung der Membranflächen und Reaktoren Im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen sind bei Membranbelebungsanlagen Überlegungen zu Störfäl- Die Membrantrennstufe sollte bei Anlagenneuerrichtungen len anzustellen, die sich auf die Leistung der Membran- grundsätzlich zweistraßig bei einer hydraulischen Entkopp- stufe auswirken. Letztlich stellt ein Totalausfall der Mem- lung beider Straßen, d. h. separate Becken einschließlich branstufe den größten anzunehmenden Störfall für diese Peripherie, gestaltet werden, um einen separaten Betrieb Anlagen dar, ähnlich wie dies bei konventionellen Anla- jeder Straße für den gesamten Zufluss aus dem Belebungs- gen für das Versagen der Nachklärbecken gilt. becken zu ermöglichen. Das System ist hydraulisch auf diese Zuflussmengen auszulegen. Zuschläge für die Permeat- Daher sind die Vorreinigungsstufen (Rechen, Sand- und leistung der Membranen sind dann erforderlich, wenn bei Fettfang sowie ggf. Leichtstoffabscheider) von Membran- der Bemessung der Anlage auf Qmax die Leistungsreserven belebungsanlagen, die maßgeblich für die dauerhafte der Membranen bereits voll ausgeschöpft wurden. Funktion der Membranen sind, so zu gestalten, dass ein Versagen – auch bei Havarien im Einzugsbereich der Klär- Gleiches gilt für drei- und vierstraßige Anlagen, bei denen anlage – unter üblichen Störfallannahmen bei kommuna- der Ausfall einer Straße planerisch zu berücksichtigen ist. len Kläranlagen ausgeschlossen werden kann. Bei mehrstraßigen (> 4) Anlagen sollten die Membranstufen so ausgelegt werden, dass mit 80 % der zur Verfügung Notfalls ist bei kritischen Einleitungen infolge von Hava- stehenden Membranfläche die maximalen Wassermengen rien im Einzugsbereich von Kläranlagen der Zulauf in die unter Bemessungsbedingungen behandelt werden können. Membranbelebungsstufe zu unterbinden, um sowohl eine toxische Schädigung der Biomasse als auch eine Beschädi- Die konstruktive Gestaltung der Membranstufen ist so gung der Membranen zu vermeiden. Dieses kann durch vorzunehmen, dass bei einem notwendigen Membraner- spezielle Sonden (z. B. Leitfähigkeitsprofilsonden) im Ein- satz die o. g. minimal erforderliche Membranfläche bei laufbereich der Kläranlage geschehen, so dass im Falle von Kläranlagen < 10.000 E (entsprechend einem Mischwas- Havarien eine Aktivierung von Kanalvolumen, Stauraum- serzufluss Qm < ca. 246 m3/h bzw. einem Tageszufluss kanälen, Regenüberlaufbecken vor der Kläranlage oder Qd < ca. 2.250 m3/d) kurzfristig aus- und eingebaut, sonstiger Pufferbecken auf der Kläranlage (z. B. nicht getauscht oder ggf. gereinigt werden kann. Seitens der genutzte Vorklärbecken) erfolgen kann. Das Speichervolu- Membranlieferanten ist zu gewährleisten, dass die not- men sollte so bemessen sein, dass bei Mischwasserzufluss wendigen Membranflächen in zwei bis drei Werktagen der Zulauf zur Membranbelebungsanlage 2 h gespeichert verfügbar, liefer- und montierbar sind. Bei einstraßigen werden kann. Dabei kann das unter 2.1.3.1 genannte Anlagen müssen zudem die Membranflächen im laufen- Misch- und Ausgleichsbeckenvolumen im Hinblick auf die den Betrieb (gefüllte Becken) montierbar sein. einzuhaltende Mindestdurchflusszeit angerechnet werden. Hingegen darf Stau- oder Speichervolumen, das für die Für Anlagen mit mehr als 10.000 E (entsprechend einem Einhaltung der Kriterien an die Mischwasserbehandlung Mischwasserzufluss Qm > ca. 246 m3/h bzw. einem Tages- (Arbeitsblatt ATV-A 128) erforderlich ist, nicht auf das zu zufluss Qd > ca. 2.250 m3/d)1) haben die beiden letztge- errichtende Puffervolumen angerechnet werden. nannten Forderungen jedoch eher eine untergeordnete Bedeutung, da infolge von Verdünnungseffekten selbst Denkbar ist auch die Errichtung von Tauchwänden und bei störfallbedingten Indirekteinleitungen die Schädigung Abzugseinrichtungen, um bei kritischen und nicht zuläs- der gesamten Membranstufe sehr unwahrscheinlich sigen Indirekteinleitungen, wie z. B. Öl, Benzin, eine erscheint. Zudem können größere Anlagen mehrstraßig unmittelbare Beaufschlagung der Membranen ausschlie- konzipiert werden, sofern ausreichende Leistungsreserven ßen zu können. vorhanden sind. 1) Annahmen gemäß Planung ATV-DVWK-A131 [ATV-DVWK 2000c]: Xs = 14h/d, xf = 24h/d, spez. Fremdwasseranfall = 0,5 · Qs, Qm = 2 · Qs + Qf 86 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Mess-, Steuer-, Regeltechnik Da die zum Einsatz kommenden Reinigungsmittel stark ätzend, oxidierend oder korrosiv sind, müssen Anforde- Über die heutzutage übliche MSR-Technik auf kommuna- rungen sowohl an die Auswahl von Werkstoffen für len Kläranlagen hinaus sind bei Einsatz der Membran- betroffene Becken (z. B. Kunststoffversiegelungen) und technik zusätzliche Messgrößen aufzunehmen. Diese Aggregate (z. B. Edelstahl, PE) als auch an den Arbeits- betreffen insbesondere die Beobachtung der Permeabili- schutz (z. B. Abzugseinrichtungen für entstehende Gase tätsentwicklung der Membranen, die zumindest je Straße (Chlor) gemäß den Empfehlungen nach GefStoffV oder separat zu erfassen ist. Dies ist notwendig, um ggf. recht- DVGW für MAK-Werte) in die Planung einfließen. zeitig Reinigungen durchzuführen, so dass eine ausreichende Permeatleistung vorgehalten werden kann. Für die Vorratshaltung der Chemikalien, die zur Anmischung der Reinigungslösungen benötigt werden (siehe Für diese Messungen sind der Saugdruck und der Durch- Kapitel 2.1.3.3) sind geeignete Vorratsbehälter oder Lager- fluss online aufzunehmen, wobei konstruktive Maßnah- räume vorzusehen. men und hydrostatische Einflüsse auf die Druckmessung berücksichtigt sowie Störeinflüsse bei der Durchflussmen- 2.1.3.3 genmessung auszuschließen sind. Betrieb Darüber hinaus sind zum Betrieb und zur Reinigung der Maßnahmen zum Erhalt der Filtrationsleistung Module Anforderungen gemäß Herstellerempfehlungen (z. B. Lauf-/Pausenzeiten, ggf. Rückspülzeiten und -volu- Für einen sicheren Betrieb einer Membranbelebungsstufe menströme, Umgang mit Störfallmeldungen etc.) einzu- hat die Gewährleistung einer ausreichenden Filtrations- halten. leistung einen ähnlich hohen Stellenwert wie die Gewährleistung der Absetzbarkeit des Belebtschlamms in einem Stromversorgung Nachklärbecken. Während jedoch bei konventionellen Anlagen auf die Absetzeigenschaften der belebten Schläm- Bei Stromausfällen sollte eine Notstromversorgung ähn- me nur begrenzt Einfluss genommen werden kann – zu lich wie bei konventionellen Anlagen vorgesehen wer- nennen sind beispielsweise Schwimmschlamm, Bläh- den, falls nicht eine zweiseitige Stromeinspeisung auf der schlamm oder Schaumprobleme – so kann im Gegensatz Kläranlage erfolgen kann. Dabei ist in jedem Falle eine dazu die Filtrationsleistung bei Membranbelebungsanlagen Versorgung der Prozessleittechnik sowie der Permeation durch regelmäßige betriebliche Maßnahmen, d. h. Mem- und der Strombedarf für eine minimale Modulbelüftung branreinigungen, aufrechterhalten werden. (ca. 25 - 30 % des Bemessungswertes) anzusetzen. Diese Membranreinigungen sind für alle auf dem Markt Denkbar sind auch Pufferbehälter oder Reserven bei den angebotenen Membranen erforderlich, da trotz ausrei- Freibordhöhen der Reaktoren, um einen Aufstaubetrieb chend wirksamer Vorbehandlung und Modulbelüftung für einen kurzen Zeitraum zu ermöglichen. die Permeabilität und damit bei gleichem transmembranen Druck die Flussleistung der eingesetzten Membran- Membranreinigung module ausgehend von der Bemessungsflussrate von z. B. 25 l/(m2 · h) im Laufe der Betriebszeit kontinuierlich ab- Für den Erhalt der Filtrationsleistung ist regelmäßig eine nimmt. Die Leistungsabnahme ist auf eine Erhöhung des Reinigung der Membranmodule durchzuführen, die ent- Filtrationswiderstands durch organische und anorgani- weder im Belebungs-/Filtrationsbecken selbst oder in sche Deckschichten auf den Membranflächen bzw. die separaten Becken erfolgen kann. Je nach Membranher- Verblockung von Membranporen zurückzuführen, die stellerkonzept ist für das separate Becken oder die Reini- sich durch betriebliche Maßnahmen wie Überströmung gungslösung eine Beheizung vorzusehen. und ggf. Rückspülung der Membranflächen nicht vermeiden lassen. 87 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Im Allgemeinen werden zur Reinigung saure, alkalische sen je nach Verschmutzungsgrad alle drei bis sechs Monate und oxidativ wirksame Reinigungsmittel in Zwischen- durchgeführt werden. Analog zur Zwischenreinigung wer- oder Intensivreinigungen eingesetzt, mit denen sich die den die Module im eingebauten Zustand (in situ) oder im ursprüngliche Filtrationsleistung wieder herstellen lässt. ausgebauten Zustand in separaten Reinigungsbehältern (ex situ) gereinigt. Die Reinigung erfolgt im eingebauten Für die Reinigung der Membranmodule sind in jedem Zustand im Belebtschlamm, in Reinigungslösung oder an Fall die Vorgaben des Membran- bzw. Modulherstellers zu der Luft (on air). Bei der letzten Möglichkeit werden die berücksichtigen, da sich die Reinigungsprozeduren modul- Filtrationsbecken entleert, so dass die Module frei hängen. spezifisch erheblich unterscheiden können. Die externe Reinigung (ex situ) wird bei Temperaturen Als Zwischenreinigungen werden die Reinigungen der Reinigungslösung von 30 °C bis 35 °C durchgeführt. bezeichnet, die in situ im Belebtschlamm durchgeführt Während der Reinigung können die Membranen belüftet werden. Sie finden regelmäßig ein- bis zweimal pro werden, um eine gleichmäßigere Verteilung der Chemika- Woche bei schwachen Reinigungsmittelkonzentrationen lien zu erreichen. Mit einer ex-situ-Reinigung wird bisher (z. B. 150 bis 500 ppm aktiver Chlorgehalt) statt und wer- das beste Reinigungsergebnis erzielt, wobei der betriebli- TM den z.B. bei ZeeWeed -und Puron-Modulen angewendet. che Aufwand zur Durchführung höher ist [DRENSLA, Während einer verlängerten Rückspülphase wird dabei SCHAULE 2004]. Tabelle 2-3 zeigt die Zusammenstellung das entsprechende Reinigungsmittel dem Permeat zuge- der Reinigungsverfahren für getauchte Modulsysteme. setzt und permeatseitig in die Module gepumpt, die in das Belebtschlamm-Wasser-Gemisch getaucht sind. Intensivreinigungen können die eingesetzten organischen Membranwerkstoffe aufgrund der hohen Chemika- Intensivreinigungen mit höheren Chemikalienkonzen- lienkonzentrationen schädigen und wirken sich somit trationen (z. B. 500 – 2.000 mg/l aktiver Chlorgehalt) müs- negativ auf die Standzeit einer Membran aus. Tab. 2-3 Reinigungsverfahren für getauchte Modulsysteme Membranmodule eingebaut (in situ) Membranmodule ausgebaut (ex situ) im belebten Schlamm Zugabe der Chemikalie von der Permeatseite in Reinigungslösung Entleerung der Becken und Füllung mit Reinigung in separater Waschzelle, Zugabe der Reinigungslösung, Zugabe der Reinigungslösung Chemikalien bei 30 °C bis 35 °C von der Feedseite von der Feedseite an Luft (on air) Absenkung des Wasserspiegels und Zugabe der Chemikalien von der Permeatseite Der Einsatz von Natriumhypochlorit als Reinigungs- meatrückführung in die biologische Stufe vorgebeugt mittel liefert derzeit die besten Reinigungserfolge. Damit werden. Durch Untersuchungen zur Vorbehandlung von verbunden sind bei hohen Reinigungsmittelkonzentratio- Spülwässern nach der intensiven externen Reinigung nen ggf. negative betriebliche Auswirkungen, wie z. B. werden Vorbehandlungsmaßnahmen entwickelt, die die eine Schädigung der Biozönose und ein Überschäumen AOX-Konzentration in den Spülwässern vermindern und der Belebungsstufe, so dass Überdosierungen auf jeden eine Schaumbildung in der Kläranlage verhindern soll Fall zu vermeiden sind. Auch kann sich vor allem bei [DRENSLA, SCHAULE 2004]. Derzeit werden unkritischere in-situ-Reinigungen eine nachteilige Wirkung auf die Reinigungsmittel, wie z. B. Wasserstoffperoxid oder Zitro- Ablaufqualität durch z. B. erhöhte AOX-Konzentrationen nensäure, in verschiedenen Membranbelebungsanlagen im Permeat ergeben. Diesem kann jedoch durch eine Per- getestet. 88 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Energiebedarf In bestehenden Membranbelebungsanlagen wurden spezifi- In Abbildung 2-26 sind beispielhaft die spezifischen 3 sche Verbräuche in einem Bereich von 0,8 bis 2,0 kWh/m Energieverbräuche für die Kläranlage Markranstädt in Permeat ermittelt. Davon entfällt der größte Anteil von Abhängigkeit vom Anlagendurchsatz dargestellt. Dabei ca. 50 bis 80 % auf die Modulbelüftung, die jedoch auch wurden die Energieverbräuche der Membranstufe (Saug- einen Großteil des für die biologische Reinigung notwen- pumpen und Modulbelüfter), der Rezirkulationspumpen, digen Sauerstoffeintrages bewirkt. Als Haupteinflussfakto- der Rührwerke, der feinblasigen Belüfter und des Einlauf- ren auf den spezifischen Energiebedarf wurden der Anla- bauwerks berücksichtigt. gendurchsatz, der TS-Gehalt (Sauerstoffeintragskoeffizient) sowie die Abwassertemperaturen ermittelt. Der spezifische Während die Energieverbräuche für die Aggregate Rezirku- Energiebedarf von Membranbelebungsanlagen ist derzeit lationspumpen, Rührwerke und Einlaufpumpwerk nahezu zwar noch höher als der konventioneller Abwasserreini- unabhängig vom Anlagendurchsatz sind, ergeben sich für gungsanlagen, wobei aber auch die Ablaufqualität bezüg- den Betrieb der Membranstufe und der feinblasigen Belüf- lich hygienerelevanter Parameter besser ist. Für die Klär- tung deutliche Abhängigkeiten. Es zeigt sich, dass bei anlagen Markranstädt und Monheim liegt der spezifische höheren zu behandelnden Abwasservolumenströmen der Energiebedarf bezogen auf den mittleren Zufluss im Be- spezifische Energieverbrauch für die Membranstufe um 3 3 reich von 0,8 kWh/m bis 0,9 kWh/m [DWA 2005]. Die 22 % geringer ausfällt als bei geringeren Durchsätzen. Schwankungsbreiten für verschiedene Anteile des spezifi- Diese Tendenz ist auch bei dem spezifischen Energiebe- schen Energiebedarfs (z. B: Crossflow-Belüftung, Permeat/ darf für die feinblasige Belüftung festzustellen. Hier kann Rezirkulation, zusätzlicher Belüftungsbedarf) sind im sogar eine Verminderung des Energiebedarfs um 48 % DWA-Arbeitsbericht [DWA 2005] angegeben (siehe erzielt werden. Die Energieeinsparungen werden erreicht Anhang 6). durch eine Erhöhung der feinblasigen Belüftungsleistung Abb. 2-26 Energiebedarf einer Membranbelebungsanlage (8.000 E) mit simultaner aerober Schlammstabilisierung [STEIN ET AL. 2001] 1,6 Membranstufe (Saugpumpen und Modulbelüftung) spezifischer Energiebedarf [kWh/m3] 1,4 Rezirkulationspumpen 1,2 Rührwerke 1,0 0,88 feinblasige Belüfter 0,8 Einlaufpumpwerk 0,85 0,6 0,69 0,16 0,4 0,2 0,05 0,21 0,12 0 1.000 - 1.500 0,14 0,01 0,09 0,11 0,01 2.000 - 2.500 0,01 0,1 0,01 > 3.000 3 Anlagendurchsatz [m /d] 89 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung und Abschaltung der grobblasigen Belüftung in Filtra- 2.1.4 tionspausenzeiten bzw. durch die Rücknahme der feinbla- Investitionen und Betriebskosten sigen Belüftungsleistung bei laufender grobblasiger Belüftung während des Filtrationsbetriebs [STEIN ET AL. 2001]. 2.1.4.1 Investitionen Durch Optimierungen beim Betrieb der Anlagen sowie der Modulgestaltung bzw. Modulüberströmung sind wei- Die Investitionen für den Bau einer Membranbelebungsan- tere Reduzierungen des Energieverbrauchs zu erwarten. lage setzen sich aus den Kosten für die Komponenten der Erste Weiterentwicklungen, wie z. B. die Einführung einer mechanischen Vorbehandlung, der biologischen Abwasser- intermittierenden Belüftung, die doppelstöckige Anord- reinigung und der Biomasseabtrennung sowie ggf. der nung von Modulen über der Lufteinblasung oder der Überschussschlammbehandlung zusammen. Anhand der Betrieb rotierender Membranen, ermöglichen schon jetzt bisherigen Erfahrungen lassen sich für die Investitionen eine Reduzierung der überströmungsspezifischen Energie- gegenüber der konventionellen Klärtechnik die in Tabelle kosten um bis zu 50 %. Die Kommunalen Wasserwerke 2-4 zusammengefassten Einsparpotenziale bzw. Mehrkos- Leipzig gehen davon aus, dass eine Senkung des Energie- ten festhalten. verbrauchs bis in den Bereich konventioneller Anlagen möglich sein wird [STEIN ET AL. 2001]. Ausgehend von den üblichen Kostenanteilen für die konventionelle Klärtechnik [BOHN 1993; GÜNTHERT, Personalbedarf und -qualifikation REICHERTER 2001] können die verfahrenstechnischen Einsparungen (geringere Beckenvolumina, Wegfall der Neben einer Einarbeitung und Sensibilisierung des Perso- Nachklärung und ggf. weitergehender Behandlungsschrit- nals für zusätzliche Problemstellungen, die sich aus dem te) beim Membranbelebungsverfahren anteilig auf die Betrieb einer Membranbelebungsanlage ergeben (z. B. Investitionen für zusätzliche Aufwendungen sowie die hinsichtlich Membranbetrieb, -reinigung, Notfallbetrieb Membrantrennstufe umgelegt werden. Rautenbach et al. bei Ausfall der MSR-Technik), bestehen keine weiteren [2000] bezifferten das Einsparpotenzial für den nicht Anforderungen an die Qualifikation des Personals. der Membranstufe zuzurechnenden Teil einer Membranbelebungsanlage für eine Anschlussgröße von 100.000 E Erfahrungen auf der Kläranlage Rödingen (3.000 E) mit 20 bis 30 % (Vergleich mit einer konventionellen haben gezeigt, dass der Personalaufwand nach Inbe- Belebungsanlage mit Nachklärung und Sandfiltration). triebnahme, Fehlerbehebungen und Einarbeitung für den Unter der Annahme damals üblicher spezifischer Kosten Betrieb der Anlage derzeit bei 0,5 Manntagen pro Tag von 200 Euro/m2 installierter Membranfläche (einschließ- liegt. Dieser Wert liegt im Bereich der vom Erftverband lich Peripherie, wie Leitungen, Saugpumpen und MSR- betriebenen konventionellen Anlagen vergleichbarer Technik) ergaben sich für beide Varianten annähernd Größe [DRENSLA 2001]. gleiche Investitionen. In Markranstädt wurde der erforderliche Arbeitszeitauf- Das Ausschreibungsverfahren zum Neubau der KA Nord- wand für den Betrieb der Kläranlage (8.000 E) vor allem kanal (80.000 E) aus dem Jahr 2001 fiel hinsichtlich der in der Anfangsphase als unbefriedigend hoch bezeichnet, Investitionen bereits zu Gunsten der Membrantechnik aus. was insbesondere auf Störungen in der Peripherie der Hier lagen die eingereichten Angebote mit Membrantech- Membrananlage zurückgeführt wurde. Mit Verbesserung nik (20,3 bis 22,1 Mio. Euro) um 1,7 bis 3,4 Mio. Euro der Betriebsstabilität liegt dieser derzeit im Bereich übli- unter denen für ein vergleichbares konventionelles Aus- cher Belebungsanlagen bzw. mit zusätzlich max. einer baukonzept ohne weitergehende Behandlungsmaßnah- Arbeitsstunde pro Tag darüber [STEIN 2002a]. men (23,7 Mio. Euro) [ENGELHARDT 2002]. Auf Basis der bislang errichteten Membranbelebungsanlagen bzw. der bisherigen Ausschreibungsergebnisse können die anzusetzenden Investitionen folgendermaßen abgeschätzt werden: 90 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Tab. 2-4 Einsparpotenziale und Mehrkostenbereiche bei den Investitionen von Membranbelebungsanlagen gegenüber konventionellen Belebungsanlagen Verfahrensstufe Einsparpotenzial Mechanische Vorreinigung Mehrkosten Feinere mechanische Vorbehandlung zum Schutz der Membranmodule notwendig • Hohlfasermebranen ≤ 1 mm • Plattenmembranen ≤ 3 mm Biologische Behandlung Belebungsbeckenvolumina 3- bis 4-fach kleiner, da Betrieb bei erhöhtem TS-Gehalt von 12 – 16 g/l Biomasseabtrennung/ Nachklärbecken entfällt Kosten für die Membranstufe höher als für kon- weitergehende Behandlung Schlammbehandlung ventionelle Nachklärbecken, zum einen durch die Keine nachgeschalteten Stufen zur weitergehenden Kosten der Membranmodule selbst und zum Aufbereitung des biologisch gereinigten Abwassers anderen durch zusätzliche periphere Ausstattun- bei erhöhten Anforderungen (Sandfiltration, gen (MSR-Technik, Verrohrung, Saugpumpen, Hygienisierung/Desinfektion) erforderlich Reinigungseinrichtungen etc.) Üblicherweise keine anaerobe Schlammstabili- Erhöhte Energiekosten infolge aerober Schlamm- sierung (Faulstufe), da Biomasse aerob stabilisiert stabilisierung und Wegfall der Faulgasnutzung wird von Primär- und Sekundärschlamm (bei Anlagen > 50.000 E) Die einwohnerspezifischen Kosten sind zwischen 250 Module zu rechnen, so dass sich die zu installierenden und 1.400 Euro anzusetzen. Diese große Spanne ist vor Membranflächen und damit auch die spezifischen Kosten allem auf die unterschiedlichen Entwässerungssysteme für die Membranstufe zukünftig rückläufig entwickeln zurückzuführen. Bei Mischwassersystemen muss die ge- werden. samte Anlage auf die Mischwasserzuflussmengen (üblicherweise 2 · Q T ) ausgelegt werden, wohingegen die Zurzeit können spezifische Modulkosten für die Erstinves- Membranstufen bei Anlagen im Trennsystem unter idea- tition (inkl. Peripherie) von 75 – 150 Euro pro m2 Mem- len Bedingungen nur die Hälfte der bei Mischwassersyste- branfläche angesetzt werden. Die Größen variieren dabei je men zu installierenden Membranflächen benötigen. nach Membrananbieter und eingesetzter Fläche. Ausgehend Weiterhin nehmen die flächenspezifischen Kosten der von den Entwicklungen der letzten Jahre ist von einer Membranmodule degressiv zur Anlagengröße ab und sind deutlichen Zunahme der Anbieter von einsetzbaren Modul- somit in direkter Abhängigkeit von den Gesamtinvestitio- systemen auszugehen. Auch werden der steigende Absatz nen zu sehen. sowie verstärkter Konkurrenzdruck sich positiv auf die Modulpreise auswirken. Abbildung 2-27 zeigt die Preis- Der Investitionsanteil der Membranstufe (inkl. entwicklung der Membranersatzkosten des vergange- Peripherie, Maschinentechnik und Verrohrung) an den nen Jahrzehnts sowie eine Prognose für das Jahr 2005 nach Gesamtkosten liegt im Bereich von 30 bis 60 %. Auch Churchhouse, Wildgoose [2000]. Zusätzlich aufgetragen dieser weite Bereich ist vor allem vom angeschlossenen sind modulspezifische Kosten verschiedener deutscher Klär- Entwässerungssystem abhängig. Weitere Einflussfaktoren anlagen. Gemäß diesem Kostenverlauf sind künftig weitere sind die zu Grunde liegenden Membran- bzw. Modulko- signifikante Kostenreduzierungen zu erwarten. So wurde sten, die sich in den letzten Jahren rückläufig entwickel- z. B. für die Kläranlage Monheim mit Membranersatzkosten ten. Weiterhin ist im Zuge der technischen Weiterent- von 58 bzw. 50 Euro/m2 nach einer Membranstandzeit von wicklung mit einer Leistungssteigerung der eingesetzten 7,5 bzw. 8 Jahren gerechnet [RESCH 2002; STEIN 2002b]. 91 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-27 Entwicklung der Membranersatzkosten [ISA 2002; CHURCHHOUSE, WILDGOOSE 2000] nach Churchhouse (2000) Erhebung ISA RWTH (2003) 450 400 Membranersatzkosten [o/m2] 2 350 300 250 KA Rödingen1 3.000 E 200 150 GKW Nordkanal1 80.000 E 100 KA Markkranstädt1 8.000 E 50 KA Monheim 9.700 E 0 1990 1995 KA Markkleeberg2 30.000 E 2000 2005 Jahr 1 Spezifische Nettokosten für installierte Membranfläche (ohne Peripherie, Erstinstallation), zurückgerechnet auf Basis der Ausschreibungsergebnisse; laut Herstellerangaben ist bei einem Membranersatz von geringen Kosten auszugehen. 2 Betreibereinschätzung [STEIN 2002b] 2.1.4.2 Betriebs- und Instandhaltungskosten 0,51 kWh/m3 mit aerober Schlammstabilisierung) Die betriebs- und instandhaltungsbedingten abwasser- gerechnet [ENGELHARDT 2002]. mengenbezogenen bzw. einwohnerspezifischen Jahreskosten setzen sich aus verschiedenen Kostenarten zusam- 2. Membranreinigung: men. Verglichen mit den Kosten konventioneller Abwas- Für den Erhalt der Filtrationsleistung sind die Membra- serreinigungsverfahren ergeben sich für das Membran- nen regelmäßig zu reinigen, wodurch Kosten für Che- belebungsverfahren im Wesentlichen die folgenden mikalien (ca. 0,25 bis 1,00 Euro /(m3 · a)) und zu- Unterschiede: sätzlicher Personalaufwand zu berücksichtigen sind. 3. Instandhaltung: 1. Energiekosten: Der Betrieb der Membranstufe bedingt einen gegenü- Die für konventionelle Anlagen üblichen Kosten erhö- ber konventionellen Anlagen höheren Energiebedarf. hen sich für Membranbelebungsanlagen um die Auf- Aus dem Betrieb der bestehenden Anlagen ≥ 3.000 EW wendungen für die Instandhaltung der Membranstufe. 3 Die hierfür anzusetzenden Kosten ergeben sich aus wurden Energieverbräuche von 0,8 bis 1,4 kWh/m Abwasser ermittelt. Für die KA Nordkanal wird mit der tatsächlichen bzw. vom Hersteller garantierten 3 92 einem ca. 60 % höheren Energiebedarf (0,8 kWh/m ) Membranstandzeit (bislang angenommen: 5 bis 8 Jah- als für die konventionellen Lösungen (0,46 kWh/m3 re, fallweise 10 Jahre [WOZNIAK 2002]) sowie den mit anaerober Schlammstabilisierung und Membranersatzkosten. Die Instandhaltungskosten Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung verringern sich entsprechend bei höheren Standzeiten 2.2 und weiter fallenden Modulkosten. Praxisbeispiele zu großtechnischen Membranbelebungsanlagen 4. Abwasserabgabe: Aufgrund der hohen Reinigungsleistung ist bei der In den folgenden Kapiteln werden Membranbelebungs- membrantechnischen Lösung von einer Minderung anlagen zur Reinigung von kommunalem Abwasser be- der Schadstofffracht beim Einleiten ins Gewässer aus- schrieben, die bereits realisiert wurden bzw. in der Pla- zugehen. nung sind. Die Praxisbeispiele sind nach Standort (in oder außerhalb von Deutschland) und dem eingesetzten Die für den Bau der Membranstufe entstandenen Auf- Membranverfahren, Mikrofiltration oder Ultrafiltration, wendungen können somit beim Vorliegen der ent- geordnet. Es werden großtechnische Anlagen, Pilotanla- sprechenden Voraussetzungen gemäß § 10 Abs. 3 gen, Kleinkläranlagen, Schiffskläranlagen und mobile Abwasserabgabengesetz mit der bisher geschuldeten Anlagen beschrieben. Abgabe verrechnet werden. In Deutschland werden zurzeit neun großtechnische Da die vermehrten Energie- sowie Instandhaltungskosten Membranbelebungsanlagen mit Anschlussgrößen von zurzeit die geringeren Gutschriften im Bereich der Abwas- 700 E bis 80.000 E betrieben, fünf weitere Anlagen gehen serabgabe übertreffen, ist insgesamt mit höheren Betriebs- bis Ende 2005 in Betrieb. Zehn Anlagen werden dann in kosten für Membranbelebungsanlagen zu rechnen. Für Nordrhein-Westfalen stehen. Alle Anlagen in NRW wur- die KA Nordkanal wurde auf Basis der Angebote ein Be- den mit Landesmitteln gefördert. Weitere Fördermittel triebskostenvergleich durchgeführt [ENGELHARDT 2002]. werden seitens des Landes für neue Anwendungen und Hiernach lagen die abgeschätzten abwassermengenspezi- für weitergehende wissenschaftliche Untersuchungen, fischen Betriebskosten für die Membranbelebungsanlage deren Ziel vor allem die Optimierung der Betriebsführung 3 (0,24 bis 0,25 Euro/m ) um ca. 15 % höher als für die im Hinblick auf die Reinigungsleistung und die Betriebs- angebotenen konventionellen Lösungen (0,20 bis kosten ist, zur Verfügung gestellt. 3 0,22 Euro/m ). Im DWA-Arbeitsbericht „Membranbelebungsverfahren“ (siehe Anhang A 6, [DWA 2005]) sind Tabelle 2-5 gibt eine Übersicht über die wichtigsten Daten Spannbreiten für die energie- und abwassermengenbezo- der bestehenden Anlagen in Deutschland, auf die in den genen Jahreskosten für die Belüftung, die Rezirkulation, folgenden Kapiteln näher eingegangen wird. die erforderlichen Chemikalien etc. angegeben. Zu berücksichtigen ist dabei, dass bei der durchgeführten Kostenermittlung Anlagen mit unterschiedlicher Ablaufqualität verglichen werden. Um eine gleiche Ablaufqualität bei konventionellen Belebungsanlagen wie bei Membranbelebungsanlagen zu erreichen, muss der konventionellen Anlage eine weitere Reinigungsstufe, z. B. eine Desinfektionsstufe nachgeschaltet werden. Unter dieser Voraussetzung ist von gleichen oder geringeren Betriebskosten für Membranbelebungsanlagen auszugehen. Weiterhin lassen technische Weiterentwicklungen der eingesetzten Membranmodule zukünftig Reduzierungen der Energiekosten sowie eine Leistungsverbesserung erwarten, was wiederum zu geringeren einwohnerspezifischen Behandlungskosten führt. 93 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Tab. 2-5 Anlagendaten der bestehenden großtechnischen Membranbelebungsanlagen zur kommunalen Abwasserreinigung in Deutschland (Stand: Dezember 2004) Betreiber Erftverband Aggerverband Stadt Monheim Kommunale Erftverband Bundesland NRW NRW Bayern Sachsen NRW Anlage KA Nordkanal KA Seelscheid KA Monheim KA Markranstädt KA Rödingen Anschlussgröße 80.000 E 10.500 E 9.700 E z. Zt. 8.000 bis 12.000 E 3.000 E Membranhersteller ZENON Kubota ZENON ZENON ZENON Modultyp Kapillarmodul Plattenmodul Kapillarmodul Kapillarmodul Kapillarmodul Verfahren Ultrafiltration Mikrofiltration Ultrafiltration Ultrafiltration Ultrafiltration Membranfläche 84.480 m2 12.480 m2 12.320 m2 7.360 m2 4.846 m2 Wasserwerke Leipzig 3 3 3 3 Bioreaktorvolumen 9.200 m 2.310 m 1.640 m ca. 1.800 m 480 m3 max. Zufluss 1.88 m3/h 356 m3/h 288 m3/h 180 m3/h 135 m3/h Kanalsystem Mischsystem Mischsystem Mischsystem Mischsystem Mischsystem Inbetriebnahme Dezember 2003 August 2004 Juli 2003 Januar 2000 Juni 1999 Vorbehandlung Rechen (5 mm) Filterstufenrechen (3 mm) 1 mm Feinsieb Rechen zweistufig Rechen (3 mm) Sand- und Fettfang Sandfang Langsandfang (bis 1 mm) Sand- und Fettfang Sand- und Fettfang Rezirkulationsschlamm- Siebtrommel (0,5 mm) siebung (0,5 mm) im Teilstrom Besonderheiten Ausbau am Standort der Kläranlage Betreiber Stadtwerke Schramberg Aggerverband Kommunale Wasserverband Eifel-Rur Bundesland Baden-Württemberg NRW Sachsen NRW Anlage KA Schramberg KA Büchel KA Knautnaundorf KA Simmerath Anschlussgröße 2.600 E 1.000 E z. Zt. 900 E bis 1.800 E 700 E Membranhersteller ZENON Kubota Martin Systems AG PURON Modultyp Kapillarmodul Plattenmodul Plattenmodul Kapillarmodul Verfahren Ultrafiltration Mikrofiltration Ultrafiltration Ultrafiltration Membranfläche 4.400 m2 960 m2 756 m3 1.000 m2 Bioreaktorvolumen 730 m3 190 m3 68 m3 136 m3 Wasserwerke Leipzig 3 3 3 max. Zufluss 90 m /h 40 m /h 23 m /h wird untersucht Kanalsystem Mischsystem Mischsystem Trennsystem Mischsystem Inbetriebnahme Mai 2004 August 1999 Oktober 2001 2003 Vorbehandlung Rechen (5 mm) Betrieb bis 2001 Rechen zweistufig 3 mm Feinrechen Feinrechen (0,5 mm) Rechen (3 mm) Sandfang, (3 mm, 1 mm) Sand- und Fettfang Vorklärung optional Sand- und Fettfang Besonderheiten 94 Pilotanlage Pilotanlage Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Die bisher gesammelten positiven Erfahrungen mit der Darüber hinaus wird an zahlreichen weiteren Standorten Membrantechnik bzw. dem Membranbelebungsverfahren in Deutschland die Anwendung des Membranbelebungs- veranlassen Wasserverbände und Kommunen, das Mem- verfahrens geprüft. Beispiele sind die Kläranlagen an den branbelebungsverfahren für die Planung neuer Anlagen Standorten Xanten-Vynen (Linksniederrheinische Ent- oder den Ausbau bzw. die Ertüchtigung bestehender An- wässerungs-Genossenschaft-LINEG) und Richtheim (Ge- lagen als Alternative zu konventionellen Abwasserreini- meinde Richtheim in Zusammenarbeit mit dem Bayeri- gungsverfahren zu berücksichtigen. Vor allem die Betrei- schen Landesamt für Wasserwirtschaft), die ebenfalls in ber, die bereits Erfahrungen mit der Membrantechnik den folgenden Kapiteln beschrieben werden. gesammelt haben, (Wasserverband Eifel-Rur (WVER), Erftverband), planen bzw. bauen bereits weitere Membranbelebungsanlagen (Tabelle 2-6). Tab. 2-6 Im Bau befindliche bzw. geplante Membranbelebungsanlagen in Deutschland (Stand: Dezember 2005) Betreiber Wasserverband Wasserverband Eifel-Rur Eifel-Rur Stadt Eitorf Linksniederrheinische Erftverband Anlage/Ort KA Rurberg/NRW KA Konzen/NRW KA Eitorf/NRW KA Xanten-Vynen/NRW KA Glessen/NRW Ausbaugröße 6.200 E 9.700 E 11.625 E 2.000 E 9.000 E (nur Membrananlage) (nur Membrananlage) EntwässerungsGenossenschaft Inbetriebnahme 2005 2005 2005 2005 2005 Status Inbetriebnahme Inbetriebnahme Inbetriebnahme Inbetriebnahme Planungsphase Membranhersteller Kubota Kubota Kubota A 3 GmbH offen Modultyp Plattenmodul Plattenmodul Plattenmodul Plattenmodul offen Verfahren Mikrofiltration Mikrofiltration Mikrofiltration Mikrofiltration offen Membranfläche ca. 13.440 m2 23.040 m2 10.240 m2 2.000 m2 geplant 12.320 m2 3 3 3 geplant ca. 1.700 m3 Bioreaktorvolumen geplant ca. 750 m geplant ca. 1.700 m 1.200 m max. Zufluss 349 m3/h 587 m3/h 288 m3/h 40 m3/h 268 m3/h Vorbehandlung Feinrechen (3 mm) Feinrechen (3 mm) Feinsiebanlage Siebanlage Rechen (6 mm) Sandfang Sandfang Sand-/Fettfang Feinstrechen (0,5 mm) Feinstrechen (0,5 mm) Besonderheiten (3 mm Lochweite) Sand-/Fettfang Feinsiebanlage (0,5 mm) Einleitung in die Gewerblicher Ausbau der Kläranlage Ausbau der Kläranlage Rurtalsperre Abwasseranteil am Standort am Standort 95 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.1 MF zentral in eine anaerobe Zone (V = 500 m3) zur vermehr- Anlagen in Deutschland mit Mikrofiltrations- ten biologischen Phosphorelimination. Die äußere Zone membranen des Belebungsbeckens (V = 1.160 m3) wird zur Denitrifikation genutzt, wobei ein Teil des Beckens (500 m3) zeit- 2.2.1.1 MF und lastabhängig belüftet und zur Nitrifikation genutzt Kläranlage Seelscheid und Schulungseinrichtung werden kann. Die Kläranlage Seelscheid wurde in den Jahren 1974 bis Die dreistraßige Membrananlage wurde auf der Fläche 1976 für 3.000 E ausgelegt. In einer 2. Ausbaustufe erfolgte des ehemaligen Zwischenklärbeckens gebaut und im Juli in den Jahren 1991/1992 eine Erweiterung auf einen An- 2004 in Betrieb genommen. Die drei Membranbecken mit schlusswert von 7.500 E. Der damalige Entwurf sah bereits einem Volumen von insgesamt rund 800 m3 dienen zur eine Endausbaugröße für 10.500 E vor, so dass einige Ge- Nitrifikation. In ihnen sind jeweils 13 Plattenmembran- werke, insbesondere die Rohrleitungen, bereits auf diese pakete (Typ EK 400) der Firma Kubota installiert, so dass Endausbaugröße bemessen wurden. Ein Ausbau der Klär- insgesamt eine Membranfläche von 12.480 m2 zur Verfü- anlage nach dem Belebungsverfahren war aufgrund der be- gung steht. Die Regelung der Rezirkulationsvolumenströme engten Platzverhältnisse nur sehr kostenaufwendig mög- erfolgt wie die Belüftung über einen Fuzzy-Logic-Regler. lich. Mit dem Membranbelebungsverfahren bot sich zum Zeitpunkt der Planung im Jahr 2003 eine leistungsfähi- Die Aufbringung der notwendigen transmembranen gere Alternative mit geringerem Platzbedarf an. Druckdifferenz erfolgt z. Zt. im Gravity Flow und kann durch Permeatpumpen unterstützt werden. Das Filtrat Für die Erweiterung wurden in dem vorhandenen Rech- wird in einen Vorlagebehälter (V = 100 m3) geleitet und enhaus im Hinblick auf einen störungsfreien Betrieb der von dort über die vorhandenen Rohrleitungen in den Kläranlage – insbesondere der Membrananlage – zwei Wenigerbach bzw. wird ein Teil des gereinigten Abwassers Feinrechen (3 mm Stababstand) installiert. Jeder der bei- auf der Kläranlage als Brauchwasser eingesetzt. Das Kon- den Feinrechen kann den maximalen Abwasservolumen- zentrat wird zurück in die Denitrifkationszone oder wahl- strom von 99 l/s behandeln, so dass ein redundantes Sys- weise in die anaerobe Zone geführt. Die Mindestanforde- tem vorliegt. Der sich anschließende belüftete Sand- und rungen, die Werte der Einleiterlaubnis und die Betriebs- 3 Fettfang mit einem Volumen von V = 104 m bestand be- werte nach etwa vier Monaten Betrieb sind in Tabelle 2-7 reits. Die berechnete Aufenthaltszeit im Sandfang beträgt aufgeführt. Den jetzigen Ausbauzustand der Kläranlage bei Regenwetter über 17 Minuten und bei Trockenwetter Seelscheid zeigt das Verfahrensschema (Abbildung 2-28). über 35 Minuten. Nach dem Sandfang gelangt das Ab- Die Investition für den Ausbau der Kläranlage Seelscheid wasser in das Belebungsbecken, welches als Rundbecken beträgt etwa 4,6 Mio. Euro, dieser wird mit Mitteln des mit verschiedenen Zonen ausgeführt ist. Der Zulauf erfolgt MUNLV gefördert. Tab. 2-7 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004] Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleiterlaubnis Betriebswerte CSB mg/l 90 40 < 20 BSB5 mg/l 20 10 n. n. NH4-N mg/l 10 3 < 0,1 Nges mg/l 18 18 <5 Pges mg/l 2 0,8 – AOX µg/l keine Angaben 50 – 96 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-28 Verfahrensschema der Kläranlage Seelscheid [nach AGGERVERBAND 2004] Membranstufe/ Nitrifikation Denitrifikationsbecken Nitrifikationsbecken Gebläsestation anaerobes Becken Vorfluter RS Zulauf Feinrechen 3 mm Permeat Vorlage Sandfang Feinrechen 3 mm alternativ Rezirkulation (RZ) Brauchwasser Abb. 2-29 Membrananlage auf der Kläranlage Seelscheid [Fotos: AGGERVERBAND 2004], links: Becken der Membranstufe, rechts: Maschinenkeller der Membrananlage 97 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Schulungseinrichtung auf der Kläranlage Seelscheid Der Aggerverband wird in Zusammenarbeit mit dem richtung wird mit Mitteln des Landes Nordrhein-Westfa- Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirt- len gefördert. schaft und Verbraucherschutz des Landes NordrheinWestfalen (MUNLV), dem Bildungszentrum für die Ent- Abb. 2-30 sorgungs- und Wasserwirtschaft (BEW), der Deutschen Bestehende Sandfilterbecken für die geplanten Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall Schulungsanlagen [Foto: AGGERVERBAND 2004] (DWA), der Deutschen Gesellschaft für Membrantechnik (DGMT) und der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) am Standort der Kläranlage Seelscheid eine moderne Schulungseinrichtung für Membrantechnik erstellen. Neben Schulungsräumen und acht Laborarbeitsplätzen werden vier Membranbelebungsanlagen mit vorgeschalteter Denitrifikation und unterschiedlichen Modulsystemen in den Becken der alten Sandfiltration zur Durchführung praktischer Schulungseinheiten errichtet (siehe Abbildung 2-30 und Abbildung 2-31). Die Schulungen sind u. a. für Ver- und Entsorger, Klärmeister und angehende Ingenieure aus den Hochschulen vorgesehen. Die Fertigstellung der Schulungseinrichtung ist für das Jahr 2005 geplant. Die Ein- Abb. 2-31 Verfahrensschema der Schulungsanlagen [nach AGGERVERBAND 2004] Denitrifikation Nitrifikation/ Membranstufe Rezirkulation (RZ) Gebläsestation Rezirkulation (RZ) Gebläsestation Rezirkulation (RZ) Gebläsestation Rezirkulation (RZ) Gebläsestation Rohabwasser Feinrechen 3 mm zur Kläranlage Zulauf wahlweise Rohabwasser Feinrechen 0,75 mm 98 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.1.2 MF Pilotanlage Büchel Im Rahmen des vom MUNLV NRW geförderten For- Abb. 2-32 schungsvorhabens „Ertüchtigung der Kläranlage Büchel Ansicht der Pilotanlage Büchel [Foto: ISA RWTH unter Einsatz der Membrantechnologie“ betrieb der Agger- AACHEN], Vordergrund: Filtrationscontainer, Hinter- verband von 1999 bis 2001 eine Pilotanlage nach dem grund links: Belebungsbecken der Pilotanlage, Hin- Membranbelebungsverfahren. Das F&E-Vorhaben wurde tergrund rechts: Vorklärbecken der Gesamtanlage im Auftrag des Aggerverbands mit dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen und der Ingenieurgesellschaft ATEMIS durchgeführt. Ausgangspunkt des Forschungsvorhabens war die anstehende Erweiterung der Kläranlage Büchel von 12.000 E auf eine Ausbaugröße von 25.000 E. Da für den Ausbau neben den beengten Platzverhältnissen aufgrund der Lage in einem Naturschutzgebiet die strengen Anforderungen der Bezirksregierung Köln an den Ablauf der Kläranlage zu berücksichtigen sind, wurde seitens des Aggerverbandes für die Erweiterung der Kläranlage nach einer Alternative zur konventionellen Klärtechnik gesucht. Hierbei stellte sich nach eingehenden Kostenvergleichen das Membran- Abb. 2-33 Verfahrensschema der Pilotanlage Büchel [BAUMGARTEN 2001b] Permeat Nitrifikations- und Membrancontainer V = 80 m3 RS Membranstraße 1 Membranstraße 2 Nitri-/Denitrifikationsbecken V = 100 m3 Gebläse Membranreaktor Gebläse Nitrifikation Zulauf 99 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung belebungsverfahren als die interessanteste Alternative Es konnte ein nahezu störungsfreier Anlagenbetrieb erzielt heraus. Um dies mit Erfahrungswerten belegen zu kön- werden. Innerhalb einer sechsmonatigen Betriebsphase nen, entschied sich der Aggerverband für den Betrieb beider Filtrationsstraßen bei Nettoflüssen von 27 l/(m2 · h) einer Pilotanlage im Vorfeld der Erweiterungsplanung. stieg der aufzuwendende Transmembrandruck foulingbedingt von ca. 80 mbar auf ca. 150 mbar an, so dass zur Die Pilotanlage befand sich auf dem Gelände der Kläran- Gewährleistung des Anlagendurchsatzes eine chemische lage Büchel und wurde mit einem Teilstrom des mecha- in-situ-Reinigung durchgeführt wurde. Hierdurch konnte nisch vorbehandelten Abwassers aus der bestehenden die ursprüngliche Membranleistung nahezu vollständig Anlage beschickt. Die mechanische Vorbehandlung wieder erreicht werden [WOZNIAK, BAUMGARTEN 2001; der Kläranlage besteht aus einem 3 mm-Filterstuferechen, BAUMGARTEN 2001b]. einem belüfteten Sand- und Fettfang sowie einem Vorklärbecken. Die Beschickung der Pilotanlage konnte Nach Abschluss der Pilotierung wurde am Standort der optional über die Entnahme des Abwasserteilstromes vor Kläranlage Büchel aus Kostengründen eine Erweiterung oder nach dem Vorklärbecken erfolgen. nach dem konventionellen Belebungsverfahren bevorzugt. Aufgrund der Erfahrungen mit der Membrantechnik Das Abwasser gelangte über ein Hebepumpwerk in den sah der Aggerverband jedoch einem weiteren Einsatz der Denitrifikationsbereich der Pilotanlage. Die Nitrifikation Membrantechnik zur kommunalen Abwasserbehandlung fand nur im Bereich der nachgeschalteten Membranstufe an anderen Standorten positiv entgegen. So flossen die statt (Abbildung 2-33), da im Normalfall der für die Über- gesammelten Erfahrungen inzwischen z. B. in den Aus- strömung der Membranmodule eingepresste Luftvolu- bau der großtechnischen Kläranlage Seelscheid des Agger- menstrom zur vollständigen Nitrifikation ausreicht. Falls verbands (siehe Kapitel 2.2.1.1) ein. Auch für zukünftige dies nicht gewährleistet wurde, konnten einzelne Berei- Anlagenneubauten oder -erweiterungen wird die Technik che im vorgelagerten Denitrifikationsbecken belüftet und mit in die Variantenbetrachtungen einbezogen. damit zur Nitrifikation genutzt werden. Die Membranstufe bestand aus zwei Filtrationsstraßen, die unabhängig voneinander betrieben werden konnten, mit je vier Plattenpaketen mit 150 Plattenmodulen der Firma Kubota. Das gereinigte Wasser wurde im Saugbetrieb über die Filtrationsmodule abgezogen. 100 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.1.3 MF Kläranlage Richtheim In Bayern liegen viele dezentrale Kläranlagen in Gebie- Die Anlage besteht aus einem Zulaufschacht, der als Vor- ten, in denen erhöhte Anforderungen an den Gewässer- klärbecken zur Abscheidung von Grob- und Schwimm- schutz gestellt werden (z.B. Karstgebiete) bzw. leiten in stoffen dient. Daran schließt sich die Membranbelebungs- empfindliche Vorfluter ein. Eine weitergehende Abwas- stufe an, die in einem Fertigteilschacht untergebracht ist serbehandlung, z. B. über Sandfiltration und UV-Desin- und aus Plattenmodulen der Firma Kubota (zwei Modul- fektion, Ozonierung oder Membrantechnik kann hier pakete zu je 80 m2 Membranfläche) besteht. Das vorge- sinnvoll bzw. erforderlich sein. klärte Abwasser fließt im freien Gefälle in die Membranbelebungsstufe. Der erforderliche Sauerstoffbedarf wird Im Rahmen eines vom Landesamt für Wasserwirtschaft vollständig durch die Belüftung der Membranmodule (LfW) in Bayern geförderten Forschungsvorhabens wer- gedeckt. Abbildung 2-34 zeigt das Verfahrensschema der den an drei Standorten unterschiedliche Verfahren zur Anlage. Reinigung von kommunalem Abwasser für dezentrale Kläranlagen untersucht. Im Fokus der Untersuchungen stehen die erreichbare Abwasserqualität, die Betriebssicherheit und der betriebliche Aufwand der Verfahren. Die Untersuchungen zum Membranbelebungsverfahren werden auf der Kläranlage Richtheim durchgeführt, die über eine Behandlungskapazität von 100 E verfügt. Abb. 2-34 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage [nach BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] Membranbelebungsstufe Vorfluter Vorklärung Konzentrat Zulauf Gebläsestation 101 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung MF 2.2.1.4 Kläranlage Eitorf (Inbetriebnahme) In der Kläranlage Eitorf wird das kommunale Abwasser Ursprünglich war die Anlage vor allem zur Mitbehand- der Gemeinde Eitorf und aus Teilgebieten der Stadt Hen- lung eines hochbelasteten Abwasserstromes aus der Tex- nef sowie das Abwasser gewerblicher und industrieller tilveredlung vorgesehen, der u. a. durch eine starke Fär- Einleiter behandelt. Zur Erweiterung der bisherigen Anla- bung und hohe AOX-Konzentrationen gekennzeichnet genkapazität von derzeit ca. 33.000 EW auf einen für war (siehe Tabelle 2-8). Zur Steigerung der Reinigungs- 2010 prognostizierten Anschlusswert von ca. 46.500 EW, leistung bzgl. dieser Parameter (Einleitwert für AOX: wurden in einer Studie verschiedene Ausbauvarianten mit 50 µg/l) wurde im Vorfeld die simultane Zugabe pulve- Membrantechnik entwickelt [NOLTING, KAZNER 2005]. risierter Aktivkohle sowohl großtechnisch für die kon- Auf Basis eines Jahreskostenvergleichs wurde für die ventionelle Anlage [KAZNER 2003] als auch im Pilotmaß- Erweiterung eine Membranbelebungsanlage für einen stab für einen Membranbioreaktor [BAUMGARTEN 2005] Teilstrom des zu behandelnden Abwassers favorisiert. erfolgreich erprobt. Tab. 2-8 Eingangswerte für die Bemessung der Membranbelebungsanlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF 2004] Parameter Qd Zulauf zur MBA Qh QM CSB BSB 5 TKN NH4 -N Pges AOX 1.800 145 288 1.152 486 108 62 13 0,4 m3 /d m3 /h m3 /h kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d kg/d Abb. 2-35 Verfahrensschema der Kläranlage Eitorf [nach GEMEINDEWERKE EITORF] Zulauf Feinrechen 3 mm Sandfang Vorklärbecken 75% Belebungsbecken Nachklärbecken Vorfluter 25% Rücklaufschlamm (RS) Feinsieb 1 mm Denitrifikationsbecken Variobecken Rezirkulation (RZ) 102 vierstraßige Membranstufe mit Nitrifikation Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-36 Kläranlage Eitorf mit abgedeckten Membranbecken zwischen den Gebäuden im Vordergrund Aufgrund einer betriebsbedingten Schließung der Färberei Bereich (V = 300 m3) zur Denitrifikation oder Nitrifikation wird dieser Abwasserstrom zukünftig wegfallen. Stattdessen und vier Nitrifikationsbecken (je 150 m3), in welchen ge- erfolgt die Einleitung eines hochbelasteten Abwasserstro- tauchte Plattenmodule der Firma Kubota (Typ EK 400, mes aus der Lebensmittelindustrie. Doppeldeckermodule) installiert sind. Für die Filtration steht damit insgesamt eine Membranfläche von 10.240 m2 Die Membranbelebungsanlage (Abbildung 2-36) ist vier- zur Verfügung. straßig ausgeführt und soll 25 % des Volumenstroms nach der Vorklärung behandeln (siehe Abbildung 2-35). Die Kosten für den Bau der Membranbelebungsanlage, die im September 2005 in Betrieb genommen wurde, Die Anlage besteht aus einem Denitrifikationsbecken betrugen 3,9 Mio. Euro und wurde vom MUNLV NRW (V = 300 m3), einem mit Belüftern ausgestatteten Vario- zu einem Teil gefördert. 103 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung MF 2.2.1.5 Kläranlage Xanten-Vynen (Inbetriebnahme) Die Kläranlage Xanten-Vynen wurde 1972 nach damaligen Abb. 2-37 Bemessungsgrundsätzen für 6.000 E und auf den dreifachen Membrananlage in Containerbauweise für die Trockenwetterzufluss ausgelegt. Die biologische Stufe ist Kläranlage Xanten-Vynen [Foto: A3 GMBH] heute für 3.300 E genehmigt, wobei zurzeit ca. 3.160 E an die Kläranlage angeschlossen sind. Die Kläranlage ist damit zu über 95 % ausgelastet und im Hinblick auf die zu erwartende Einwohnerentwicklung auf 4.989 E zu erweitern. Die Entwässerung der angeschlossenen Ortsteile Vynen und Marienbaum erfolgt überwiegend im Mischsystem mit Ausnahme eines Neubaugebiets, welches im Trennsystem entwässert. Das der Kläranlage zufließende Abwasser ist ausschließlich kommunalen Ursprungs. Im Rahmen eines für drei Jahre angelegten Forschungsvorhabens wird auf der Kläranlage Xanten-Vynen eine zweistraßige Membranbelebungsanlage mit dem Plattenmodulsystem der Firma A3 ausgerüstet und parallel zur bestehenden Belebungsanlage betrieben (siehe Abbildung 2-38). Die Gesamtkapazität der zweistraßigen Membranbelebungsanlage soll rund 2.000 E betragen. Abb. 2-38 Verfahrensschema der Kläranlage Xanten-Vynen einschl. der Membranbelebungsanlagen [nach LINEG 2004] Rechen Sandfang Belebungsbecken Nachklärbecken Schönungsteich Zulauf Rücklaufschlamm (RS) Siebanlage 3 mm Denitrifikation Membranstufe Nitrifikation Vorfluter Rezirkulation (RZ) Denitrifikation Membranstufe Nitrifikation Rezirkulation (RZ) 104 Gebläsestation Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung In dem dreijährigen Versuchsbetrieb sollen Aussagen zur Als mechanische Vorreinigung ist eine Siebanlage mit einer Reinigungsleistung der beiden Verfahren getroffen und Lochweite von 3 mm geplant, die außerhalb der Con- folgende wesentliche Ziele erreicht werden: tainer aufgestellt wird. Das Belebungsvolumen beträgt jeweils 100 m3. Jede Membrananlage ist für einen Abwasser- • Nachweis der Betriebssicherheit und der Leistungsfä- volumenstrom von 12,5 m3/h bei Trockenwetter und von 40 m3/h bei Regenwetter ausgelegt und weist eine Mem- higkeit der Anlage • Wirtschaftlichkeit des eingesetzten Modulsystems branfläche (Porengröße ~ 0,2 µm) von 2.000 m2 auf. Die • Ermittlung eines optimierten Betriebs- und Reinigungs- Membrananlage wird noch im Jahr 2005 in Betrieb ge- managements nommen. Die beiden Membrananlagen sind baugleich hergestellt und in je einem Container untergebracht (Abbildung 2-37). MF 2.2.1.6 Kläranlage Piene (in Planung) Für den Ortsteil Piene, Gummersbach wird zurzeit eine Zur Vorreinigung des Abwassers ist ein Trommelsiebre- Kläranlage nach dem Membranbelebungsverfahren für chen mit einer Spaltbreite von 3 mm vorgesehen. Der sich eine Behandlungskapazität von 170 E geplant. anschließende 40 m3 fassende Pufferbehälter dient zur Abpufferung von hydraulischen Stößen bei Mischwasserzu- Bisher erfolgt die Abwasserreinigung für den Ortsteil Piene fluss und zur Speicherung des Überschussschlammes. Aus in Dreikammerklärgruben. Die gereinigten Abwässer werden dem Speicherbehälter wird das Abwasser in die Belebungs- in einen leistungsschwachen Vorfluter eingeleitet und die stufe geführt, welche auch ein Volumen von 40 m3 hat Einleiterlaubnis fordert eine Ablaufkonzentration für CSB und die getauchten Membranmodule integriert. Als Mem- < 70 mg/l und für BSB5 < 10 mg/l, weshalb sich das Mem- branmodule sind Plattenmodule der Firma Kubota mit branbelebungsverfahren anbietet. Abbildung 2-39 zeigt einer Membranfläche von 320 m2 vorgesehen. das Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage. Abb. 2-39 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage [nach STADT GUMMERSBACH 2004] Belebungsstufe Membranstufe Vorfluter Trommelsiebrechen 3 mm Zulauf Pufferbehälter 105 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.1.7 MF Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen (Inbetriebnahme) Die beiden Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen In Konzen wird dem Becken mit den getauchten Mem- des Wasserverbandes Eifel-Rur (WVER) werden für eine branmodulen ein Belebungsbecken vorgeschaltet, indem Behandlungskapazität von 6.200 E bzw. 9.700 E ausge- sowohl denitrifiziert, als auch nitrifiziert wird. Darüber baut. Beide Ausbaumaßnahmen sind zurzeit in der Reali- hinaus steht Nitrifikationsvolumen in dem Becken mit sierung. Die Inbetriebnahme der Anlagen ist für Ende den Membranmodulen zur Verfügung. In beiden Anlagen 2005 geplant. kommen Plattenmembranmodule der Firma Kubota zum Einsatz. In der Kläranlage Rurberg-Woffelsbach werden Die Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage 13.440 m2 Membranfläche, für die Kläranlage Konzen Rurberg-Woffelsbach und der Kläranlage Konzen sind in 23.040 m2 Membranfläche installiert. Für diese Membran- der Tabelle 2-9 aufgeführt. Die Begründungen für den flächen sind 42 bzw. 72 Membranmodule des Typs EK Einsatz einer Membranbelebungsanlage an beiden Stand- 400 vorgesehen. Eine besondere Anforderung an die Fil- orten liegt darin, dass die Kläranlage Rurberg-Woffelsbach trationsleistung der Membranen stellt die im Winter in in die zu Erholungszwecken genutzte Rurtalsperre und dieser Region sehr niedrige Abwassertemperatur von die Kläranlage Konzen in den Laufenbach, der im Ein- unter 6 °C dar. zugsgebiet der Trinkwassergewinnung liegt, einleitet. Die gemäß des Submissionsergebnis ermittelte Investition Die Kläranlage Rurberg-Woffelsbach ist zukünftig für 3 für die Ausbaumaßnahme der Kläranlage Rurberg-Wof- einen Trockenwetterzufluss von 175 m /h und einen felsbach beträgt rund 5,5 Mio. Euro (Kläranlage ohne Regenwetterzufluss von 349 m3/h ausgelegt. In der Klär- geplante Seeleitung, Pumpwerk Rurberg und Ingenieur- 3 anlage Konzen können zukünftig 245 m /h bei Trocken- leistung) und für die Kläranlage Konzen 7,5 Mio Euro wetter und 587 m3/h bei Regenwetter behandelt werden. (Kläranlage ohne Mischwasserbehandlungsanlage und Das geplante Verfahrenskonzept sieht für beide Kläranla- Ingenieurleistung). Der Ausbau beider Kläranlagen nach gen eine mechanische Vorbehandlung über einen Feinre- dem Membranbelebungsverfahren ist unter Berücksichti- chen mit einer Spaltweite von 3 mm vor. Daran schlie- gung einer 50 %-igen Förderung der membranspezifi- ßen sich ein Fett- und Sandfang sowie ein Feinstrechen schen Kosten durch das Land NRW kostengünstiger als mit einer Spaltweite von 0,5 mm an. Der Feinstrechen ein konventioneller Ausbau. wird redundant ausgeführt. Die biologische Abwasserbehandlung erfolgt in Rurberg-Woffelsbach in einem vorgeschalteten Denitrifikationsbecken und einem Membranbelebungsbecken, in dem auch die Nitrifikation stattfindet. Tab. 2-9 Einleitanforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlagen Rurberg-Woffelsbach und Konzen [nach WVER 2004] Parameter Einheit Einleitanforderungen Einleitanforderungen Rurberg-Woffelsbach Konzen 80 50 CSB mg/l BSB5 mg/l 20 15 NH4-N mg/l 10 3 Pges mg/l 0,5 0,2 106 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung MF 2.2.1.8 Kläranlage Kohlfurth, Prozesswasserbehandlung Die Kläranlage Kohlfurth hat eine Ausbaugröße von Das Prozesswasser wird gemäß dem neuen Konzept in 156.000 E und behandelt vorwiegend kommunal gepräg- einem Speicher gepuffert und anschließend einem ersten tes Abwasser nach dem konventionellen Belebungsver- Belebungsreaktor (V = 200 m3) zur Nitritation zugeführt. In fahren mit anschließender anaerober Schlammbehand- einem zweiten Belebungsreaktor (V = 180 m3) soll die auto- lung (Abbildung 2-40). Die Anlage wurde für einen Über- trophe Deammonifikation erfolgen. Für die Reaktoren wer- wachungswert von 18 mg/l Nanorg ausgelegt, muss aber den zwei derzeit nicht mehr betriebene Eindicker genutzt. zukünftig 13 mg Nanorg/l einhalten. Diese Anforderung kann derzeit bei voller Auslastung der Kläranlage in der Die zweistraßige Membrananlage für Mikrofiltration ist qualifizierten Stichprobe nicht sicher eingehalten wer- in einem separaten Reaktor installiert und den Reaktoren den. Dies gab im Herbst 2003 den Anlass, eine neue der Belebungsstufe nachgeschaltet. Jede der zwei Straßen Behandlung für Prozesswässer aus der Schlammentwässe- enthält zwei Modulpakete (Firma Kubota, Typ EK 400) mit rung zu planen. einer Gesamtmembranfläche von 720 m2. Das Permeat der Membrananlage wird in das Rücklaufschlammpumpwerk Auf der Kläranlage Kohlfurth fallen täglich 300 m3 Pro- und damit in die Belebungsstufe der Kläranlage Kohlfurt zesswasser mit einer NH4-N-Konzentration von 700 bis zurückgeführt. 1.000 mg/l aus der Schlammentwässerung an. Das neue Konzept zur Prozesswasserbehandlung sieht das Membran- Die Anlage ist seit Januar 2005 in Betrieb. Nach einer belebungsverfahren vor, wobei insbesondere das Potenzial Probebetriebsphase sollen sowohl die Betriebsweise der einer autotrophen Deammonifikation im Membranbio- autotrophen Deammonfikation als auch die der her- reaktor untersucht werden soll. kömmlichen Denitrifikation untersucht werden. Abb. 2-40 Verfahrensschema der Kläranlage Kohlfurth [nach WUPPERVERBAND 2004] C-Quelle Zulauf Rechen Denitrifikation Sandfang Vorklärbecken Belebungsstufe Sandfiltration Nachklärbecken Vorfluter Rücklaufschlamm (RS) Grobschlamm Voreindicker Filtrat Faulturm Faulturm Membranstufe Nacheindicker Trübwasser Speicher Kammerfilterpresse Schlammwasser autotrophe Nitritation Deammonifikation Filtrat Rezirkulation (RZ) 107 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung MF 2.2.1.9 Kläranlage Dormagen, Prozesswasserbehandlung (Inbetriebnahme) Die Kläranlage Dormagen hat eine Ausbaugröße von Als technisch und wirtschaftlich vorteilhaft wurde das 80.000 E und behandelt vorwiegend kommunal geprägtes Membranbelebungsverfahren zur Behandlung der Pro- Abwasser nach dem konventionellen Belebungsverfahren zesswässer in der Planung ermittelt. Die zweistraßige mit anschließender anaerober Schlammbehandlung (siehe Membrananlage für Mikrofiltration wird 8 Modulpakete Abbildung 2-41). der Firma Kubota, (Typ EK 150) mit einer gesamten Membranfläche von 960 m2 enthalten. Die bei der Schlammbehandlung anfallenden Prozesswässer setzen sich aus den Trübwässern des Faulturms und Der vorhandene Sandfang wird zu einer intermittierend des Nacheindickers sowie dem Zentratwasser aus den betriebenen Nitrifikations- und Denitrifikationsstufe Zentrifugen zusammen und werden in einem Puffer- umgebaut, in die das Prozesswasser vom Speicherbecken becken zwischengespeichert. Die NH4-N-Konzentration geleitet wird. Die sich anschließende Membrananlage dieser Prozesswässer beträgt ca. 800 mg/l und führt zu wird auf dem vorhandenen Sandfang in Containerbau- einer Rückbelastung der Kläranlage, die etwa 15.000 E weise aufgestellt. Das Permeat der Membrananlage wird entspricht. Diese Belastung ließ die Kläranlage zeitweise in den Zulauf des Belebungsbeckens geleitet. an ihre Kapazitätsgrenze stoßen, was im Herbst 2003 den Anlass zur Planung einer neuen Prozesswasserbehand- Die Anlage befindet sich zurzeit im Bau und wird im Jahr lungsanlage gab. 2005 in Betrieb genommen. Abb. 2-41 Verfahrensschema der Kläranlage Dormagen [nach STADT DORMAGEN 2004] Zulauf Abfluss Rechen Vorklärbecken Sandfang Bio-P Denitrifikation Nitrifikation Nachklärbecken Vorfluter Rezirkulation (RZ) Rücklaufschlamm (RS) Voreindicker Filtrat Faulturm Faulturm ggf. Trübwasser Nacheindicker Trübwasser Speicher Zentrifuge Membranstufe Zentratwasser Prozesswasser Nitrifikation Denitrifikation Rezirkulation (RZ) 108 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.2 MK aus ist die erste großtechnische kommunale Kläranlage Anlagen außerhalb Deutschlands mit Europas 1998 mit einer Kapazität von 1.900 m3/d in Por- Mikrofiltrationsmembranen lock, England, in Betrieb genommen worden. Im Jahr 2000 kam die Kläranlage Swanage (Abbildung 2-42) an der Die Membrantechnik wird in der kommunalen Abwasser- englischen Südküste mit einer Kapazität von 13.000 m3/d reinigung seit den 90er Jahren eingesetzt. Die ersten tech- und 23.000 angeschlossenen Einwohnern hinzu, die bis nischen bzw. großtechnischen Anlagen wurden haupt- Ende 2001 die bisher größte Membranbelebungsanlage sächlich in Nordamerika und Japan installiert. Dabei im kommunalen Bereich war. Die Anlage, die mit dem handelt es sich bei ca. 90 % der Anlagen um kleine Anla- Kubota-System ausgestattet wurde, ist unmittelbar am 3 gen mit einer Kapazität von weniger als 100 m /d. Eine Strand inmitten der vorhandenen Bebauung gelegen und größere Anlage steht in Powell River, Kanada, mit einer aufgrund der kompletten Einhausung als solche kaum 3 Ausbaukapazität von ca. 5.700 m /d. Die Anlagen aus auszumachen. dem nordamerikanischen und asiatischen Raum werden fast ausschließlich zur Behandlung von Abwasserströmen Sowohl im Hinblick auf technische als auch wirtschaft- aus Trennsystemen eingesetzt, wobei die Reinigungsan- liche Belange ist das Membranbelebungsverfahren in forderungen der einzelnen Staaten differieren. Daher sind Großbritannien inzwischen derart etabliert, dass bei die dort gesammelten Erfahrungen nur bedingt auf die jedem Anlagenneubau oder einer Anlagenerweiterung die europäischen Rahmenbedingungen übertragbar. Anwendung des Verfahrens geprüft wird. In weiteren europäischen Ländern, wie z. B. in Italien am Gardasee Seit 1998 ist der Einsatz von Membranen im Bereich der oder in Belgien, befinden sich die ersten Membranbele- kommunalen Abwasserreinigung jedoch auch weltweit bungsanlagen in der Planungs- oder Bauphase. stark angestiegen. Über viele kleinere Anwendungen hin- Abb. 2-42 Luftbild der Kläranlage Swanage [Foto: AQUATOR GROUP] 109 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.2.1 MK Kläranlage Glasgow, Schottland In der zentralen Schlammbehandlungsanlage Glasgow zentrationen von 200 – 300 mg/l auf, was einer Belas- werden unterschiedliche Schlämme sowohl industriellen tung von rund 180.000 E bezogen auf NH4-N entspricht. als auch kommunalen Ursprungs behandelt. Insgesamt werden zwischen 7.800 m3/d und 12.800 m3/d Schlamm Das Schlammwasser wird über einen dreistraßigen Fein- mit einem durchschnittlichen TS-Gehalt von 2 bis 2,5 % rechen (Stababstand 3 mm) behandelt. Die biologische behandelt. Der Schlamm setzt sich neben den lokal anfal- Behandlung erfolgt über ein vorgeschaltetes Denitrifika- lenden Schlämmen aus Schlämmen der Standorte Shield- tionsbecken (V = 2.300 m3) und vier parallel betriebene hall, Dulmuir, Paisley, Dalmarknock, Glasgow Catchment Nitrifikationsbecken (Vgesamt = 9.400 m3), in welche die und Daldowie zusammen. Membranmodule getaucht sind. Nach Durchlauf eines 5-mm-Rechens und einer Zwischen- Die vierstraßige Membrananlage besteht aus insgesamt speicherung in einem 30.000 m3 fassenden Behälter wird 128 Plattenmembranmodulen vom Typ EK 400 der Firma der Schlamm in zwölf parallel betriebenen Zentrifugen Kubota mit einer Membranfläche von 20.480 m2. Es wer- entwässert. Der auf rund 30 % TS eingedickte Schlamm den Ablaufkonzentrationen von 40-60 mg/l CSB und wird in sechs Trocknern auf 90 – 92 % TS entwässert. 0,1 – 0,4 mg/l NH4-N erreicht. Der Ablaufwert für NO3-N Stündlich fallen zwischen 200 m3 und 450 m3 Schlamm- beträgt im Mittel 30 mg/l. wasser an, das zu 80 % in den Zentrifugen und zu 20 % in den Trocknern entsteht. Dieses Schlammwasser weist CSB- Die in Abbildung 2-44 dargestellte Schlammbehandlungs- Konzentrationen von 3.000 – 4.000 mg/l und NH4-N-Kon- anlage wird seit dem Jahr 2002 betrieben. Abb. 2-43 Verfahrensschema der Schlammbehandlungsanlage Glasgow [nach AGGERWASSER GMBH 2004] Nitrifikation, Membranstufe Gebläsestation Feinrechen 3 mm Schlammwasser Vorfluter Feinrechen 3 mm Denitrifikation Feinrechen 3 mm Rezirkulation (RZ) 110 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-44 Draufsicht auf die Schlammbehandlungsanlage (STP) Glasgow und auf ein Becken der Membranstufe [Foto: AGGERWASSER GMBH 2001] Stellfläche Membranen Belüftereinrichtung 111 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.2.2 MK Abb. 2-45 (links): Ebisu Prime Square Building Kläranlage Ebisu Prime Square Building, Japan Abb. 2-46 (rechts): Abwasserreinigungsanlage im Keller des Ebisu Prime Square Building Das Ebisu Prime Square Building ist ein Hochhaus in [Fotos: AGGERWASSER GMBH 2004] Tokyo, in dem auf 70.000 m2 vor allem Büroräume, Verkaufsflächen und Restaurationsbetriebe untergebracht sind (Abbildung 2-45). Beim Bau des Hochhauses wurde im Keller eine Membranbelebungsanlage installiert. Das Abwasser wird so behandelt, dass das Permeat als Brauchwasser in einer Wäscherei und für die Toilettenspülung genutzt werden kann. Abbildung 2-47 zeigt das Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage. Das der Anlage zulaufende Abwasser (Rohwasser) und das aufbereitete Permeat haben die in Tabelle 2-10 aufgeführte Zusammensetzung. Die im April 1997 in Betrieb genommene Anlage ist für einen Permeat3 chemische Reinigungen der Plattenmodule durchgeführt volumenstrom von 189 m /d ausgelegt. Die Ausrüstung, worden. Der TS-Gehalt wird im Bereich zwischen 15 g/l Wartung und der Betrieb der Anlage werden durch die und 20 g/l gehalten. Der transmembrane Druck im Firma Kubota durchgeführt. Bisher sind jährlich ca. 1-2 Betrieb liegt zwischen 0,05 bar und 0,1 bar. Tab. 2-10 Rohwasser- und Permeatqualität [nach AGGERWASSER GMBH 2004] Parameter Einheit Rohwasser Permeat CSB [mg/l] 60 <3 BSB5 [mg/l] 40 <2 Pges [mg/l] – n. n. Nges [mg/l] – <1 abf. Stoffe [mg/l] 140 – 180 n. n. Abb. 2-47 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage [nach AGGERWASSER GMBH 2004] Membranstufe Permeat für Wäscherei und Toilettenspülung Feinrechen Abwasser Gebläse 112 Konzentrat Entsorgung Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.2.3 MK Der Teich wurde durch den Einbau einer Holztrenn- Kläranlage St. Peter ob Judenburg, Österreich wand in einen Belebungsbereich und in einen Nachklärbereich geteilt. Die beiden Bereiche sind durch zwei Mit der kommunalen Kläranlage der Gemeinde St. Peter Überläufe in der Trennwand verbunden. Im Nachklärbe- ob Judenburg (1.500 E) wurden in Österreich die ersten reich setzt sich der Belebtschlamm ab und wird über den Erfahrungen mit der Membrantechnik zur Reinigung Schlammtrichter am Boden abgezogen. Über Dükerlei- kommunaler Abwässer gesammelt. Ursprünglich wurde tungen wird der Belebtschlamm in einen Pumpenschacht die Kläranlage unter Kostengesichtspunkten als Teichklär- geleitet und von dort über eine Tauchpumpe zurück in anlage geplant, behördlich bewilligt und realisiert. Trotz den Belebungsbereich geführt bzw. aus dem System ent- der relativ groß dimensionierten Klärteiche erreichte die nommen. Anlage nicht die nach der österreichischen Emissionsverordnung (EmV) 210/1996 „Begrenzung von Abwasser- Dem umgebauten Teich ist ein Nitrifikationsbecken in emissionen aus Abwasserreinigungsanlagen für Siedlungs- Stahlbetonbauweise zur Gewährleistung einer vollständi- gebiete" geforderte Reinigungsleistung. gen Nitrifikation angeschlossen. Aus dem bestehenden Nitrifikationsbecken wurden die Aufwuchskörper ent- Im Rahmen eines in den Jahren 2001 und 2002 durchge- fernt und getauchte Membranmodule der Firma Mitsu- führten Forschungsvorhabens wurde gezeigt und anschlie- bishi eingesetzt. Insgesamt sind neun Kassetten mit einer ßend umgesetzt, dass die bestehende Klärteichanlage – gesamten Membranfläche von 945 m2 installiert. Die ohne wesentliche bauliche Änderungen – durch den Ein- Kläranlage St. Peter ob Judenburg wird seit Ende des For- satz von neuen Belüftungs- und Mischungskonzepten in schungsvorhabens im Jahre 2002 erfolgreich nach dem Verbindung mit einer getauchten Membranfiltration im vorgestellten Verfahrenskonzept betrieben (Abbildung 2-48). Nitrifikationsbecken die gesetzlichen Reinigungsziele Abbildung 2-49 zeigt die Membranmodule und den Klär- sicher einhalten kann (Tabelle 2-11). teich. Tab. 2-11 Zulauf- und Ablaufkonzentrationen der Kläranlage Parameter Einheit Zulauf Ablauf Teich Permeat CSB [mg/l] 300 – 700 100 – 300 < 30 NH4-N [mg/l] 25 – 45 25 – 35 < 1,0 Abb. 2-48 Verfahrensschema der Kläranlage St. Peter ob Judenburg [nach ENVICARE 2002] Membranstufe Klärteich 1 Sandfang Feinrechen 3 mm Vorfluter BB NK Zulauf Rezirkulation (RZ) Gebläsestation 113 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-49 Kläranlage St. Peter ob Judenburg [Fotos: ENVICARE ], links: Membranmodule, rechts: Teichanlage 2.2.3 UF diesem Verfahren auf der Kläranlage Rödingen sehr posi- Anlagen in Deutschland mit Ultrafiltrations- tiv waren. In enger Abstimmung mit dem Ministerium membranen für Umwelt, Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (MUNLV) NRW wurde das Abwasserbehand- 2.2.3.1 UF lungskonzept erarbeitet. Die Anlage stellte aufgrund ihrer Kläranlage Nordkanal Größe planerisches Neuland dar und hat Demonstrationscharakter für ganz Europa. Beim notwendigen Ausbau der seit 1970 bestehenden Kläranlage Nordkanal musste der ursprüngliche Standort Die Kläranlage ist für den Anschluss von 80.000 E und aus Rücksicht auf die räumliche Entwicklung der Stadt einen Mischwasserzufluss von 1.881 m3/h ausgelegt und Kaarst aufgegeben und ein Neubau an anderer Stelle rea- wurde 2003 in Betrieb genommen. Die Anforderungen lisiert werden. Der Erftverband entschied sich für das an die Ablaufqualität der Kläranlage sind in Tabelle 2-12 Membranbelebungsverfahren, da die Erfahrungen mit zusammengestellt. Tab. 2-12 Mindestanforderungen und Einleiterlaubnis der Kläranlage Nordkanal [ERFTVERBAND 2004] Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleiterlaubnis CSB mg/l 90 90 BSB5 mg/l 20 20 NH4-N mg/l 10 10 Nges mg/l 18 18 Pges mg/l 2 2 114 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Das Abwasser wird am Standort der alten Kläranlage über Abb. 2-50 einen Grobrechen vorgereinigt und zur ca. 2,5 km ent- Siebtrommel der Feinrechenanlage auf der fernten neuen Kläranlage Nordkanal gepumpt. Dort wird Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] das Abwasser über zwei parallel betriebene Filterstufenrechen (Spaltabstand 5 mm) und zwei parallel betriebene belüftete Sand- und Fettfänge mechanisch vorgereinigt. Anschließend durchfließt das Abwasser zwei parallel betriebene Siebtrommeln mit einer Lochweite von 0,5 mm (Abbildung 2-50), um die Membranen in der Nitrifikationsstufe zu schützen. Der Notumlauf der Siebtrommeln ist durch ein Feinsieb mit einer Lochweite von 1 mm abgesichert. So sollen auch bei Betriebsstörungen der Siebtrommeln keine gröberen Stoffe in die Membranbelebungsbecken gelangen. Abbildung 2-51 zeigt das Verfahrensschema der Kläranlage Nordkanal. Die Belebungsstufe ist vierstraßig ausgelegt. Jede Straße besteht aus einem vorgeschalteten Denitrifikationsbecken, einem variablen Beckenbereich zur Denitrifikation bzw. Nitrifikation sowie einem Nitrifikationsbecken mit Abb. 2-51 Verfahrensschema der Kläranlage Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] Nitrifikation, Membranstufe Filterstufenrechen 5 mm Zulauf Sandfang Sandfang Variozone Denitrifikation Variozone Siebtrommel 0,5 mm Grobrechen Filterstufenrechen 5 mm Denitrifikation Gebläsestation Siebtrommel 0,5 mm Notumlaufsieb 1 mm Denitrifikation Variozone Ablauf Denitrifikation Variozone Rezirkulation (RZ) 115 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung getauchten Membranmodulen, welches als Umlaufbecken Abb. 2-52 ausgeführt ist. Die Nitrifikationsbecken sind eingehaust. Membranbelebungsbecken auf der Kläranlage Das Gesamtvolumen der Belebungsbecken beträgt 9.200 m3. Nordkanal [nach ERFTVERBAND 2004] In den Belebungsbecken wird der Schlamm aerob stabilisiert. Aufgrund strömungstechnischer Simulationsuntersuchungen wurden in die Umlaufbecken Rührwerke und Leitbleche integriert. Die Membrananlage ist achtstraßig mit Kapillarmembranen der Firma Zenon (ZW 500c) ausgeführt. Die gesamte installierte Membranfläche beträgt ca. 85.000 m2, da die Bezirksregierung Düsseldorf eine 25 %-ige Reserve für die Membranfiltrationsstufe forderte. Für eine extern durchzuführende chemische Reinigung steht eine separate Waschkammer zur Verfügung. Die Investition für den Neubau der Kläranlage Nordkanal betrug 21,5 Mio. Euro, wovon ca. 6,6 Mio. Euro durch das Land Nordrhein-Westfalen getragen wurden. 2.2.3.2 UF Kläranlage Monheim Die Kläranlage der Stadt Monheim liegt im wasserwirt- Wie im Verfahrensschema der Kläranlage Monheim dar- schaftlich sensiblen Karstgebiet des Landkreises Donau- gestellt (Abbildung 2-54), ist die mechanische Stufe zwei- Ries. Neben dem Abwasser der Stadt Monheim werden straßig ausgeführt. Über jede Straße, die aus einem Fein- die Abwässer der Gemeinden Rögling und Tagmersheim sieb mit einer Lochweite von 1 mm und einem Sandfang in dieser Kläranlage gereinigt und anschließend in die besteht, können 75 % des maximalen Zulaufs gereinigt Gailach eingeleitet, die ca. 6 km unterhalb von Monheim werden. Das mechanisch gereinigte Abwasser wird in die im Karstgrund versickert. In den Jahren 1998 und 1999 Belebungsstufe mit einem Gesamtvolumen von 1.660 m3 wurden erste Konzepte über die Möglichkeiten zur Ablei- geführt, die ebenfalls zweistraßig ausgeführt ist. Jede der tung von Abwasser in den Karstgrund entwickelt. beiden Straßen besteht aus einem vorgeschalteten Denitrifikations- und einem Nitrifikationsbecken sowie zwei Im Rahmen des Pilotvorhabens „Abwasserbehandlung Gai- Kammern mit den installierten Membranmodulen, die lachtal“ unterstützte der Freistaat Bayern die Finanzierung zum Schutz des Betons chemisch beständig beschichtet zur Errichtung einer Membranbelebungsanlage am Stand- sind. Die Becken zur Denitrifikation und Nitrifikation ort der Kläranlage Monheim. Die Investitionen für die haben ein Volumen von je 340 m3, die vier Kammern Membranbelebungsanlage betrugen ca. 7,6 Mio. Euro, von der Membranstufe je 75 m3. Die Schlammstabilisierung denen rund 5,8 Mio. Euro durch das Land Bayern gefördert erfolgt aerob. wurden. Abbildung 2-53 zeigt die Kläranlage Monheim. Die Membranstufe ist unter Zugrundelegung einer speziDie Kläranlage Monheim ist für den Anschluss von 9.700 E fischen Filtrationsleistung von 22 – 24 l/(m2 · h) bei ausgelegt. Für die Planung wurden ein Spitzenzufluss von Mischwasserzufluss ausgelegt worden, die kurzfristig auf 288 m3/h und ein mittlerer täglicher Abwasserzufluss von 31 l/(m2 · h) gesteigert werden kann, wenn eine Filtra- 3 2.400 m /d zugrunde gelegt. 116 tionskammer außer Betrieb genommen wird. Gemäß die- Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung ser Auslegung enthält die Membranstufe 28 Modulkasset- Abb. 2-53 ten der Firma ZENON (Typ ZW 500c) mit einer Gesamt- Kläranlage Monheim [Foto: BAYERISCHES LANDES- membranfläche von 12.320 m2. Die Filtration erfolgt bei AMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] einem TS-Gehalt von 12 g/l. Da die Filtrationsstraßen in vier separaten Kammern untergebracht sind, kann eine chemische Reinigung der Module durch Abpumpen des Belebtschlamms ohne das Ausbauen der Module erfolgen (on air cleaning). Der spezifische Energiebedarf der Kläranlage beträgt etwa 1 kWh/m3 Abwasser. Der Personalbedarf entspricht dem einer konventionellen Kläranlage. Abb. 2-54 Verfahrensschema der Kläranlage Monheim [nach BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] Membranstufe Rezirkulation (RZ) Denitrifikation Sieb 1 mm Rezirkulation (RZ) Nitrifikation Gebläsestation Sandfang Zulauf Ablauf Sieb 1 mm Sandfang Vorfluter Rezirkulation (RZ) Rezirkulation (RZ) 117 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Tab. 2-13 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Monheim [BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004] Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleiterlaubnis Betriebswerte CSB mg/l 90 75 15 BSB5 mg/l 20 15 1,2 NH4-N mg/l 10 5 0,1 Nges mg/l – 18 10 Pges mg/l – 1 0,6 Mit dem Einsatz des Membranverfahrens auf der Kläran- Abb. 2-55 lage Monheim werden die Anforderungen an die Ablauf- Modulkassetten bei der on-air-Reinigung qualität der Kläranlage sicher eingehalten, wie der Tabelle [Foto: STADT MONHEIM 2004] 2-13 zu entnehmen ist. Der Betrieb der Membranbelebungsanlage am Standort Monheim wird zurzeit von einem Untersuchungsprogramm begleitet. Wesentliche Punkte im Rahmen des Untersuchungsprogramms stellen die Erprobung und Optimierung des Membranbelebungsverfahrens und die Auswirkungen der Abwassereinleitung auf die Gailach sowie das Grundwasser dar. 2.2.3.3 UF Kläranlage Markranstädt Die Kläranlage Markranstädt im Südwesten von Leipzig Grundstücksfläche sowie die erhöhten Anforderungen an ist eine von über dreißig Kläranlagen der Kommunalen die Ablaufqualität (Tabelle 2-14) aufgrund eines schwachen Wasserwerke Leipzig. Die Anlage wurde auf eine Ausbau- Vorfluters. größe von 12.000 E ausgelegt, die derzeitige Auslastung beträgt ca. 8.000 E. Die Anlage hat eine hydraulische Kapazität von 180 m3/h. Vom Sammler der Mischkanalisation wird das Schmutz- Veranlassung für den Neubau dieser Anlage war die an- wasser über die Zulaufkammer (Abbildung 2-56, links) stehende Außerbetriebnahme der veralteten Abwasser- mit Hilfe eines Hebepumpwerks der mechanischen Reini- reinigungsanlage, die den Anforderungen nicht mehr gungsstufe zugeführt. gerecht wurde. Ausschlaggebend für den Bau einer Membranbelebungsanlage waren dabei vor allem die begrenzte 118 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Tab. 2-14 Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Markranstädt [STEIN 2002a] Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleitungserlaubnis Betriebswerte CSB [mg/l] 90 50 35 BSB5 [mg/l] 20 10 5 NH4-N [mg/l] 10 5 1 Nges [mg/l] 18 18 15 Pges [mg/l] 2 2 1 AFS [mg/l] keine Angaben keine Vorgaben n. n. Diese ist zweistraßig ausgeführt und besteht aus einem am Boden der Nitrifikationsbecken sind zusätzlich flächen- Stufenrechen (Spaltweite 3 mm) (Abbildung 2-57, links) deckend Aggregate zur feinblasigen Belüftung installiert. sowie einem Sand- und Fettfang zur weiteren Vorreinigung. Über einen Verteiler gelangt das Abwasser in die An den inneren Längsseiten, im oberen Bereich der 7 m ebenfalls zweistraßig aufgebaute Belebungsstufe. Sie tiefen Nitrifikationsbecken, befinden sich die Membran- wird als vorgeschaltete Denitrifikation (VDN= 2 435 m3) module (Fa. ZENON) zur Biomasseabtrennung. Die ge- mit nachgeschalteter Nitrifikation (VN= 2 435 m ) betrie- samte Filterfläche von 7.360 m2 ist auf vier Straßen ver- ben. Sämtliche Becken sind mit Rührwerken ausgestattet, teilt, jeweils zwei in den beiden Nitrifikationsbereichen. 3 Abb. 2-56 Verfahrensstufen auf der KA Makranstädt [Stein 2002a], links: Zulaufkammer zur Membranbelebungsanlage mit Überlaufkante zur Mischwasserbehandlung, rechts: Mischwasserbehandlungsbecken im Zulauf der KA Markranstädt [STEIN 2002a] 119 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Zwischen den beiden längs angeordneten Nitrifikations- führt. Durch die Mischwasserbehandlungsanlage konnte becken ist ein Reinigungsschacht angeordnet, in dem die die benötigte Membranfläche deutlich reduziert werden, mittels eines fest installierten Krans herausziehbaren da sie nicht für die maximale Zuflussmenge, sondern nur Module extern gereinigt werden können. für 1,1 · Q T ausgelegt werden musste. Neben dem Bau der Abwasserreinigungsanlage wurde Seit Inbetriebnahme der Anlage im September 2000 wur- gleichzeitig eine Mischwasserbehandlungsanlage auf dem den zahlreiche Erkenntnisse zur Optimierung der Ver- Gelände der Kläranlage errichtet. In zwei Becken, die als fahrenstechnik und der Anlagensteuerung gesammelt Absetz- und Speicherbecken dienen, werden die Zufluss- [MEYER 2001]. Wesentlich dabei war die Verbesserung mengen, die die Kapazität der Membranstufe bei Misch- der mechanischen Vorreinigung. So wurde der zunächst wasserzufluss übersteigen, zwischengespeichert und gleich- installierte Rechen durch eine Kombination aus Grobre- zeitig vorbehandelt. Diese Abwassermengen werden der chen (Spaltweite 5 mm) und Feinsieb mit einer Lochsieb- Reinigungsanlage in Zeiten mit geringerem Zufluss zuge- weite < 1 mm ersetzt. Abb. 2-57 Verfahrensstufen der Kläranlage Makranstädt [STEIN 2002a], links: Stufenrechen, rechts: Nitrifikations- und Filtrationsbecken der KA Markranstädt [STEIN 2002a] 120 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.3.4 UF Kläranlage Rödingen Die Kläranlage befindet sich auf dem Gebiet der so dass dieser in Trockenzeiten kaum Wasser führt. Ein Gemeinde Titz im Kreis Düren in unmittelbarer Nähe wesentlicher Teil des Vorfluters wird daher aus dem zum Tagebau Hambach. Ihr Einzugsgebiet umfasst eine Ablauf der Kläranlage Rödingen gespeist. Aufgrund dieser überwiegend ländliche Gegend mit kleineren Ortschaften Tatsache stellt die Bezirksregierung strenge Reinigungsan- ohne gewerbliche oder industrielle Abwassereinleiter. forderungen an das Einleiten der Abwässer in diesen Vor- Bergbaulich bedingte Grundwasserabsenkungen verhin- fluter (Überwachungswerte in Tabelle 2-15). dern einen Kontakt des Vorfluters mit dem Grundwasser, Tab. 2-15 Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Rödingen [nach ENGELHARDT ET AL. 2001] Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleitungserlaubnis Betriebswerte CSB mg/l 110 35 < 25 BSB5 mg/l 25 8 <3 NH4-N (bei 5 °C) mg/l – 2 < 0,5 Pges mg/l – 0,5 < 0,3 (Simultanfällung) AOX µg/l – 50 < 50 Ein Neubau der Kläranlage Rödingen, die bis dahin aus Der Zulauf der Anlage wird durch einen Feinrechen mit einer Belebungsanlage mit einer intermittierenden Deni- einem Stababstand von 3 mm und einem anschließen- trifikation und einer Simultanfällung zur Phosphorelimi- den belüfteten Sandfang mechanisch vorbehandelt nation bestand, wurde hierdurch unumgänglich. Mit (Abbildung 2-58). Danach wird das Abwasser den beiden konventioneller Technik hätten große Belebungsbecken Bioreaktoren zugeführt, die mit einer intermittierenden sowie eine nachgeschaltete Flockungsfiltration mit Inves- Nitrifikation/Denitrifikation betrieben werden. titionen in Höhe von ca. 6,1 Mio. Euro errichtet werden Im Anschluss an die biologische Stufe gelangt das Schlamm- müssen. Wasser-Gemisch in die zweistraßige Filtrationsstufe, in Der Erftverband entschied sich als zuständiger Wasserver- der das gereinigte Abwasser über getauchte Ultrafiltrations- band für den Bau einer Membranbelebungsanlage, nach- module abgezogen wird. Das im Filtrationsbereich ver- dem eine Pilotanlage im Jahr 1996 erfolgreich betrieben bliebene aufkonzentrierte Schlamm-Wasser-Gemisch, das und dabei erste Erkenntnisse über die Betriebsweise, die einen bis zu 4 g/l höheren TS-Gehalt als im übrigen Bele- erreichbaren Ablaufwerte und die Betriebssicherheit ge- bungsbeckenbereich hat, wird zurück in die Bioreaktoren wonnen wurden. Die Gesamtkosten von 2,8 Mio. Euro für gepumpt. die erste großtechnische Anlage in Deutschland, die Mitte 1999 in Betrieb genommen wurde, wurden finanziell mit Die zwei Filtrationsstraßen (Abbildung 2-59) bestehen 1 Mio. Euro vom Land Nordrhein-Westfalen mitgetragen. aus jeweils sechs Modulkassetten mit je acht Modulen der Fa. ZENON und weisen eine Membranfläche von insge- Die für 3.000 Einwohner ausgelegte Anlage hat einen täg- samt 4.846 m2 auf. Für den Mischwasserzufluss wurden lichen Abwasserzufluss von 450 m3, im Mischwasserzufluss demnach ca. 28 l/(m2 · h) als Bemessungsflussleistung der 3 müssen in der Anlage bis zu 135 m /h behandelt werden. Membranflächen angesetzt. Hintergrund für den höheren 121 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-58 Fließschema der KA Rödingen Nitri-/Denitrifikationsbecken 1 Teilstrombehandlung Nitri-/Denitrifikationsbecken 2 RS ÜS Feinsieb 0,5 mm V = 200 m3 Zulauf Rechen 3 mm V = 200 m3 Rezirkulation Sandfang Fettfang Gebläse Nitrifikation Gebläse Membranreaktor RS Membranfiltration Membranfiltration Nitrifikations- und Membrancontainer V = 80 m3 Permeat Ansatz der Bemessungsflussleistung der Membranstufe Abb. 2-59 waren anstehende Maßnahmen im Kanalnetz zur Redu- Blick in die zwei Filtrationsstraßen beim Einbau zierung des Fremdwasserzuflusses, die zukünftig geringere der ZeeWeed ® -Kassetten [Foto: ERFTVERBAND] 2 Zulaufmengen verbunden mit Flussraten < 28 l/(m · h) erwarten lassen. Zur Aufrechterhaltung der notwendigen Filtrationsleistung werden die Module zusätzlich zu den üblichen Rückspülintervallen (300 - 500 Sekunden Filtration, 30 Sekunden Rückspülen) und wöchentlichen Zwischenspülungen mit geringen Reinigungsmittelkonzentrationen zweimal jährlich intensiv chemisch gereinigt. Dazu werden die Module aus dem Filtrationsbecken gezogen und in einem separaten, beheizbaren Behälter von innen und außen chemisch gereinigt. Die für den Betrieb der Anlage erforderliche Permeabilität – einschließlich ggf. notwendiger Leistungsreserven – der Membran kann dabei wieder hergestellt werden. 122 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Im Rahmen eines vom Land Nordrhein-Westfalen geförderten F&E-Vorhabens wurde der erstmalige Betrieb einer • die intermittierende Betriebsweise der Belebungsstufe, um geringe Rezirkulationsvolumenströme zu erreichen. deutschen großtechnischen Membranbelebungsanlage wissenschaftlich begleitet, mit dem Ziel, hieraus weiter- Darüber hinaus zeigte sich, dass aufgrund von Verzop- gehende Erkenntnisse für andere noch zu errichtende fungen an den Hohlfaserkapillarmembranen eine bessere Membranbelebungsanlagen zu gewinnen. Diese betrafen mechanische Reinigung des Abwassers erforderlich ist. insbesondere die Betriebsweise der Membranmodule, um Dahingehend wird seit Februar 2001 zusätzlich eine Sie- den Energiebedarf für deren Belüftung zu reduzieren. bung des Belebtschlamms als Teilstrombehandlung im Erfolgreich durchgeführte Maßnahmen dazu waren Bypass zwischen den Belebungsbecken und dem Filtrationsbecken durchgeführt (siehe Abbildung 2-58), um • die straßenweise Zu- bzw. Abschaltung der Filtration in Abhängigkeit von der zu filtrierenden Menge, • die Einführung einer diskontinuierlichen Belüftung Fasern und Grobstoffe aus dem System zu entfernen, die trotz der mechanischen Vorbehandlung in die Belebungsstufe gelangen [ENGELHARDT ET AL. 2001]. der Membranmodule, 2.2.3.5 UF Kläranlage Schramberg-Waldmössingen Die Kläranlage Schramberg-Waldmössingen leitet in den Behandlungsstufe nicht weiter genehmigt würde. Nach schwachen und empfindlichen Vorfluter Heimbach ein. Prüfung verschiedener Alternativen, wie z. B. der Anschluss Der Betrieb der Kläranlage war zunächst bis zum an und der Ausbau benachbarter Kläranlagen, fiel 2001 31.12.1998 befristet, wobei die Kläranlage bereits in den die Entscheidung zugunsten des Ausbaus der Kläranlage Jahren 1995 – 1998 an ihrer Kapazitätsgrenze betrieben am gleichen Standort nach dem Membranbelebungsver- wurde. Gespräche mit der Aufsichtsbehörde ließen schon fahren als ökologisch und ökonomisch beste Lösung. 1996 deutlich werden, dass der Ausbau nach dem konventionellen Belebungsverfahren ohne weitergehende Die Kläranlage (Abbildung 2-60) ist heute für 2.600 E und einen Abwasservolumenstrom von bis zu 90 m3/h ausgelegt. Abb. 2-60 Wie im Verfahrensschema der Kläranlage dargestellt ist Kläranlage Schramberg [Foto: STADTWERKE (Abbildung 2-61), erfolgt die mechanische Vorbehand- SCHRAMBERG 2004] lung über einen Rechen (5 mm Spaltweite) und einen Sandfang. Dem Sandfang sind zwei parallel betriebene Spaltsiebe (0,5 mm Spaltweite) zum besonderen Schutz der Membranstufe nachgeschaltet. Die Belebungsstufe besteht aus einem vorgeschalteten Denitrifikationsbecken (V = 250 m3), dem Nitrifikationsbecken (V = 480 m3) und der Membranbelebungsstufe. Die Membranstufe ist zweistraßig aufgebaut und enthält insgesamt zehn Modulkassetten (Typ 500 c) der Firma ZENON (Abbildung 2-62), die mit einer gesamten Membranfläche von ca. 4.400 m2 durchschnittlich 2.160 m3/d Permeat erzeugen. Die Investition für die Kläranlage betrug 2,8 Mio. Euro und wurde durch das Land Baden-Württemberg mit 123 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung ca. 34 % im Rahmen der Regelförderung für Abwasserbe- wurde. Der Betrieb und die Reinigungsergebnisse werden handlungsmaßnahmen bezuschusst und zeitlich priori- ein Jahr lang durch die Universität Stuttgart betreut und siert, so dass die Anlage 2004 in Betrieb genommen dokumentiert. Abb. 2-61 Verfahrensschema der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [nach STADTWERKE SCHRAMBERG 2004] Nitrifikation, Membranstufe Feinrechen 0,5 mm Zulauf Rechen 5 mm Denitri- Nitrifikation fikation Vorfluter Sandfang Gebläsestation Feinrechen 0,5 mm Rezirkulation (RZ) Abb. 2-62 Membrananlage auf der Kläranlage Schramberg-Waldmössingen [Fotos: STADTWERKE SCHRAMBERG 2004], links: Ansicht der Membranbecken, rechts: Membranmodul 124 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.3.6 UF Kläranlage Knautnaundorf Die Kläranlage Knautnaundorf der Kommunalen Wasser- • In der Membranstufe findet erstmalig das getauchte werke Leipzig ist die jüngste in Deutschland in Betrieb System der Fa. Martin Systems Anwendung (siehe Kapi- genommene Membranbelebungsanlage. Mit einer An- tel 2.1.2, Abbildung 2-11). Mit einer Membranfläche schlussgröße von zurzeit 900 E (erweiterbar auf 1.800 E) von 756 m2 kann so erstmals die Leistungsfähigkeit 3 und einem Spitzenzufluss von 23 m /h ist sie die kleinste einer deutschen Neuentwicklung großtechnisch nach- „großtechnische“ Membrananlage zur kommunalen gewiesen werden. Abwasserbehandlung. • Die mechanische Vorreinigung ist mit einem zweistufigen Rechen ausgestattet, wobei der hintere Feinstrechen Obwohl am Standort keine erhöhten Anforderungen an mit einer Lochweite von 1 mm jegliche Störstoffe aus die Abwasserreinigung gestellt werden, konnte sich im dem Filtrationsbereich fernhalten soll. Ausschreibungsergebnis der Bau einer Membranbelebungs- • Der Boden des Nitrifikationsbeckens ist vollständig mit anlage gegen konventionelle Lösungen aufgrund deutlich Plattenmembran-Belüfterelementen ausgestattet, um geringerer Investitionen durchsetzen. Entscheidend hier- einen optimalen Sauerstoffeintrag zu gewährleisten. für war neben der geringen Größe vor allem der Anschluss der Anlage an ein Trennsystem, wodurch die Investitionen Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme im Oktober 2001 für die Membranstufe gegenüber im Mischsystem arbei- und Aufnahme des Regelbetriebes über einige Betriebs- tenden Anlagen reduziert werden konnten [WALTHER wochen wurde die Anlage aufgrund einer unerlaubten 2001]. Einleitung (Dieselöl) zur Klärung von Schadenersatzansprüchen außer Betrieb genommen. Aussagen zum Der verfahrenstechnische Aufbau gleicht den zuvor Betriebsverhalten über einen langen Zeitraum können beschriebenen Anlagen. Als Besonderheiten sind folgende daher derzeit nicht getroffen werden, da die Anlage erst Punkte zu erwähnen: im April 2002 wieder in Betrieb genommen wurde. 125 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF 2.2.3.7 Pilotanlage Simmerath Der Wasserverband Eifel-Rur (WVER) betreibt Kläranlagen Im Rahmen des Pilotvorhabens wurde auf der Kläranlage in der Eifel, an deren Ablaufqualität aufgrund der Lage in Simmerath eine Membranbelebungsanlage errichtet, in Trinkwassereinzugsgebiete erhöhte Anforderungen ge- der getauchte Kapillarmembranmodule der Firma PURON stellt werden. Niedrige Abwassertemperaturen im Winter im technischen Maßstab unter realen Bedingungen ein- und ein hoher Fremdwasseranteil im Kanalnetz stellen gesetzt und erprobt werden (Abbildung 2-64). Die Mem- zusätzliche Herausforderungen für die Abwasserbehand- branbelebungsanlage ist für 750 E ausgelegt und behan- lung dar. Die Anforderungen aus der Einleiterlaubnis für delt einen Teilstrom aus dem Ablauf der mechanischen die Kläranlage Simmerath sind in Tabelle 2-16 dargestellt. Vorbehandlung (Siebtrommel mit 3 mm Lochweite) der Kläranlage Simmerath. Dieser Teilstrom gelangt ohne Ausgehend von diesen Rahmenbedingungen startete im weitere Vorsiebung in die Membranbelebungsanlage. Jahr 2003 auf der Kläranlage Simmerath, welche vom Diese besteht aus einem Belebungsbecken mit einem WVER betrieben wird und für 15.000 E ausgelegt ist, ein Volumen von 136 m3, das in eine vorgeschaltete Denitri- Pilotvorhaben zum Einsatz des Membranbelebungsver- fikationsstufe und eine anschließende Nitrifikationsstufe fahrens. Das Vorhaben wurde vom Ministerium für geteilt ist, und der nachgeschalteten Membranstufe mit Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbrau- einem Volumen von 20 m3. Der TS-Gehalt im Becken cherschutz (MUNLV) des Landes NRW gefördert. liegt zwischen 10 g/l und 14 g/l. Tab. 2-16 Einleiterlaubnis für die Kläranlage Simmerath [WVER 2004] Parameter Einleiterlaubnis CSB BSB5 NH4-N Nges Pges AOX 40 mg/l 10 mg/l 3 mg/l 18 mg/l 0,8 mg/l 50 µg/l Abb. 2-63 Verfahrensschema der Demonstrationsanlage Simmerath [nach WVER 2004] Feinrechen 3 mm belüfteter Sand-/ FettFang Belebungsbecken Nachklärbecken Vorfluter Zulauf Rücklaufschlamm (RS) Feinsieb 1 mm Membranstufe Denitrifikation Nitrifikation Rezirkulation (RZ) 126 Gebläsestation Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-64 Membrananlage auf der Kläranlage Simmerath [Fotos: PURON AG 2003], links: Denitrifikations- und Nitrifikationsbecken mit der Halle für die Membrananlage, rechts: Membrankassette Die Membranstufe besteht aus zwei Modulkassetten mit 2 stufe wird in den Zulauf der Anlage Simmerath geführt. einer Filterfläche von je 500 m , die in zwei voneinander Während des Untersuchungszeitraums wurden die Mem- getrennten Kammern betrieben werden. Der Schlamm aus branmodule und deren Betrieb kontinuierlich optimiert, der Membranstufe wird in der Regel in den Denitrifikations- so dass sich der Betrieb der Membrananlage deutlich ver- bereich geführt, kann wahlweise aber auch in den Nitrifi- besserte. Die Betriebswerte der Membranbelebungsanlage kationsbereich geführt werden. Das Permeat der Membran- sind in Tabelle 2-17 aufgeführt. Tab. 2-17 Betriebswerte der Membranbelebungsanlage in Simmerath [WVER 2004] Parameter Betriebswerte CSB BSB5 NH4-N Nges Pges AOX < 30 mg/l keine Angaben < 1 mg/l < 8 mg/l < 2 mg/l – µg/l Es wurden Erkenntnisse zum Verschlammungsverhalten lierten O2-Frachten wurde festgestellt und durch eine sowie zur Problematik der Faserstoffe in Membrananla- geänderte Verfahrenskonfiguration verbessert. gen gewonnen. Verschiedene praktizierte Reinigungskonzepte wurden hinsichtlich ihrer Wirkung getestet. Die Zurzeit werden in einem zweiten Untersuchungsab- erzielten Reinigungsergebnisse der Anlage wurden doku- schnitt u. a. weiterentwickelte Membranen und die opti- mentiert und ausgewertet. Eine Beeinflussung der Deni- mierte Einbindung der Membranmodule in die Verfah- trifikation durch die aus der Membrankammer rezirku- renstechnik der Kläranlage untersucht. 127 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.3.8 UF Golfplatz St. Wendel Die Stadt St. Wendel betreibt seit einigen Monaten am Der Bau und der Betrieb der Membranbelebungsanlage Standort des örtlichen Golfplatzes eine neue Kläranlage werden im Rahmen eines vom Umweltministerium des nach dem Membranbelebungsverfahren, die derzeit die Saarlandes geförderten Forschungsvorhabens finanziell Abwässer aus den sanitären Anlagen des Golfplatzes und unterstützt. Eine Neuheit sind die eingebauten kerami- 3 des Restaurants reinigt. Zurzeit fallen etwa 3 m /d an schen Ultrafiltrationsmembranen (Trenngrenze ~0,1 µm) Abwasser an. Im nächsten Jahr wird das zur Golfanlage der Firma ItN Nanovation, die deutschlandweit zum gehörende Hotel fertig gestellt, so dass die Belastung der ersten Mal zur kommunalen Abwasserreinigung einge- Kläranlage dann ca. 150 E und damit der Ausbaukapazität setzt werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wer- 3 entspricht. Pro Tag sollen dann 15 m Abwasser gereinigt den die Leistungsfähigkeit und die Standzeit der kerami- werden. Das in der Kläranlage gereinigte Abwasser wird schen Membranen untersucht. Insbesondere in Bezug auf am Golfplatz versickert. Es besteht auch die Möglichkeit die Standzeit wird ein deutlicher Vorteil der keramischen das gereinigte Abwasser zur Golfplatzbewässerung einzu- Membranen im Vergleich zu Polymermembranen erwartet. setzen. Tab. 2-18 Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [STADT ST. WENDEL 2005] Parameter Einheit Mindestanforderungen CSB mg/l 150 18 BSB5 mg/l 40 <4 Gesamtcoliforme Bakterien KBE/100 ml Betriebswerte < 100 Abb. 2-65 Verfahrensschema der Kläranlage Golfplatz St. Wendel [nach STADT ST. WENDEL] Belebungsstufe Membranstufe Abwasser Pufferbehälter 128 Feinsieb 3 mm Permeatbehälter Versickerung Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Die Kläranlage besteht aus einem 7 m3 fassenden Puffer- Das Betriebs- und Reinigungskonzept der Membrananla- behälter, einer Siebtrommel mit einer Lochweite von 3 mm, ge unter Einsatz von getauchten keramischen Plattenmo- der Belebungsstufe mit einem Volumen von etwa 20 m3 dulen ist mit dem der getauchten Modulsysteme auf und einem anschließenden Permeatspeicher. Das Abwas- Polymerbasis vergleichbar. Durch die „robusteren“ kera- ser gelangt über den Pufferbehälter und die Siebtrommel mischen Membranen sind aber u.a. höhere transmembra- in die Belebungsstufe, in welche die getauchten Membra- ne Druckdifferenzen, höhere Druckniveaus bei der Rück- nen installiert sind. Die Membranen werden über spülung und der Einsatz höher konzentrierter Reinigungs- geschlitzte Rohre von unten belüftet, so dass die einge- chemikalien möglich. blasene Luft sowohl zur Kontrolle der Deckschicht auf den Membranen als auch zur Belüftung der Belebungsstufe Die Investition der Anlage betrug rund 400.000 Euro, genutzt wird. Die Becken sind vollständig durchmischt, von der 75 % durch das Land Saarland getragen wurden. so dass auf eine Schlammrückführung verzichtet werden In den 400.000 Euro sind neben den Kosten für die kann. Der TS-Gehalt in der Belebungsstufe liegt zurzeit eigentliche Membranbelebungsanlage u. a. die Kosten für bedingt durch den geringen Abwasservolumenstrom bei die Peripherie, die Einhausung und eine Klärschlamm- etwa 4 g/l, wobei die Bemessung mit einem TS-Gehalt vererdungsanlage enthalten. von 12 g/l für den Ausbauzustand vorgenommen wurde. Die Membranstufe besteht aus einem Rack mit drei Modulen. Jedes Modul verfügt über eine Membranfläche von 11 m2, sodass insgesamt eine Membranfläche von 33 m2 installiert ist. Bei Erweiterung der Anschlusskapazität werden weitere Module nachgerüstet. Abb. 2-66 Modulrack auf der Kläranlage Golfplatz St. Wendel, links: Draufsicht [Foto: ItN NANOVATION], rechts: Seitenansicht [Foto: ABWASSERWERK ST. WENDEL] 129 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF 2.2.3.9 Kläranlage Glessen (in Planung) Die Kläranlage Glessen (Erftverband) hat derzeit eine An- einhalten zu können, wird die Kläranlage unter Nutzung schlussgröße von ca. 5.000 E. Der Ablauf der Kläranlage bestehender Anlagenteile erweitert. wird in einen Vorfluter eingeleitet, dessen Wasser in das Grundwasser eines Trinkwassereinzuggebietes durch Ver- In diesem Zusammenhang wird auch eine ca. 4 km ent- sickerung eingetragen wird. Die Anforderungen an die Ab- fernte Kläranlage mit einer Druckleitung angeschlossen, laufqualität sind daher höher als die Mindestanforderungen so dass die Ausbaukapazität der Anlage am Standort Glessen für Kläranlagen dieser Größenklasse (siehe Tabelle 2-19). nach der Erweiterung für 9.000 E ausgelegt ist. Bei Trocken- Um weiterhin die Anforderungen an die Ablaufqualität wetter beträgt die Tageswassermenge 2.394 m3/d. Tab. 2-19 Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] Parameter Einheit Mindestanforderungen Einleiterlaubnis für KA der GK 3 CSB mg/l 90 30 BSB5 mg/l 20 6 NH4-N mg/l 10 1,5 Pges mg/l – 0,6 Abb. 2-67 Verfahrensschema der Kläranlage Glessen [nach ERFTVERBAND 2004] Rezirkulation (RZ) Membranstufe/ Nitrifikation Gebläsestation Siebanlage 0,5 mm Zulauf Feinrechen 5-6 mm Denitrifikationsbecken Sandfang Siebanlage 0,5 mm 130 Vorfluter Nitrifikationsbecken Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Die Kläranlage Glessen befindet sich zurzeit in der Pla- Die Planung basiert auf dem Einsatz der Membranen der nung. Das Planungskonzept (Abbildung 2-67) sieht die Firma ZENON in vier Becken mit jeweils sieben Modulen mechanische Vorbehandlung über einen einstraßigen des Typs 500 c und einer Gesamtmembranfläche von Rechen mit einer Spaltweite von 6 mm vor. Der Sandfang 12.320 m2. Die Planung sieht eine Filtration bei einem mit einem Volumen von 53 m3 ist einstraßig geplant. TS-Gehalt von 12 g/l vor. Die Auslegung der Membran- Daran schließt sich die zweistraßige Feinsiebstation mit anlage erfolgte unter Zugrundelegung einer spezifischen einer Lochweite von 0,5 mm an. Die Membranbelebungs- Filtrationsleistung von 22 l/(m2 · h), die kurzfristig bei anlage wird mit simultaner Denitrifikation und aerober Außerbetriebnahme einer Membranstraße auf etwa Schlammstabilisierung betrieben. Das Umlaufbecken zur 30 l/(m2 · h) gesteigert werden muss. Das alte Nachklär- Denitrifikation und Nitrifikation hat ein Volumen von becken mit einem Volumen von 560 m3 wird als Puffer- 1.680 m3. becken genutzt. UF 2.2.4 Anlagen außerhalb Deutschlands mit Ultrafiltrationsmembranen Die bis zum Jahr 2004 größte Membranbelebungsanlage anlage) in Betrieb ging (Abbildung 2-68). Hierbei als auch der Welt und eine der modernsten Anlagen Englands ist auf der Kläranlage Campbeltown (6.000 E - 9.000 E) kommt die Kläranlage Lowestoft, die Anfang 2002 mit einer Kapa- das ZenoGem®-System zum Einsatz zität von 46.000 E (nur für den Teil Membranbelebungs- Abb. 2-68 Luftbild und Fließbild der Kläranlage Lowestoft [ZENON 2002] Vakuumpumpen ZeeWeed® Membranbioreaktor 1 Zulauf Zum Einleitbauwerk Einleitbauwerk Verteiler Lamellen- Verteiler Klärer ZeeWeed® Rückspülpumpen Membranbioreaktor 2 Permeatspeicher 131 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.4.1 UF Pilotanlagen auf der Kläranlage Beverwijk, Niederlande Auf der Kläranlage Beverwijk mit einer Kapazität von ta, X-Flow, Mitsubishi, Memfis, Toray und Huber) auf 450.000 E wurde in den Jahren 2000 bis 2004 das in den ihre Leistungsfähigkeit und Praxistauglichkeit untersucht. Niederlanden maßgebliche Forschungsvorhaben zum Die Untersuchungen wurden auf einem eigens dafür Membranbelebungsverfahren von dem Ingenieurbüro errichteten Testfeld an jeweils separaten Membranbele- DHV und der Stichting Toegepast Onderzoek Waterbe- bungsanlagen durchgeführt. Die Übersicht in Tabelle heer (Stowa) durchgeführt. Während dieser vier Jahre 2-20 gibt die wesentlichen Eckdaten zu den einzelnen wurden unterschiedliche Modulsysteme (ZENON, Kubo- Versuchsanlagen wieder. Tab. 2-20 Eckdaten zu den verschiedenen Pilotanlagen [DHV 2004] Hersteller Membrantyp Huber Untersuchungs- Porenweite [µm] Membranfläche [m2] Platte 0,038 360 15 10/03 – 07/04 Kubota Platte 0,4 240 10 05/00 – 07/02 Memfis Platte 0,05 112 5 05/02 – 06/03 Mitsubishi Hohlfaser 0,4 314 7 05/00 – 03/02 Toray Platte 0,08 137 5 02/03 – 02/04 X-Flow Tubular 0,03 220 9 05/00 – 04/02 ZENON Hohlfaser 0,035 184 8 03/00 – 10/02 0,035 55 3 03/01 – 03/03 0,035 90 5 11/02 – 08/03 Permeatfluss [m3/h] zeitraum (Modul ZW 500a) ZENON Hohlfaser (Modul ZW 500c) ZENON Hohlfaser (Modul ZW 500d) In Abbildung 2-69 sind die einzelnen Pilotanlagen zusammengestellt. Über die Ergebnisse des Untersuchungsvorhabens wurde bereits mehrfach berichtet [z. B. VAN DER ROEST ET AL. 2002]. Auf Basis der Ergebnisse in Beverwijk wurde die großtechnische Anlage in Varsseveld konzipiert und gebaut. 132 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-69 Fotos der Pilotanlagen und Membranmodule auf dem Testfeld der Kläranlage Beverwijk [DHV 2004] Von links nach rechts: Kubota, Kubota, Mitsubishi, Mitsubishi Von links nach rechts: X-Flow, X-Flow, Zenon, Zenon Von links nach rechts: Memfis, Memfis, Toray, Toray Von links nach rechts: Huber, Huber 133 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF 2.2.4.2 Kläranlage Varsseveld, Niederlande Am Standort der Kläranlage Varsseveld wird die erste ist die hydraulische Belastung bei Regenwetter um den großtechnische Membranbelebungsanlage in den Nieder- Faktor drei höher als die durchschnittlich zulaufende landen umgesetzt und Anfang 2005 in Betrieb gehen. Im Abwassermenge. Die durchschnittliche tägliche Abwasser- Rahmen eines Forschungsvorhabens wird seit April 2004 menge wurde mit 5.000 m3/d ermittelt. Die Aufsichtsbe- eine Pilotanlage am Standort der Kläranlage Varsseveld hörden fordert für Stickstoff die Einhaltung von Ablauf- für einen Permeatvolumenstrom von 3,5 m3/h betrieben konzentrationen < 5 mg/l und für Phosphor < 0,15 mg/l. und daran Verfahrensoptimierungen für die großtechnische Anlage intensiv untersucht. Parallel dazu wird die Die Membrananlage wurde vierstraßig ausgelegt (Abbil- großtechnische Anlage gebaut. Das Vorhaben wird von dung 2-70) und weist eine Membranfläche von insgesamt dem Wasserverband Rijn en IJssel, der Stowa, der DHV 20.160 m2 in den Modulen der Firma ZENON (Modultyp: und weiteren Institutionen durchgeführt und betreut. ZW 500d) auf. Der bei Regenwetter kalkulierte spezifische Die Finanzierung des Forschungsvorhabens erfolgt über Fluss beträgt 37,5 l/m2h Permeat. Die Membrananlage ist die Stowa und das EU-Life-Programm. (Siehe dazu auch bei Bedarf durch weitere Module erweiterbar. Die Investi- die Fördermöglichkeiten der EU im Anhang). tion für die Kläranlage Varsseveld ist mit 10 Mio. Euro kalkuliert. Die Anschlussgröße der Kläranlage Varsseveld beträgt 23.150 E und der maximale Abwasservolumenstrom 755 m3/h. Wie für niederländische Kläranlagen typisch, Abb. 2-70 Verfahrensschema der Kläranlage Varsseveld [nach DHV 2004] Umlaufbecken mit Belüftungszonen und vorgeschalteter Denitrifikation Membranstufe Zulauf Ablauf Feinrechen 6 mm Sandfang Feinsieb 0,8 mm Rezirkulation (RZ) 134 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF 2.2.4.3 Kläranlage Brescia, Italien Die Kläranlage Brescia ist ein Beispiel dafür, dass das zusätzliche Beckenvolumina für die Einrichtung einer Membranbelebungsverfahren vorteilhaft sein kann, wenn Denitrifikationszone erfordert, was die gegebenen Platz- eine Erweiterung der Kläranlage notwendig, die Platzver- verhältnisse nicht zuließen. Für den Ausbau nach dem hältnisse jedoch begrenzt sind. Membranbelebungsverfahren war lediglich der Umbau einer Behandlungsstraße notwendig (Abbildung 2-71). Seit 1980 bestand die Kläranlage Brescia als dreistraßige Belebungsanlage, wobei jede Straße aus einem Vorklär- Das Nachklärbecken einer Behandlungsstraße wurde durch becken, einem Belebungsbecken, einem Nachklärbecken eine vierstraßige Membranstufe ersetzt. Diese enthält und einer anschließenden Dosierstation für Chlor bestand. 160 Membrankassetten des Typs 500 c (Kapillarmembra- Aufgrund der gestiegenen Anforderungen an den Ablauf- nen) der Firma ZENON mit einer gesamten Membran- wert für Nges <15 mg/l musste die Kläranlage im Jahr 2000 fläche von 70.400 m2. Die Membranbelebungsanlage erweitert werden. Ein konventioneller Ausbau hätte große behandelt damit 50 % des Abwasservolumenstroms Abb. 2-71 Verfahrensschema der Kläranlage Brescia [nach ZENON GMBH 2004] Denitrifikationsbecken Zulauf Feinrechen 3 mm Sandfang Vorklärbecken Nitrifikation Nachklärbecken Rezirkulation (RZ) Rücklaufschlamm (RS) Denitrifikationsbecken Nitrifikation Nachklärbecken Ablauf Rezirkulation (RZ) Rücklaufschlamm (RS) Membranstufe Vorfluter Zulauf Feinrechen 3 mm Sandfang Vorklärbecken Denitrifikationsbecken Nitrifikation Rezirkulation (RZ) Bestand Erweiterung 135 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-72 Luftaufnahme der Kläranlage Brescia [Foto: ZENON GMBH 2004] (ca. 40.000 m3/d) der Kläranlage Brescia. Die verbleiben- Durch den im Jahr 2002 abgeschlossenen Umbau konn- den 50 % werden in den beiden konventionellen Bele- ten die Ablaufwerte der Kläranlage deutlich verbessert bungsstraßen behandelt. Insgesamt hat die Kläranlage werden. Tabelle 2-21 zeigt die Rohabwasserkonzentration Brescia heute damit eine Behandlungskapazität von rund für einige Parameter, die erreichten Betriebswerte der 150.000 E. Abbildung 2-72 zeigt die Luftaufnahme der Kläranlage und die Anforderungen an die Ablaufqualität. Kläranlage Brescia. Tab. 2-21 Rohabwasserkonzentration, Betriebswerte und Anforderungen an die Ablaufqualität der Kläranlage Brescia [ZENON GMBH 2004] Parameter Einheit Rohabwasserkonzentration Betriebswerte der Kläranlage Anforderungen an die Ablaufqualität CSB mg/l 505 20 < 125 BSB5 mg/l 255 10 < 25 TS mg/l 290 n. n. 2 TKN mg/l 50 2 < 15 (Nges) Trübstoffe mg/l >50 < 10 k. A. n. n. = nicht nachweisbar; k. A. = keine Angaben 136 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.2.4.4 UF Kläranlage Säntis, Schweiz Auf dem Gipfel des Säntis befindet sich eine Bergstation Infolge der kompakten Bauweise durch den Einsatz der mit Gastronomiebetrieb und Telekommunikationszen- Membrantechnik konnte die Anlage auf engstem Raum trum. Um die dort anfallenden Abwässer zu reinigen und in das bestehende Gebäude integriert werden. Sie zeich- eine Aufbereitung von Abwasser zu Brauchwasser durch- net sich zudem durch hohe Reinigungsleistungen zuführen, wurde die bestehende Kleinkläranlage durch (Ablaufwerte: CSB < 30 mg/l, NH4-N < 2 mg/l) bei extre- Membrantechnik nach dem ZenoGem®-Verfahren im men Temperaturen sowie einer hohen Zulaufdynamik Jahre 2000 erweitert. Die Anlage wird von der Swisscom infolge sprunghafter Belastungsänderungen bei täglich und der Säntis-Schwebebahn AG betrieben. bis zu 8.000 Besuchern aus. Abb. 2-73 Ansicht und Fließbild der Membranbelebungsanlage nach dem ZenoGem®-Verfahren auf dem Säntis [ZENON 2002] Lage der Membranbelebungsanlage auf dem Säntis und Ansicht der Module [ZENON 2002] Küchenabwasser Fettabscheider Sonstiger Zulauf Nitrifikation mit ZeeWeed® Siebschnecke Denitrifikation Bahntransport Schlammspeicher Absackung Pufferbehälter Ablauf Permeatbehälter Desinfektion 137 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung MF 2.3 2.3.1 Kleinkläranlagen, mobile Anlagen und Schiffs- Busse-MF-Anlage der Fa. Busse kläranlagen mit Membrantechnik Die erste Klein- bzw. Hauskläranlage die nach dem MemKlein- bzw. Hauskläranlagen kommen in Deutschland als branbelebungsverfahren konzipiert ist und über die allge- dauerhafte Lösung nach den Vorgaben der jeweiligen meine bauaufsichtliche Zulassung durch das Deutsche Landeswassergesetze zum Einsatz. In NRW ist § 53 Abs. 4 Institut für Bautechnik (DIBt) [Z-55.3-60] verfügt, wird LWG maßgeblich, wonach eine grundstücksbezogene von der Busse Innovative Systeme GmbH hergestellt und Abwasserbeseitigung nur für Grundstücke außerhalb im vertrieben. Zusammenhang bebauter Ortsteile möglich ist. Seit Produktionsbeginn im Herbst 1999 kamen inzwischen Nach einer Abschätzung [OTTO 2000] verbleiben bis zum über 250 Anlagen (Stand: 2005) nach diesem patentierten Jahr 2006 bis zu 4 Millionen Bundesbürger, welche nicht Verfahren in Größen von 2 bis 50 angeschlossenen Ein- an eine zentrale Abwasserentsorgung angeschlossen sind wohnern für die Abwasserreinigung in Ein- bzw. Mehr- und daher selbst für die Entsorgung ihres Abwassers sor- familienhäusern sowie Bürogebäuden, Gaststätten und gen müssen. In Nordrhein-Westfalen sind derzeit etwa Hotels in Deutschland und weiteren zehn Ländern zum 580.000 Einwohner nicht an zentrale Kanalisations- und Einsatz [BUSSE 2005]. Durch den Einsatz der Membranen Kläranlagen angeschlossen, deren entstehendes Abwasser ist das Busse-MF-System sehr kompakt, wie Abbildung in ca. 130.000 Kleinkläranlagen und abflusslosen Gruben 2-74 exemplarisch für das Anwendungsbeispiel einer im gereinigt wird [MUNLV 2005]. Keller eines Wohnhauses installierten Busse-MF-Anlage zeigt. Im Zuge der technischen Entwicklung findet auch im Bereich der Kleinklärtechnik die Membranfiltration zu- Wie in Abbildung 2-75 anhand des Verfahrensschemas nehmend Akzeptanz. dargestellt, besteht das System aus zwei Behältern. Der erste Behälter (Vorklärung) wird direkt an das Fallrohr zur Mit der Membrantechnik kann auch für kleine Abwasser- Abwasserableitung angeschlossen und erfüllt die Funk- reinigungsanlagen eine hohe und betriebsstabile Reinigungsleistung erzielt werden (Tabelle 2-22). Für den Betreiber eröffnet sich hierbei neben der Versickerung des Abb. 2-74 gereinigten Abwassers auch die Möglichkeit der Wieder- Ansicht der Busse-MF-Kleinkläranlage verwendung als Brauchwasser, z. B. für die Toilettenspü- (vormals Bio-MIR ® [BUSSE 2002]) lung oder zur Gartenbewässerung. Neben den ökologischen Aspekten können daher auch zu erwartende Kosteneinsparungen durch einen geringeren Trinkwasserverbrauch für Brauchwasseranwendungen entscheidungsweisend für dieses Verfahrenskonzept sein. Verschiedene Anlagenbauer bieten inzwischen entsprechende Systeme an bzw. arbeiten an deren Entwicklung. Die einwohnerbezogenen Investitionen liegen zurzeit, je nach Anlagengröße, zwischen 1.000 und 1.500 Euro pro Einwohner, zusätzlich sind für Betrieb und Wartung weitere Kosten von 60 bis 110 Euro pro Einwohner und Jahr anzusetzen. Im Folgenden werden kurz die ausgereiftesten Anlagensysteme dargestellt, die bereits über zahlreiche Referenzen verfügen. 138 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-75 Schematische Darstellung einer Busse-MF-Anlage [BUSSE 2002] Abwasser aus Bad, Küche, Toilette Entlüftung über vorhandenes Fallrohr Verdichter Permeat Mammutpumpe mit Grobstoffabscheider Abwasser- und Schlammzwischenspeicher Belebungsstufe mit Filtrationseinheit tion der Grobstoffabscheidung sowie der Abwasser- und schalteter Abwasserspeicher und Grobstoffabscheider ge- Schlammzwischenspeicherung. Aus der mittleren Behäl- nutzt werden. In diesem Fall ist nur die nachgeschaltete terzone wird die flüssige Phase über eine mit einem Kunst- Belebungsstufe mit Membranfiltration nachzurüsten. stoffnetz geschützte Mammutpumpe in den zweiten Behälter (Belebungsbecken) geführt. Dort finden die biolo- Die Reinigungsleistung erfüllt die Anforderungen ge- gische Abwasserreinigung nach dem Belebungsverfahren mäß der Zulassungsgrundsätze für Kleinkläranlagen des sowie die Phasenseparation durch getauchte Plattenmo- DIBt [N.N. 2002d], wie in der Zertifizierung und weiteren dule der Firma Kubota statt. Die notwendige transmem- unabhängigen Untersuchungen nachgewiesen wurde brane Druckdifferenz für den Permeatabzug wird durch [ROSENWINKEL ET AL. 2001; KRAUME ET AL. 2000]. den hydrostatischen Druck der Wassersäule zwischen Eine Gegenüberstellung der Grenzwerte nach DIBt [N.N. Permeatauslass und Füllstand des Belebungsbeckens auf- 2002d] und der Mittelwerte von monatlich entnomme- gebracht. Hierdurch kann auf eine Saugpumpe für den nen qualifizierten Stichproben und 24-h-Mischproben Permeatabzug im System verzichtet werden. aus einem Versuchszeitraum von einem Jahr [ROSENWINKEL ET AL. 2001] zeigt Tabelle 2-22. Demnach wer- Übliche Aufstellorte für die Anlage sind Keller oder den die Anforderungen an die Behandlung z. T. weit Garage, ggf. kann auch eine bestehende Grube als vorge- unterschritten. Tab. 2-22 Anforderungen an die Ablaufgüte von Kleinkläranlagen und ermittelte Ablaufwerte der Busse-MF-Anlage Parameter Einheit Mindestanforderungen Grenzwerte nach DIBt 2000 Ablaufwerte für Anlagen mit Nitrifikation Busse-MF-Anlage [N. N. 2002d] [ROSENWINKEL ET AL. 2001] CSB mg/l 150 90 39 BSB5 mg/l 40 20 2,4 * NH4-N mg/l – 10 (bei > 12 °C) 4,5 AFS mg/l – 50 0,65 * * Erhöhte Ablaufwerte sind bedingt durch Algenwachstum im Filtratsammelbehälter. 139 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung MF 2.3.2 2.3.2 UltraSept-Anlage der Fa. Mall Ein weiteres System ist die UltraSept-Anlage, die von der Für den Einbau der Anlage wird üblicherweise eine Grube Fa. Mall GmbH angeboten wird (Abbildung 2-76). Es wer- ausgehoben, in welche die Kompaktanlage vollständig den inzwischen 50 dieser Anlagen mit 6 bis 40 angeschlos- versenkt wird. Für den Fall, dass bereits eine Mehrkam- senen Einwohnern in Deutschland betrieben. mergrube vorhanden ist, besteht neben einer Neuinstallation die kostengünstigere Möglichkeit, den vorhandenen Die Anlage besteht aus drei Kammern, die nach dem Behälter mit einem Nachrüstsatz mit Membrantechnik Prinzip einer Dreikammergrube angeordnet sind. Die auszustatten und hierdurch die Ablaufqualität der Anlage ersten zwei Beckenkompartimente werden zur Vorreini- zu verbessern. gung des zufließenden Abwassers nach dem Prinzip einer Mehrkammerabsetzgrube betrieben. In der dritten, größten Kammer befinden sich die Belebungsstufe sowie die Filtrationseinheit für den Abzug des gereinigten Abwassers. Als Membranmodul kommt ein Modul der Firma Weise zum Einsatz. Abb. 2-76 Schema der UltraSept-Anlage der Fa. Mall [MALL 2002] Zulauf Anschluss für Ablauf, Zuluft, Steuerleitung Mechanische Stufe Gummidichtung (Elastomerdichtung) Biologische Stufe Notüberlauf Schwimmerschalter Unterdruckleitung Zuluftleitung Membranmodul (physikalische Stufe) Mall UltraSept Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung beantragt 140 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung MF 2.3.3 Kleinkläranlage für 4 EW in NRW Im Rahmen eines Pilotprojekts zur dezentralen Abwasser- Ein kleiner Tank mit einem Volumen von 0,6 m3 wird einigung und Brauchwasseraufbereitung mit Membran- zur Deckung des Brauchwasserbedarfs im Haus genutzt. technik wird in der nördlichen Eifel, NRW, eine Klein- Er ist unterirdisch, lichtabgeschlossen installiert, um kläranlage nach dem UltraSept-Verfahren betrieben. Die einer Wiederverkeimung des Wassers während der Lage- Anlage ist auf dem Hof einer vierköpfigen Familie instal- rung vorzubeugen. Die Anschlüsse an das häusliche liert, die im Nebenerwerb eine Rinderzucht betreibt. Leitungssystem sind nach den technischen Regeln der Regenwassernutzung ausgeführt. Die Membranbelebungsanlage verfügt über eine Nennleistung von 900 l/d und wird mit einem tatsächlichen Brauchwasser, das nicht unmittelbar im Haus benötigt Abwasseranfall von 600 l/d beaufschlagt. Zusätzlich zur wird, gelangt in einen Langzeitspeicher, der im Fall des Abwasserreinigungsanlage sind zwei Speichertanks zur Pilotprojekts als Folienteich mit einem Fassungsvermö- weiteren Nutzung des gereinigten Abwassers installiert gen von 36 m3 ausgeführt ist. Das dort gespeicherte Was- worden, die Differenzen zwischen Brauchwasseranfall ser wird als Brauchwasser zur Reinigung der Ställe und und -bedarf puffern. des Hofplatzes sowie zur Gartenbewässerung genutzt [KLEMENS 2002]. UF 2.3.4 Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW), Brauchwasseraufbereitung Bei der Kreditanstalt für Wiederaufbau in Frankfurt (KfW) Das Abwasser aus den Küchen wird zunächst in einem wird eine Kombination aus einer Festbettbelebungsstufe Fettabscheider vorbehandelt, und die Duschabwässer und einer Membranstufe zur Aufbereitung von Grauwas- werden mechanisch über eine Siebanlage von Haaren etc. ser zu Brauchwasser eingesetzt. Das Grauwasser setzt sich befreit (Abbildung 2-77). Beide vorgereinigten Abwasser- aus dem Duschabwasser der Mitarbeiterwohnungen und ströme werden in eine Belebungsstufe geführt. dem Abwasser aus den Teeküchen und der Vorstandsküche zusammen. Abb. 2-77 Grauwasseraufbereitung bei der KfW Ultrafiltration Duschabwasser Sieb Festbettbelebung Sieb Vorlage Toiletten Vorlage Brauchwasser Küchenabwasser 141 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Die biologische Stufe ist als Festbettbelebung mit speziel- Abb. 2-78 len Aufwuchskörpern ausgeführt, die von ACO Passavant Membrananlage zur Brauchwasseraufbereitung im entwickelt wurden. Im Anschluss an die Belebungsstufe Keller der KfW [WEISE WATER SYSTEMS GMBH] wird das Abwasser in eine Vorlage und von dort über eine Ultrafiltrationsanlage, eine MicroClear-Anlage der Firma Weise Water Systems GmbH, filtriert (Abbildung 2-78). Die Anlage ist mit getauchten Plattenmodulen ausgestattet, über deren gesamte Membranfläche von 44 m2 durchschnittlich 500 l/h Permeat erzeugt wird. Da der TSGehalt lediglich aus dem Schlammabtrieb der Aufwuchskörper resultiert und daher im Vergleich zu anderen Membranbioreaktoren mit suspendierter Biomasse relativ gering ist, haben die Plattenmembranmodule kleine Plattenabständen von 2,5 mm. Das aufbereitete Wasser wird in eine Vorlage geleitet. Als Brauchwasser wird es u. a. für die Toilettenspülung im Verwaltungsgebäude und den Wohnungen der Mitarbeiter verwendet. UF 2.3.5 zur Versorgung der Biologie. Der Einbausatz besteht je MembraneClearBox®-Kleinkläranlage und Honey- nach Größe der Anlage aus einer unterschiedlichen ® Anzahl von Plattenmodulen, den so genannten VUM- Comb der Hans Huber AG Modulen (VacuumUpstreamMembrane), die mit UltrafilDie Hans Huber AG bietet vor allem für die dezentrale trationsmembranen ausgestattet sind. Das Klarwasser Abwasserentsorgung im ländlichen Raum die Kleinklär® wird über eine Unterdruckpumpe abgezogen und kann ® anlage MembraneClearBox (MCB) und das HoneyComb - entweder als Brauchwasser wieder verwendet oder abge- System an. Beide Systeme können als Nachrüstsatz in leitet bzw. versickert werden. Die zugehörige Aggregate- vorhandene Mehrkammerausfaulgruben bzw. neu zu und Steuerungseinheit (Abbildung 2-80) kann entweder erstellende Gruben eingebaut werden (Abbildung 2-79). in einem beheizten Schaltschrank nahe der Grube oder Das Verfahren besteht aus den drei Schritten Vorklärung, im Keller des angrenzenden Wohnhauses installiert wer- Belebung und Membranfiltration mit getauchten Ultrafil- den. Die MCB-Kleinkläranlagen sind mit einer Fernüber- ® trationsmodulen, wobei die MembraneClearBox (MCB) wachung ausgestattet, die bei Eintreten einer Störung für bis zu 8 Einwohner und das HoneyComb®-System für eine Benachrichtigung über SMS, E-Mail oder Fax sendet. 9 bis 150 Einwohner eingesetzt werden können. Der Betrieb der realisierten Kleinkläranlagen zeigt nach Die erste Kammer der Dreikammergrube dient der Vorklä- Angaben des Anbieters, dass der CSB-Wert um mehr als rung und die zweite als Vorklärung bzw. Pufferbehälter, 95 % und der Ammoniumstickstoff um ca. 98 % reduziert bevor das Abwasser im freien Überlauf in die dritte Kam- werden kann. Der Energieverbrauch für eine 4 E-Anlage mer fließt, die als Belebungsbecken ausgeführt ist. Darin beträgt ca. 2 kWh/d. Die Überschussschlammproduktion eingehängt sind der jeweilige Einbausatz und ein Belüfter ist in einigen Anlagen deutlich zurückgegangen, in einer 142 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-79 Einbauskizze einer Membrankleinkläranlage in eine Mehrkammergrube [HUBER AG 2004] 1. Absetzbecken mit Grobentschlammung 1. Absetzbecken mit Grobentschlammung 2. Absetzbecken mit Überlauf Zulauf 2. Absetzbecken mit Überlauf Notüberlauf Belüftung 3. Belebungsbecken Permeatabzug Zulauf Membranfiltration Belüftung 3. Belebungsbecken Anlage z. B. von anfänglich ca. 0,09 kgTS/(m3 · d) bei län3 gerem Betrieb auf nur noch 0,015 kgTS/(m · d). Eine Ent- Membranfiltration nahme von Überschussschlamm war auch nach mehr als einem Jahr Betrieb nicht notwendig. Abb. 2-80 MembraneClearBox®-Kleinkläranlage der Huber AG [Fotos: HUBER AG 2004], links: Aggregate- und Steuerungseinheit, rechts: MCB-Nachrüstsatz, bestehend aus Plattenmodul und Belüfter 143 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.3.6 MF Mobile Anlagen für den Einsatz in Feldlagern Einsätze der Bundeswehr finden an wechselnden Orten Abwasser-Anlagentechnik GmbH, Gelsenkirchen, damit im Inland und im Ausland zeitlich begrenzt statt und beauftragt, eine mobile Abwasserbehandlungsanlage in können oft nicht langfristig geplant werden. Meist kann einem 20 Zoll-Container zu entwerfen und zu bauen nicht auf vorhandene Infrastrukturen zurückgegriffen (Abbildung 2-81). Die Anlage kann das Abwasser von 300 werden, so dass Ver- und Entsorgungsstrukturen sowohl Soldaten bei Umgebungstemperaturen von -32 °C bis mobil, einfach bedienbar und international einsetzbar als +49 °C so weit reinigen, dass dieses anschließend vor Ort auch den gesetzlichen Vorgaben und den Bedürfnissen eingeleitet oder versickert werden kann. Durch die Con- der eingesetzten Truppen gerecht werden müssen. tainerbauweise ist die Anlage jederzeit weltweit einsetzbar und mit nahezu jedem Verkehrsmittel zu transportieren Aufgrund dieser Anforderungen hat das Bundesamt für (Abbildung 2-81). Wehrtechnik und Beschaffung, Koblenz, die A3-Abfall- Abb. 2-81 Transport der Containeranlage auf einem Einsatzfahrzeug und Schema der Containeranlage [A3 GMBH 2004] Das zu behandelnde Abwasser wird mittels einer Pump- dessen Boden sechs getauchte Plattenmembranmodule station über eine Zerkleinerungseinheit dem Container der Firma A3 GmbH mit einer Membranfläche von ins- zugeführt. Die außenseitige Zuführung erfolgt über auto- gesamt 120 m2 installiert sind. Das Filtrat wird über eine matisch beheizte und isolierte Schlauchleitungen, um frequenzgesteuerte Saugpumpe abgezogen und zur Ein- den Einsatz in kalten Gebieten gewährleisten zu können. leitstelle gepumpt. Eine Anlage dieser Bauart ist seit Der Container enthält einen Membranbioreaktor, auf Anfang 2004 in Betrieb. 144 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.3.7 MF Schiffskläranlagen mit Membrantechnik der ersten belüfteten Belebungskammer zu und gelangt nach einer Reaktionszeit, die sich aus der anlagenspezifischen Hydraulik ergibt, als Schlamm-Wasser-Gemisch in Die Abwassereinleitung von zivil und militärisch genutz- die zweite Belebungskammer. Hier erfolgt eine erneute ten Schiffen ist durch nationales und internationales Belüftung, um einen weitergehenden Abbau der organi- Recht geregelt. Die Regelinstanz für die internationale schen Wasserinhaltsstoffe zu gewährleisten. Anschließend Gesetzgebung ist die IMO (International Maritime Orga- wird das Abwasser dem Nachklärbehälter und danach der nisation). In Anlage IV des IMO-Regelwerkes (MARPOL Desinfektionszelle zugeführt. 73/78) ist die Einleitung von Schiffsabwasser geregelt. Mit Ausnahme von Abwässern, die durch eine behördlich zu- Die beschriebene installierte Anlagentechnik weist an Bord gelassene Anlage behandelt und desinfiziert werden, ist von Schiffen einige Schwachpunkte auf, da sie lediglich die Einleitung der definierten Abwässer verboten. Die aus der kommunalen Abwasserreinigung übernommen Anlage IV ist im September 2003 in Kraft getreten, nach- und die spezifischen Rahmenbedingungen auf Schiffen dem die dazu notwendigen Bedingungen (Überführung oftmals außer Acht gelassen wurden. Besondere verfah- in nationales Recht durch ausreichend viele Staaten) im renstechnische Probleme bestehen im Bereich der Nach- Jahr 2002 erfüllt wurden. klärung, weil durch die Schiffsbewegungen und die ständigen niederfrequenten Vibrationen durch Schiffsmotoren Für Binnenschiffe ist eine Regelung zum Einleiten von die Sedimentation erheblich gestört und so Schlamm über Abwasser mit Artikel 9.01 des Übereinkommens über die die Nachklärung nach See ausgetragen wird. Hinsichtlich Sammlung, Abgabe und Annahme von Abfällen in der der Gewässerbelastung ist auch das Entstehen organischer Rhein- und Binnenschifffahrt der Zentralkommission für Halogenverbindungen bei der Entkeimung des Ablauf- die Rheinschifffahrt (ZKR 2000) vorgesehen. Danach ist wassers über Chlorbleichlauge kritisch zu werten. die Einleitung von häuslichem Abwasser für Kabinenschiffe mit mehr als 50 Schlafplätzen ab dem 01.01.2005 Da umbauter Raum an Bord eines Schiffes extrem teuer und für Fahrgastschiffe, die zur Beförderung von mehr als ist, sollten alle einzubauenden Systeme – so auch die 50 Fahrgästen zugelassen sind, ab dem 01.01.2010 verbo- Schiffskläranlagen – möglichst klein ausgeführt werden. ten. Die Vertragsstaaten verpflichten sich daher, bis zu den genannten Zeitpunkten geeignete Annahmestellen In einigen Vorhaben konnte der Einsatz von Anlagen mit einzurichten. Das Verbot der Einleitung gilt nicht für Mikrofiltrationsmembranen zur Abwasserreinigung bereits Fahrgastschiffe, die über eine zugelassene Bordkläranlage erfolgreich getestet und eingesetzt werden [BRÜß, RICH- verfügen. Das Übereinkommen ist bisher (Stand August TER 2001]. Ein Beispiel einer solchen Anlage zeigt Abbil- 2005) noch nicht in Kraft getreten, da es noch nicht von dung 2-82. Der Vorteil von Kläranlagen mit Membran- jedem Mitgliedsstaat ratifiziert wurde. technik besteht darin, die Belebungsstufe mit einem Trockensubstanzgehalt TS BB von bis zu 20 g/l betreiben zu Nach bisheriger Praxis werden Grauwasser (Abwasser aus können, so dass der Belebungstank im Vergleich zu einer Duschen, Handwaschbecken und Bodeneinläufen) sowie konventionellen Anlage bis auf ein Viertel des Volumens Küchenabwässer meist ohne biologische Vorbehandlung reduziert werden kann. Durch Anordnung einer Mikro- direkt in die Desinfektionszelle der Abwasserreinigungs- filtrationsanlage im biologischen Reaktor ist keine Nach- anlage gegeben, für die biologische Reinigung von Schwarz- klärzone mehr vorzusehen. Die Abtrennung des Belebt- wasser (Toilettenabwasser) auf Seeschiffen kommen der- schlamms wird durch die Membranen – unabhängig von zeit als Vorstufen vor der Desinfektion Belebungsanlagen den Sedimentationseigenschaften des Schlamm-Wasser- – häufig in Kaskadenausführung – zum Einsatz. Gemisches – gewährleistet. Es wird außerdem eine deutlich bessere Qualität des gereinigten Abwassers erzielt, Die Beschickung der konventionellen Reinigungsanlagen und durch den Keimrückhalt kann die auf Schiffen übli- mit Abwasser erfolgt in der Regel schwallweise, abhängig che Chlorung zur Desinfektion des Abwassers entfallen. vom Zeitpunkt des Abwasseranfalls. Das Abwasser fließt 145 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF Abb. 2-82 2.3.8 Ansicht einer MEMROD® 1) Schiffskläranlage nach Kreuzfahrtschiff Queen Mary 2 dem Membranbelebungsverfahren für 250 Personen [VA TECH WABAG 2002] Die Queen Mary 2 ist mit einer Länge von 325 m und einer möglichen Passagierzahl von 2.620 Personen sowie einer Besatzungsstärke von 1.250 Personen eines der größten Passagierkreuzfahrtschiffe der Welt (Abbildung 2-84). Im Laderaum der Queen Mary 2 werden die anfallenden Grau- und Schwarzwässer in einer Membranbioreaktoranlage nach dem Stand der Technik gereinigt. Wesentliche Entscheidungskriterien für diese Anlage waren die kompakte Bauform, die hohe Reinigungsleistung und die Möglichkeit, das gereinigte Abwasser wieder zu verwenden bzw. einzuleiten. So kann das Schiff auch in geschützten Gewässern fahren. Der täglich in der Abwasserbehandlungsanlage zu reinigende Abwasserstrom beträgt rund 1.100 m3. Das Abwasser wird in einem Hydrozyklon und einem Feinrechen mit einer Spaltweite von 1 mm mechanisch vorgereinigt und gelangt anschließend in die Belebungsstufe, die aus zwei Becken (je 150 m3 Volumen) und einer extern aufgestellten Ultrafiltrationsanlage besteht (Abbildung 2-85). Die fest-flüssig Separation erfolgt in der Ultrafiltrationsanlage, die im Cross-Flow-Verfahren betrieben wird und zwei Module (Pleiade®) der Firma Rhodia Eine an die schiffsbaulichen und betrieblichen Rahmenbedingungen angepasste Abwasserreinigung mit Mem- Abb. 2-83 brantechnik für Fahrgastbinnenschiffe wird derzeit im Ultrafiltrationsmodul Pleiade® zur Abwasserreini- Rahmen von Projekten untersucht, die vom Ministerium gung auf der Queen Mary 2 [Foto: ORELIS SA 2004] für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MUNLV NRW) gefördert werden. Nach erfolgreichen Untersuchungen mit Testanlagen im Pilotmaßstab (Jahre 2002–2004) wird im Zeitraum 2005/2006 der Betrieb einer großtechnischen Membranbelebungsanlage an Bord des Eventschiffes RheinEnergie der Köln-Düsseldorfer Deutschen Rheinschifffahrt AG untersucht. 1) MEMbrane Reaktor Operation Device 146 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-84 Foto der Queen Mary 2 mit einer Membranfläche von 700 m2 enthält (Abbildung ein Aktivkohlefilter und eine UV-Anlage nachgeschaltet. 2-83). Der Permeatvolumenstrom der Anlage beträgt rund Das so gereinigte Abwasser soll zu etwa 50 % auf dem 50 m3/h. Zur weiteren Reduzierung organischer Inhalts- Kreuzfahrtschiff als Brauchwasser wieder verwendet stoffe und zur Desinfektion sind der Ultrafiltrationsanlage werden. Abb. 2-85 Verfahrensschema der Abwasserreinigungsanlage auf der Queen Mary 2 [nach ORELIS SA 2004] Belebungsstufe Zulauf Membrananlage Rezirkulation (RZ) Hydrozyklon Schlamm Feinfilter 1 mm 150 m3 150 m3 Aktivkohle UVDesinfektion Schlamm 147 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.3.9 UF UO Grau- und Schwarzwasserbehandlung auf Schiffen Das heute allgemein auf Schiffen zur Anwendung kom- sowie das Küchenabwasser fließen zur Behandlung einem mende Konzept zur Abwasserbehandlung beinhaltet die Membranbioreaktor zu. Das Filtrat kann abgeleitet oder One-Stream-Lösung, bei der Grauwässer (Duschen, Wasch- für Einsatzbereiche mit geringeren Qualitätsanforderun- becken, Wäscherei), Küchenabwasser und Schwarzwässer gen genutzt werden. Die Entwicklung dieser Two-Stream- (Toiletten) gemeinsam in Membranbelebungsanlagen be- Lösung wurde durch Erkenntnisse und Erfahrungen bei handelt werden. Verwendung finden sowohl die in der der Aufbereitung von Industrieabwasser mit Membran- kommunalen Abwasserbehandlung eingesetzten getauch- verfahren und des daraus abgeleiteten „Nicht-Mischen“- ten Membranmodule als auch Ultrafiltrationsanlagen mit Gebots beeinflusst, da es in der Regel einfacher und effi- extern angeordneten Modulen mit rohwasserseitig offe- zienter ist, Abwasser mit unterschiedlicher Zusammenset- nen Kanälen. zung und deutlichen Konzentrationsunterschieden mit verschiedenen Verfahren aufzubereiten bzw. zu behan- Bei größeren Abwasservolumenströmen, wie z. B. auf deln. Abbildung 2-86 zeigt das Verfahrensschema, wie es Kreuzfahrtschiffen mit über tausend Passagieren, kann in der anlagentechnischen Ausführung bereits auf 25 die Two-Stream-Lösung sinnvoll zum Einsatz kommen. Schiffen realisiert ist. Bei dieser wird das Grauwasser über eine Ultrafiltration mit anschließender Niederdruck-Umkehrosmosemembra- Die hier als Beispiel aufgeführte Verfahrenskombination nen gereinigt und das Permeat steht für technische Ein- aus Ultrafiltration bzw. Ultrafiltration und Nieder- satzzwecke zur Verfügung. Das Schwarzwasser, das Kon- druck-Umkehrosmose der Firma Rochem UF ist in zentrat der Niederdruck-Umkehrosmoseanlage (ND-RO) Abbildung 2-87 dargestellt. Abb. 2-86 Verfahrensschema der Abwasserreinigung nach der Two-Stream-Lösung [nach ROCHEM UF 2004] Umkehrosmose Ultrafiltration Brauchwasser Grauwasser Gebläsestation Membranbelebungsanlage Ableitung bzw. Spülwasser Schwarzwasser Gebläsestation 148 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-87 Membran-Bioreaktor BioFilt mit drei Straßen à 4,5 m3/d Permeat [ROCHEM UF 2004] Abb. 2-88 Niederdruck-Umkehrosmose für die Grauwasser-Aufbereitung für 600 m3/d Permeat [Foto: Rochem UF 2004] 149 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.4 mitteldosierung vorgeschaltet werden [DITTRICH ET AL. Nachgeschaltete Membranstufe zur 1998], um den Fällschlamm in der nachgeschalteten Abwasserhygienisierung Membranstufe zurückhalten zu können. 2.4.1 2.4.2 Verfahrensbeschreibung und Einsatzgebiete Eingesetzte Membranmodule Mit dem Einsatz einer Membranstufe im Ablauf einer In den bisherigen Untersuchungen (Versuchsanlagen der Kläranlage wird vor allem eine Hygienisierung des Ab- Berliner Wasserbetriebe auf dem Klärwerk Berlin-Ruhleben laufs angestrebt, um erhöhte Anforderungen (z. B. EU- [DITTRICH ET AL. 1998], Anlage auf der Kläranlage Geisel- Badegewässerrichtlinie) einzuhalten oder das gereinigte bullach [SCHILLING 2001]) und den Versuchen auf den Abwasser wieder zu verwenden. Die Hygienisierung Kläranlagen Hailfingen [EISELE 2003] und Merklingen durch eine Membranstufe hat dabei Vorteile gegenüber [MAIER, VOGEL 2003] konnte die Eignung verschiedener den gängigen Verfahren wie UV-Behandlung, Ozonung Mikro- und Ultrafiltrationsmodule für die weitgehende oder Chlorung, da weder unerwünschte Nebenprodukte Hygienisierung nachgewiesen werden. Tabelle 2-23 zeigt entstehen noch Resistenzbildungen bei Bakterien und beispielhaft die Kenndaten der zum Teil großtechnisch Viren gefördert werden [DORAU 1999]. eingesetzten Module. Das Abwasser aus dem Ablauf der Kläranlage gelangt 2.4.3 meist nach einer Vorsiebung mit einer Trenngrenze von Betriebserfahrung 500 µm in die Membranstufe. Eine weitere Vorbehandlung ist nicht notwendig. Wird neben der Entkeimung Auf Basis der gemessenen Ablaufqualität an den Versuchs- auch eine weitergehende Elimination gelöster Phosphat- anlagen auf dem Klärwerk Berlin-Ruhleben können die verbindungen angestrebt, kann der Trennstufe eine Fäll- Grenzwerte der EU-Badegewässerrichtlinie [DITTRICH Tab. 2-23 Kenndaten verschiedener Membranmodule für die Filtration von Kläranlagenabläufen der Versuchsanlagen der Berliner Wasserbetriebe und der Anlagen auf den Kläranlagen Geiselbullach, Hailfingen und Merklingen Klärwerk Klärwerk Kläranlage Kläranlage Kläranlage Berlin-Ruhleben Berlin-Ruhleben Geiselbullach Bondorf-Hailfingen Merklingen [nach DITTRICH [nach DITTRICH [nach SCHILLING ET AL. 1998] ET AL. 1998] 2001] Hersteller MemBrain Memtec ROCHEM ZENON X-flow Membranverfahren Ultrafiltration Mikrofiltration Ultrafiltration Ultrafiltration Ultrafiltration 1) PAN 2) PVDF 3) PES4) Material Keramik PP Modultyp Multikanal-Rohrmodul Kapillarmodul Kissenmodul Kapillarmodul Kapillarmodul Nominale Trenngrenze 0,05 µm 0,1 µm 50/200 kD 0,02 µm 150 kD Betriebsart Dead-End Dead-End Dead-End Dead-End Dead-End Betriebsdruck 0,5 – 2,0 bar 0,5 – 1,5 bar 0,5 – 2,0 bar 0,05 – 0,3 bar 0,5 – 1,5 bar Fluss ca. 63 l/(m2 · h) ca. 70 l/(m2 · h) ca. 45 l/(m2 · h) ca. 40 l/(m2 · h) ca. 60 l/(m2 · h) Rückspülung mit Filtrat (filtratseitig) mit Druckluft mit Filtrat (filtratseitig) mit Filtrat (filtratseitig) mit Filtrat (filtratseitig) (filtratseitig) u. Druckluft (feedseitig) u. Druckluft (feedseitig) (transmembran) 1) Polypropylen 150 2) Polyacrylnitril 3) Polyvinyldiflourid 4) Polyethersulfon Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF ET AL. 1998] eingehalten bzw. z. T. deutlich unterschritten 2.4.4 werden. Großtechnische Anwendungen in Deutschland zur Abwasserhygienisierung mit Ultrafiltration Mit den bislang eingesetzten Modulen sind nach ersten Erfahrungen Flüsse von 35 bis 70 l/(m2 · h) anzusetzen In Deutschland sind derzeit drei Membrananlagen in [DITTRICH ET AL. 1998; SCHILLING 2001]. Zur Aufrecht- Betrieb, die den Ablauf einer konventionellen Kläranlage erhaltung der Filtrationsleistung muss jedoch bislang ein weitergehend reinigen (Tabelle 2-24). Auf der Kläranlage erhöhter personeller und monetärer Aufwand für chemi- Geiselbullach des Amperverbandes in Bayern wird seit sche Reinigungen berücksichtigt werden. Juli 2000 eine technische Anlage betrieben, mit welcher der Ablauf der konventionellen Anlage bis zu Brauchwas- Erste Angaben zu Behandlungskosten wurden anhand ser aufbereitet wird, das auf der Kläranlage anstelle des halbtechnischer Untersuchungen der Berliner Wasserbe- vorher genutzten Grundwassers eingesetzt werden kann. triebe ermittelt. Demnach betrugen 1998 die spezifischen Nettogesamtkosten für zwei verschiedene Anlagenkonfi- Im Jahr 2004 wurden nach Vorversuchen zwei weitere gurationen zwischen 0,25 Euro/m3 und 0,42 Euro/m3 Membrananlagen zur nachgeschalteten, weitergehenden Filtrat [DITTRICH ET AL. 1998]. Im Vergleich dazu liegen Abwasserreinigung auf den Kläranlagen Hailfingen des die Kosten konventioneller Lösungen, z. B. bestehend aus Abwasserzweckverbandes Bondorf-Hailfingen und der Klär- Sandfiltration und anschließender UV-Bestrahlung, zwi- anlage Merklingen der Gemeinde Merklingen in Betrieb schen 0,15 Euro/m3 und 0,31 Euro/m3 [DOHMANN genommen, die im Folgenden beschrieben werden. 1997]. Tab. 2-24 Membrananlagen zur Abwasserhygienisierung in Deutschland Betreiber Amperverband Gemeinde Merklingen Abwasserzweckverband Bayern Baden-Württemberg Baden-Württemberg KA Geiselbullach KA Merklingen KA Bondorf-Hailfingen 250.000 E 2.300 E 9.000E Bondorf-Hailfingen Bundesland Anlage Anschlussgröße Membranhersteller Rochem X-Flow ZENON Modultyp Kissenmodul Kapillarmodul Kapillarmodul Verfahren Ultrafiltration Ultrafiltration Ultrafiltration 480 m2 420 m2 7.560 m2 Membranfläche 151 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF 2.4.4.1 Im Ablaufschacht der Kläranlage fördert eine Tauchmo- Kläranlage Geiselbullach torpumpe das gereinigte Abwasser zur weiteren Aufbereitung in die Vorlage der Membrananlage. Zur Vorbehand- Auf der Kläranlage Geiselbullach wurde bisher Grundwasser lung sind ein Filter mit einer Trenngrenze von 500 µm als Brauchwasser eingesetzt. Die Schonung dieser Ressource sowie eine Flockungsmitteldosiereinheit mit Eisen-III- und die Schließung des Kreislaufes „Brauchwasser“ mit Chloridsulfat vorgeschaltet. Das vorbehandelte Abwasser der gleichzeitigen Reduzierung der Abwassermenge gaben wird in die Ultrafiltrationsanlage geführt. Diese be- den Anlass, das gereinigte Abwasser der Kläranlage Geisel- steht aus Kissenmodulen der Fa. Rochem, die eine gesamte bullach aufzubereiten und als Brauchwasser zu nutzen. Des Membranfläche von 480 m2 enthalten und in 60 Druck- Weiteren sollte eine Alternative zum Einsatz des eisen- und rohren untergebracht sind (Abbildung 2-90). Bei der manganhaltigen Grundwassers zur Kühlung der BHKWs Filtration werden ca. 18 m3/h Permeat erzeugt, das als mit den ständigen Problemen einer Belagbildung auf den Brauchwasser in einem Behälter (V = 60 m3) zwischenge- Wärmetauschern geschaffen werden. Im Vergleich zur speichert wird (Abbildung 2-90). Die Speicherung stellt Behandlung mit einer UV-Desinfektion sprach für eine die Deckung der Lastspitzen mit Brauchwasser mit bis zu Membrananlage die sichere, bakteriologisch unbedenkli- 120 m3/h über einige Minuten sicher. Der spezifische che Qualität des über diese aufbereiteten Brauchwassers. Energieverbrauch der Anlage wird mit 0,5 kWh/m3 aufbereitetes Brauchwasser angegeben [SCHILLING 2001]. Das Abwasser wird auf der Kläranlage Geiselbullach mechanisch vorbehandelt und anschließend in der Bele- Die Investition für die Brauchwasseraufbereitungsanlage bungsstufe gereinigt, die aus einer Denitrifikationzone, betrug 410.000 Euro, die spezifischen Betriebskosten einer vermehrten biologische P-Elimination und einer belaufen sich auf rund 0,65 Euro pro m3 aufbereitetem Nitrifikationszone besteht. Der Nachklärung ist eine Sand- Brauchwasser. Die Anlage ist im Juli 2000 in Betrieb filtration nachgeschaltet (Abbildung 2-89). gegangen. Die Inbetriebnahme und Optimierung der Verfahrenstechnik erstreckte sich bis in das Jahr 2002. Abb. 2-89 Verfahrensschema der Kläranlage Geiselbullach [nach AMPERVERBAND 2004] RinglarceSchnüre variabel anaerob aerob anoxisch Rechen Sandfang Vorfluter Nachklärbecken Vorklärbecken Sandfiltration Zulauf Flockungsmittel Rezirkulation (RZ) Rücklaufschlamm (RS) Vorlage ÜSS Filter Brauchwasser zur Kühlung des BHKW 152 Ultrafiltration Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-90 Aufbereitungsanlage auf der Kläranlage Geiselbullach [Fotos: AMPERVERBAND 2002], links: Druckrohre der Membrananlage, rechts: Brauchwasserspeicher UF 2.4.4.2 Das gereinigte Abwasser wird aufgrund der besonderen Kläranlage Merklingen geologischen Verhältnisse der Schwäbischen Alb direkt über einen Versickerungsschacht in den Untergrund ein- Die Kläranlage Merklingen liegt in der Schwäbischen geleitet. Die Einleitungsstelle liegt in der Zone III eines Alb und ist für 2.300 E ausgelegt. An Trockenwettertagen Wasserschutzgebietes, weshalb eine weitergehende Be- 3 müssen täglich etwa 300 m Abwasser in der Kläranlage handlung des Kläranlagenablaufs erforderlich wurde. Seit behandelt werden, an Regenwettertagen kann diese Juli 2004 wird ein Teil des gereinigten Abwassers aus dem 3 Abwassermenge auf 2.000 m steigen. Ablauf der Kläranlage mit zwei unterschiedlichen Verfah- Abb. 2-91 Verfahrensschema der Kläranlage Merklingen [nach RP TÜBINGEN 2004] Sandfilter Nitrifikation simultane Denitrifikation Rechen Sandfilter Nachklärbecken Sandfang Vorlage Membrananlage Zulauf Rücklaufschlamm (RS) Konzentrat Aktivkohle Permeatspeicher 153 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung ren (Ultrafiltration und Langsamsandfilter) behandelt, eine Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 2-92) gereinigt deren Entnahmeleistung für abfiltrierbare Stoffe, Bakte- und die Reinigungsleistungen verglichen. Die Ultrafiltra- rien etc. in einem wissenschaftlichen Begleitprogramm tionsanlage enthält Kapillarmembranen der Firma X-flow verglichen werden mit einer Trenngrenze von 150 kD, die in 12 Druckrohren untergebracht sind. Für die Filtration stehen ca. 420 m2 Wie in Abbildung 2-91 dargestellt, gelangt das Abwasser Membranfläche zur Verfügung. Die Membranen werden über einen Rechen mit einem Stababstand von 5 mm im Dead-End-Verfahren von innen nach außen betrieben. und einen Langsandfang in das Belebungsbecken mit Die kalkulierte maximale spezifische Filtrationsleistung einem Gesamtvolumen von 366 m3. Die Denitrifikation beträgt 60 l/(m2 · h). erfolgt simultan und die Schlammstabilisierung aerob. Die Investitionen für die Ultrafiltrationsanlage betrugen Im Anschluss an die Nachklärung wird ein Teil des Ab- ca. 530.000 Euro. Das Land Baden-Württemberg hat die wassers über einen Langsamsandfilter, der andere über Maßnahme mit einem Zuschuss von 70 % gefördert. Abb. 2-92 Druckrohre der Ultrafiltrationsanlage auf der Kläranlage Merklingen [RP TÜBINGEN 2004] 154 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.4.4.3 UF Kläranlage Bondorf-Hailfingen Der Abwasserzweckverband Bondorf-Hailfingen wurde den Kochhartgraben eingeleitet. In den Sommermonaten 1971 gegründet und reinigt das Abwasser der Verbandsge- ist die Wasserführung des Kochhartgrabens äußerst gering meinden Bondorf und des Stadtteils Hailfingen der Stadt bzw. führt dieser erst unterhalb der Kläranlage Wasser. Im Rottenburg am Neckar. Im Jahr 1974 wurde die mecha- weiteren Gewässerlauf infiltriert der Kochhartgraben in nisch-biologische Kläranlage Hailfingen errichtet und in den Untergrund. Die Kläranlage liegt in einem Wasser- den Jahren 1995-1999 für eine gezielte Stickstoffelimina- schutzgebiet der Zone II a. tion ausgebaut. Die Kläranlage wird heute bei einer Ausbaugröße von 9.000 E nach dem Belebungsverfahren mit Aufgrund dieser besonderen Situation, der geologischen vorgeschalteter Denitrifikation, Nitrifikation, Bio-P-Elimi- Verhältnisse und des Grundwasserschutzes stellte die nation sowie aerober Schlammstabilisierung betrieben. Genehmigungsbehörde bezüglich des Phosphatgehalts, der abfiltrierbaren Stoffe und der Hygienisierung erhöhte Bei Trockenwetter fließen der Kläranlage im Mittel 36 l/s, Anforderungen an die Einleitung (Tabelle 2-25). bei Regenwetter 67 l/s zu. Das gereinigte Abwasser wird in Tab. 2-25 Anforderungen an die Ablaufqualität und Betriebswerte der Kläranlage Hailfingen [ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] Parameter Einheit Ablauf Nachklärung Betriebswerte Ablauf Membrananlage Einleitanforderungen CSB mg/l 30 < 25 60 BSB5 mg/l 4 <4 15 NH4-N mg/l – – 5 Nges mg/l – – 13 Pges mg/l 1,1 0,3 0,3* AFS mg/l 15 – 30 n. n. <5 Badegewässerqualität weitgehende Entkeimung Hygiene * 24 h-Mischprobe Die Kläranlage verfügt über ein Misch- und Ausgleichs- Porenweite von 0,02 µm aufweisen. Mit der Gesamtmem- becken (V = 1.690 m3), eine Rechenanlage (Stababstand branfläche von ca. 7.560 m2 wird durchschnittlich ein 6 mm), einen Fett- und Sandfang, Belebungsbecken Permeatvolumenstrom von 3.100 m3/d erzeugt. (V = 2.330 m3) und zwei Nachklärbecken mit einem Gesamtvolumen von 1.190 m3 (Abbildung 2-93). Die Investition für die gesamte Anlage einschließlich Hoch- und Tiefbau betrug rund 1,25 Mio. Euro. Das Land Die positiven Ergebnisse der Erprobung von drei unter- Baden-Württemberg förderte die Maßnahme mit einem schiedlichen Membrananlagen zur weitergehenden Reini- Zuschuss von ca. 50 %. gung im Juli und August 2003 führten zum Bau einer großtechnischen Membrananlage, die im Dezember 2004 in Betrieb genommen wurde. Die zweistraßige Membrananlage ist mit Membranmodulen der Firma ZENON des Typs ZW 1000 bestückt, deren Membranen eine mittlere 155 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-93 Verfahrensschema der Kläranlage Hailfingen [nach ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004] Misch- und Ausgleichsbecken Bio-P Deni-/Nitrifikationsbecken Rechen Membrananlage Vorfluter Nachklärbecken Sandfang Zulauf Rezirkulation (RZ) Rücklaufschlamm (RS) Gebläsestation Nachklärbecken Überschussschlammspeicher Abb. 2-94 Membrananlage auf der Kläranlage Hailfingen im Bau [Fotos: ABWASSERZWECKVERBAND BONDORF-HAILFINGEN 2004], links: Gebäude mit Membrananlage, rechts: Becken für Membranmodule 156 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.4.5 UF dem konventionellen Belebungsverfahren mit vorge- Großtechnische Anwendungen außerhalb Deutsch- schalteter Denitrifikation gereinigt, wobei die in Tabelle lands zur Abwasserhygienisierung mit Ultrafiltration 2-26 zusammengestellten Ablaufwerte erreicht werden. Bislang liegen in Deutschland nur wenig großtechnische Das gereinigte Abwasser aus dem Ablauf der Nachklärung Erfahrungen zur Membranfiltration des Ablaufs der Nach- der Kläranlage Wulpen wird anschließend über einen klärung vor. Hingegen sind weltweit einige Anlagen groß- Kanal der Aufbereitungsanlage zugeführt, die aus einer technisch installiert, z. B. in den USA, Großbritannien mechanischen Vorfiltration, einer fünfstraßigen Ultra- und Australien [N.N. 2001; N.N. 1996; N.N. 1992]. Einige filtrationsanlage und einer dreistraßigen Umkehr- Anwendungsbeispiele sind im Folgenden aufgeführt. osmoseanlage mit nachgeschalteter UV-Desinfektion besteht (Abbildung 2-95). 2.4.5.1 UF Aufbereitungsanlage Torreele, Belgien Die Anlage der Firma ZENON hat eine Aufbereitungskapazität von 250 bis 400 m3/h. In der Ultrafiltrationsanlage Um an der belgischen Nordseeküste die Trinkwasserge- sind 25 Modulkassetten des Typs ZW 500c installiert, mit winnung sicherzustellen, muss das Grundwasser vom denen täglich bis zu 9.000 m3 Abwasser aufbereitet wer- Seewasser unbeeinflusst bleiben. Dazu wurde im Jahr den. Ein Teil des gereinigten Abwassers aus der Ultrafil- 2000 ein Konzept entwickelt, das die Aufbereitung von tration (ca. 10 %) wird versickert, der andere Teil wird in gereinigtem Abwasser und die anschließende Versicke- der Umkehrosmoseanlage weiter aufbereitet. Die Umkehr- rung im Dünengebiet beinhaltet. So wird der Grundwas- osmosemembranen sind von der Firma Dow geliefert serspeicher unter den Dünen angereichert und das Ein- worden. Die Konzentrate der Membranstufe werden über dringen von Salzwasser verhindert. Nach etwa 40 Tagen einen Brackwasserkanal ins Meer geleitet, das Permeat Untergrundpassage ist das versickerte Wasser wieder als wird zu ca. 90 % versickert. Rohwasser zur Trinkwasseraufbereitung verfügbar. Die Investition der gesamten Aufbereitungsanlage betrug Zur Aufbereitung und anschließenden Versickerung wird etwa 4,5 Mio. EUR. Der Energiebedarf für den Betrieb das gereinigte Abwasser der Kläranlage Wulpen verwen- liegt bisher bei ca. 0,9 kWh/m3 Permeat [VAN HOUTTE det. In der Kläranlage Wulpen wird das Abwasser nach ET AL. 2004]. Tab. 2-26 Abwasserbeschaffenheit im Ablauf der Nachklärung der Kläranlage Wulpen [ZENON GMBH 2004] Parameter Einheit Mittel Max mg/l 54 162 Cl mg/l 340 1.140 Schwebstoffe mg/l 5 19 CSB Trübung NTU 2 11 TS mg/l 1.130 1.950 157 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-95 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage in Torreele [nach ZENON GMBH 2004] Membranstufe Gebläsestation Feinrechen NaOCl 10 % Ablauf Speicher Nachklärung der KA Wulpen Speicher Feinrechen 90 % Infiltration UV-Desinfektion Speicher 158 Umkehrosmose Speicher Teich Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung UF 2.4.5.2 Aufbereitungsanlage Katowice, Polen In Katowice wird das gereinigte Abwasser aus der Kläran- Die Ultrafiltrationsanlage besteht aus 18 Modulkassetten lage Katowice zu Brauchwasser aufbereitet und anschlie- des Typs ZW 500a und bereitet täglich insgesamt ca. ßend im ca. 12 km entfernten Kraftwerk als zusätzliches 5.600 m3 Abwasser zu Brauchwasser auf, welches als zu- Kühlwasser eingesetzt. Die Aufbereitung des gereinigten sätzliches Kühlwasser für den Kühlturm im Kraftwerk Abwassers aus der Nachklärung der Kläranlage wird mit Katowice genutzt wird. einer dreistraßig ausgeführten Ultrafiltrationsanlage der Firma ZENON erreicht (Abbildung 2-96). Die Tabelle 2-27 zeigt die Abwasserqualität im Zulauf und im Ablauf der Membrananlage. Tab. 2-27 Abwasserqualität im Zulauf und im Ablauf der Ultrafiltrationsanlage zur Aufbereitung des Ablaufs der Nachklärung der Kläranlage Katowice zu Brauchwasser [ZENON GMBH 2004] Parameter Einheit Zulauf Ablauf CSB mg/l 35 – 51 27 – 34 BSB5 mg/l 2 – 32 < 2,0 Susp. Stoffe mg/l 6 – 32 < 1,0 Trübung NTU 10 – 50 < 0,1 Abb. 2-96 Verfahrensschema der Ultrafiltrationsanlage zur Brauchwasseraufbereitung in Katowice [nach ZENON GMBH 2004] Gebläsestation Kraftwerk Nachklärbecken Gebläsestation Zusatzwasser Gebläsestation 159 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.4.5.3 UF Chlor zudosiert. Die Ultrafiltrationsanlage ist mit 70 Aufbereitungsanlage Bedok, Singapur Kapillarmembranmodulen des Typs ZW 500c bestückt und hat nach dem ersten erfolgten Ausbau eine Kapazität Die Anlage Bedok NEWater ist die erste von insgesamt von 42.500 m3/d. Zwei Erweiterungen sind bereits in der vier geplanten Anlagen, welche Abwasser zur Deckung Planung, so dass die Gesamtkapazität nach Fertigstellung des industriellen Wasserbedarfs aufbereiten. Sie bereitet 117.000 m3/d betragen wird. das gereinigte Abwasser aus dem Ablauf der Nachklärung einer kommunalen Kläranlage auf. Um die Wasserqualität Das Filtrat wird mit einem geringen Unterdruck von für die Wiederverwendung im industriellen Bereich zu ge- 0,05 bis 0,4 bar durch eine Pumpe abgezogen und an- währleisten, wurde die Entscheidung im Dezember 2001 schließend zur Entsalzung in eine Umkehrosmoseanlage für ein Gesamtverfahrenskonzept aus Ultrafiltration, geleitet. Das Permeat der Umkehrosmoseanlage wird als Umkehrosmose und UV-Desinfektion (Abbildung 2-97) Sicherheitsmaßnahme abschließend einer UV-Desinfek- getroffen. tion unterzogen, das Konzentrat wird zurück zur Kläranlage geleitet. Abbildung 2-98 zeigt die Aufbereitungsanlage mit den Gebäuden für die Ultrafiltrations- und Umkehrosmose- Das nach dem Multi-Barrierensystem erzeugte Wasser anlage. wird „NEWater“ genannt. Es wird als Brauchwasser für die elektrotechnische Industrie, zur Halbleiterproduktion Das gereinigte Abwasser aus dem Ablauf der kommuna- und auch als Kühlwasser von Wirtschaftsgebäuden einge- len Kläranlage wird über ein 0,5-mm-Feinsieb in die fünf- setzt. Ein geringer Prozentsatz des NEWater wird auch als straßige Ultrafiltrationsanlage geführt. Um eine Verkei- Rohwasser zur Trinkwasseraufbereitung genutzt. mung in der Ultrafiltrationsanlage zu vermeiden, wird Abb. 2-97 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage Bedok [nach ZENON GMBH 2004] Ultrafiltrationsanlage Gebläsestation Gebläsestation Ablauf Kläranlage Chlor Feinsieb 0,5 mm Gebläsestation Gebläsestation Gebläsestation 160 Umkehrosmoseanlage UVDesinfektion Zur Industrie Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Abb. 2-98 Gesamtansicht der Aufbereitungsanlage Bedok Abb. 2-99 [Foto: ZENON GMBH 2004] Ultrafiltrationsanlage der Aufbereitungsanlage Bedok [Foto: ZENON GMBH 2004] 2.5 Bemessungsbeispiel Membranbelebungsanlage (MBR) 2.5.1 Bemessungsgrundlagen Grundlage für die nachfolgende Berechnung ist der Hochschulgruppenansatz (HSG). Bemessungsgrundlagen: Anlage mit simultan aerober Schlammstabilisierung Einwohnerwerte = 100.000 E spez. Schmutzwasseranfall ws = 130 l/(E · d) Tageszufluss Q d = 19.500 m3/d Fremdwasserzufluss Q f = 6.500 m3/d Mischwasserzufluss Q m = 2.128 m3/h Spitzenabflussfaktor Schmutzwasser x s = 14 Vorreinigung = keine Schwankungsfaktor = 1,70 Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken TSBB = 12 g/l alpha-Wert = 0,6 Rücklösefaktor (Anteil TKN am ÜS) rX =0 Schlammalter t TS = 25 d Temperatur im Belebungsbecken T = 10 °C simultane Phosphatfällung mit Fe(III)Cl Die Bemessung von Nachklärbecken entfällt für Membranbelebungsanlagen. 161 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Folgende Überwachungswerte sind für eine Kläranlage Tab. 2-28 der Größenklasse 5 (≥ 100.000 E) einzuhalten: Bemessungsergebnisse nach HSG-Ansatz für eine konventionelle Kläranlage mit TS BB = 12 g/l Nanorg = 13 mg/l NH4-N = 10 mg/l Pges = 1 mg/l Norg = 2 mg/l V BB, konv, 12 g TS/l = 14.290 m3 V Nitri, konv, 12 g TS/l = 8.770 m3 V Deni, konv, 12 g TS/l = 5.520 m3 V Deni, konv, 12 g TS/l / VBB, konv, 12 g TS/l = 0,386 – Ein Ausdruck der Berechnungsergebnisse der Belebungsstufe mit dem Bemessungsprogramm ARA-BER ist als Kapitel 2.5.4 eingefügt. Darüber hinaus werden Zwischen- tionsbereichs entsprechen (VDeni, MBR /VNitri, MBR = 1). Hierbei ergebnisse zur Erläuterung des Bemessungsablaufs ange- ist das größere der Volumina der konventionellen Bemes- geben (siehe Tabelle 2-29). sung (VDeni, konv, 12 g TS/l bzw. VNitri, konv, 12 g TS/l) dem entsprechenden Volumen der Mebranbelebungsanlage gleichzusetzen, 2.5.2 da ein im Vergleich zu einer konventionellen Auslegung Interpretation der ARA-BER-Berechnung gemäß geringeres Nitrifikations- bzw. Denitrifikationsvolumen den Bemessungsempfehlungen für MBR der Membrananlage (VDeni, MBR bzw. VNitri, MBR) auszuschließen ist. Um besonderen Betriebszuständen Rechnung zu Grundlage für die Bemessung von Membranbelebungsan- tragen (z. B. Stoßbelastungen bei einsetzendem Misch- lagen bilden die für eine konventionelle Kläranlage ent- wasserzufluss) ist ein Variobereich (Vvario) in der Größe weder nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 131 oder dem von 30 – 50 % des Denitrifikationsvolumens einzuplanen, Hochschulgruppenansatz ermittelten Beckenvolumina, der den betrieblichen Erfordernissen entsprechend im wobei bereits ein für Membranbelebungsanlagen typi- Belebungsbecken angeordnet werden kann. scher TS-Gehalt angesetzt wird. Die für die Beispielanlage Weiterhin ist eine minimale Durchflusszeit t hydraulisch ≥ 6 h ermittelten Daten sind in Tabelle 2-28 aufgelistet. (bei erhöhten Anforderungen t hydraulisch ≥ 8 h) unter beAufgrund des geringeren Reaktorvolumens bei Membran- stimmten Randbedingungen einzuhalten. Eine Unter- belebungsanlagen können unerwünschte Effekte auftre- schreitung der empfohlenen Durchflusszeit ist möglich, ten, wie z. B. eine vermehrte Sauerstoffverschleppung aus wenn das zur Einhaltung der empfohlenen Durchflusszeit dem Nitrifikations- oder Filtrationsbereich in die Denitri- erforderliche Volumen größer ist als das Belebungsbecken- fikationszone. Um die Auswirkungen dieser unerwünsch- volumen der Membrananlage, das bei einer konventio- ten Effekte zu verringern, sollte die Größe des Denitrifika- nellen Auslegung (mit TSBB = 12 g/l) ermittelt und zusätz- tionsbereichs (VDeni, MBR) in etwa der Größe des Nitrifika- lich um 50 % vergrößert wurde. Tab. 2-29 Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Berücksichtigung unterschiedlicher Forderungen zur Auslegung von Membrananlagen Forderungen für MBR V Deni, MBR : V Nitri, MBR = 1 Zwischenergebnis 3 MBR 3 8.770 m > 5.520 m => 2 8.770 m = 17.540 m 3 3 V BB, MBR = 17.540 m3 V Nitri, MBR = 8.770 m3 V Deni, MBR = 8.770 m3 V BB, MBR = 21.435 m3 V BB, MBR = 8.357 m3 V MBR, ges < 1,5 VBB, konv, 12 g TS/l thydraulisch > 6 h Hier Annahme: x Qmax = x S => x Qmax = 14 h/d => Q kritischer Lastfall = Q d /x Qmax 162 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung Nach Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Be- 2.5.3 rücksichtigung der verschiedenen Bemessungskriterien Bemessung der Membranfiltrationsstufe für Membrananlagen erfolgt der Vergleich der Zwischenergebnisse, um das maßgebende Volumen zu bestimmen. Die Oberflächen von Membranfiltrationsstufen werden hinsichtlich des Permeatflusses ausgelegt. Wie aus der Tabelle deutlich wird, ergibt sich in diesem Beispiel unter Berücksichtigung des maximalen Volumen- Die derzeit auf dem Markt zur Verfügung stehenden zuschlags von 50 % auf das Belebungsbeckenvolumen der Membranmodule weisen einen Bemessungsfluss (Netto- konventionellen Bemessung (VBB, konv, 12 g TS/l) ein größeres fluss) für die Membranfläche von 25 l/(m2 · h) bei 8 °C auf. Volumen als das für die Einhaltung der Mindestdurchflusszeit erforderliche Volumen. Aus diesem Grund ist das Der Bemessungsfluss darf bei einer Bemessungstempera- Kriterium VMBR, ges < 1,5* VBB, konv, 12 g TS/l in diesem Fall nicht tur von 10 °C um 15 % höher gewählt werden (" Bemes- maßgebend. Nun ist zu prüfen, ob ausreichend Nitrifika- sungsfluss = 28,75 l/(m2 · h)). tions- bzw. Denitrifikationsvolumen vorhanden ist. Da im Beispiel infolge des Kriteriums der minimalen Durch- Erforderliche Membranfläche für Beispielanlage: flusszeit ein wesentlich geringeres Volumen erforderlich Notwendige Angaben: ist als dies zur Einhaltung des Kriteriums VDeni, MBR /VNitri, MBR maßgebender max. Durchfluss Q m = 2.128 m3/h (im = 1 der Fall ist, kann das Kriterium der Mindestdurch- Gegensatz zur Auslegung des Reaktorvolumens ist bei flusszeit ebenfalls nicht maßgebend für die Auslegung der kommunalen Membranbelebungsanlagen für die Ermitt- Membrananlage sein. Die für das Beispiel maßgebenden lung der erforderlichen Membranfläche immer der Misch- Volumina sind in der folgenden Tabelle aufgelistet. wasserzufluss maßgebend!) Bemessungsfluss von 28,75 l/(m2·h) VBB, MBR = davon 17.540 m3 3 Zusätzlich muss 1 % der eingebauten Membranfläche für VNitri, MBR = 8.770 m Reinigungsmaßnahmen vorgehalten werden (ca. 200 VDeni, MBR = 8.770 m3 Arbeitstage/Jahr wird 1 % der Fläche gereinigt, d. h. die sowie darin enthalten: gesamte Membranfläche wird zweimal pro Jahr gereinigt). Vvario, 30% = 2.631 m3 bzw. Vvario, 50% = 4.385 m3 Damit ergibt sich eine erforderliche Membranfläche von 74.758 m2. Ausgleichsvolumen kann in diesem Fall nicht angeordnet werden, da das gesamte Volumen für die ablaufenden biochemischen Prozesse benötigt wird. Insgesamt ergibt sich eine Durchflusszeit bei einem kritischen Bemessungszufluss von Q kritischer Lastfall = Q d/xQmax = 1393 m3/h von 12,6 h. 163 2 2 Membrantechnik in der kommunalen Abwasserreinigung 2.5.4 Ergebnisausdruck der Bemessung mit ARA-BER: Kläranlage: Membrananlage 100.000 E Anlagentyp: simultane aerobe Schlammstabilisierung Gesamtes Volumen: 17.530 [m3] Volumen Nitrifikation: 8.765 [m3] Volumen Denitrifikation: 8.765 [m3] VDeni /Vges : 0,500 [-] Bemessungstemperatur: 10,0 [°C] mittlere TS-Konzentration: 12,00 [kg/m3] aerobes Schlammalter: 15,35 [d] Schlammalter gesamt: 25,00 [d] 10,0 [mg/l] Ablaufwerte : NH4-N in der Spitze (Bemessungswert) NH4-N im Mittel (Bemessungswert) 2,0 [mg/l] NO3-N im Mittel (Bemessungswert) 6,6 [mg/l] Trockenwetterzufluss Q t 1.199 [m3/h] Mischwasserzufluss Q m 2.128 [m3/h] Tageszufluss Q d 19.500 [m3/d] Rückbelastungen: BSB5 0,0 [kg/d] TKN 0,0 [kg/d] Pges 0,0 [kg/d] Anteil TKN am ÜS = rX 0,00 [-] TKN Rückbelastung aus rX 0,0 [kg/d] Fällung mit: Eisen(III)-Salz Fällmitteldosis 17,42 [g/m3] Erreichbarer Ablaufwert P 1,00 [mg/l] 164 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.1 Kurzüberblick Der Ursprung der Membranverfahren in der Industrie Da für den erfolgreichen Betrieb einer Membrananlage liegt im Bereich der Produktion, wobei der Großteil bisheri- immer eine ausführliche Pilotierung und Planung unter ger Anwendungen die Getränkeindustrie, die Pharmazeutik Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen durch und die Reinstwasserherstellung [BROCKMANN 1998] Fachleute erforderlich ist, sind im Anhang Ansprechpartner betrifft. Aufgrund steigender Kosten für Brauchwasser für konkrete Planungsabsichten genannt. und für die Abwasserentsorgung sowie des gestiegenen Umweltbewusstseins in den Unternehmen werden Membranverfahren immer häufiger auch zur Reinigung industrieller Abwässer eingesetzt. Das Abwasser in Industriebereichen fällt oft diskontinuierlich an und ist von einer stark schwankenden Zusammensetzung gekennzeichnet. Eine Mitbehandlung hoch belasteter Industrieabwässer in kommunalen Kläranlagen bereitet gerade dort, wo die Reinigungsleistung der kommunalen Kläranlage begrenzt ist, Schwierigkeiten bzw. überfordert die Biozönose in der Abwasserreinigungsanlage. Eine getrennte Reinigung bzw. Vorreinigung von Industrieabwasser ist dann erforderlich. Hierbei können Membranverfahren als prozess- und produktionsintegrierte Maßnahme einen entscheidenden Beitrag leisten. Das folgende Kapitel 3 behandelt den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung. Fragen zu Beweggründen, Zielen und Entscheidungskriterien für den Einsatz der Membrantechnik werden erörtert, Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen durchgeführt und erfolgreich ausgeführte Beispiele aus der Praxis kurz beschrieben. Die Abbildung 3-1 auf der folgenden Seite weist dem Leser den Weg durch das Kapitel. Darin sind die wichtigsten Schritte vom Anlass über die Planung bis zum Betrieb einer Membrananlage dargestellt. Anhand der Verweise auf Seitenzahlen und Kurzchecklisten wird dem Leser ermöglicht, sich gemäß seinem Interesse auf einzelne Abschnitte des Kapitels zu konzentrieren und dadurch Einblick in die Planungsgrundlagen zu bekommen. 166 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-1 Anlass – Planung – Betrieb einer Membrananlage Übersicht der Inhalte im Kapitel „Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung“ Vorgehen Beispiele S. 286 Information Kosten senken Anlass Anforderungen einhalten Zielsetzung S. 168 ff. S. 286 Eingehende Stoffströme Effizienz-Agentur NRW PIUS®-Check S. 277 f. Ausgehende Stoffströme Analyse IST-Zustand Unabhängige Berater S. 170 ff. S. 286 f. Separationsverfahren Wirtschaftlichkeitsanalyse Membrantechnik Verfahrensvergleich K/N-Verhältnis Fördermöglichkeiten Verfahrensauswahl ... S. 276 ff. S. 170 ff. S. 287 Vorversuche Berater Unternehmer Anlagenbauer Reinigungsmittelhersteller Membranhersteller Laborversuche Planung und Pilotierung Membranauswahl S. 172 S. 287 ... Betreibermodell Eigenbetrieb Betrieb und Kontrolle S. 172 ff. S. 172 S. 175 S. 268 ff. Praxisbeispiele S. 175 ff. Internet-Portal www.pius-info.de S. 278 167 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.2 Ziele und Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen Membranverfahren können im Industriebereich sowohl • Trennung von Wertstoffen, Hilfsstoffen, Nebenproduk- als nachgeschaltete wie auch als prozess- und produktions- ten und Lösungsmitteln unmittelbar an der Entstehungs- integrierte Maßnahme eingesetzt werden. Die Anwen- quelle dung dieser Technik zur Industrieabwasserreinigung hat • Mögliche Kreislaufführung von Teilströmen neben der Einhaltung von gesetzlichen Anforde- • Vermeidung großer belasteter Abwasserströme rungen (zur Einleitung in öffentliche Kanalnetze oder in • Wiedereinsatz der Konzentrate als Rohstoff oder Gewässer) auch wirtschaftliche Gründe (Abbildung 3-2). Sekundärrohstoff bzw. kostengünstige Entsorgung Die Ziele, welche mit der Anwendung der Membrantechnik erreicht werden sollen, ergeben sich aus den Vorteilen dieser Technik, wie: Abb. 3-2 Ziele und wirtschaftliche Interessen beim Einsatz einer Membrananlage in der Industrieabwasserreinigung Abwasservermeidung Optimierung der Reinigungsprozesse • Schließen von Kreislaufströmen • Recycling von Prozesswässern aus Abwässern • Einsatz von Verfahren zur Einhaltung von Ablaufgrenzwerten • Verbesserung der Ablaufwerte Reduzierung des Platz- oder Raumbedarfs für die Abwasserreinigung • Sicherung von Standorten Ziele wirtschaftliche Interessen 168 Gewinnung eines Wertstoffs Minimierrung der Entsorgungskosten Wiedereinsatz von Biomasse • Gewinnung zur Wiederverwendung im Produktionsprozess • Gewinnung als Sekundärrohstoff zur Weiterverarbeitung • Gewinnung zur Vermarktung • Minimierung durch Produktion von reinen Stoffen (z. B. unverschmutztem Wasser oder Lösungsmitteln) • Minimierung durch Aufkonzentration der Verschmutzungen • Wiedereinsatz durch Abtrennung in der Produktion bei biotechnischen Prozessen • Wiedereinsatz bei der biologischen Abwasserbehandlung durch Rückführung in den Belebungsreaktor Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Tab. 3-1 Einsatzziele von Membranverfahren in der Industrieabwasserreinigung Industriezweig Beispiele für Einsatzziele Nahrungsmittel • Aufbereitung von Abwasser zur Nutzung als Prozesswasser • Erhöhte Eiweißausbeute (Kartoffelstärkeproduktion) Gerbereien • Abtrennung gefällter Schwermetalle aus dem Abwasser und Wiedereinsatz als Recyclingwasser Papierindustrie • Einhaltung von Ablaufanforderungen • Aufbereitung von Abwasser zur Nutzung als Prozesswasser Faserindustrie • Wertstoffrückgewinnung (ZnCl2) (z. B. Vulkanfiber) • Prozesswasseraufbereitung Textilindustrie • Rückgewinnung von Schlichten und Indigofarbstoffen • Abtrennung von Farbpigmenten • Aufbereitung von Abwasser zur Nutzung als Prozesswasser Kunststoffindustrie • Abtrennung von Weichmachern und Wiederverwendung des gereinigten Abwassers als Prozesswasser Wäscherei • Reinigung des Abwassers und Wiedereinsatz als Brauchwasser Metallindustrie, Galvanik • Öl-Emulsionstrennung [DRIESEN ET AL. 1998] und Recycling • Rückgewinnung von Beizen • Spülwasseraufbereitung Druckerei, Lackiererei • Rückgewinnung von Farbpigmenten • Abtrennung und Aufkonzentrierung von Mischpigmenten zur Reduzierung der Entsorgungskosten Fahrzeugproduktion • Prozesswasseraufbereitung • Rückgewinnung von Farbpigmenten Petrochemie • Reinigung von Reaktions- und Waschwasser [THEILEN 2000] Kraftwerke • Kesselspeisewasseraufbereitung [THEILEN 2000] Bergbau • Aufbereitung von Minenwasser und radioaktivem Oberflächenwasser [THEILEN 2000] Schifffahrt • Öl-Emulsionstrennung Verschiedene, z. B. Gerberei, Brauerei, • Biologische Abwasserreinigung unter Einsatz von Ultra- und Mikrofiltrationsverfahren zur Papier- und Textilindustrie Biomassenabtrennung (Membranbelebungsverfahren) Diese Eigenschaften können unmittelbar zu Kosten- Durch die Möglichkeit der Einsparung oder Rückgewin- einsparungen führen, z. B. durch nung von Wertstoffen kann in der industriellen Abwasserreinigung fallweise auch die Aufbereitung kleiner, spezi- • Verringerung der Fracht im Abwasser und damit mög- fischer Volumenströme wirtschaftlich sein. Verschiedene liche Senkung der Abwassergebühren für Indirektein- Einsatzziele von Membranverfahren in der Industrieab- leiter bzw. der Abwasserabgabe für Direkteinleiter, wasserreinigung sind in Tabelle 3-1 zusammengestellt. • Wasser- und Wertstoffeinsparungen, wenn z. B. eine Kreislaufführung bzw. Rückgewinnung von Brauchwasser realisiert wird. 169 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.3 Entscheidungskriterien Ständig steigende Kosten für das Trink- und Brauchwasser Jede Planungsphase beinhaltet weitere detaillierte Ent- sowie für die Abwasserentsorgung in Verbindung mit dem scheidungskriterien, die im Einzelnen geprüft und vom gestiegenen Umweltbewusstsein führen in Industrieunter- Betreiber der Anlage mit den Membranherstellern und nehmen immer häufiger dazu, dass innerbetriebliche Anlagenbauern abgestimmt werden sollten. In der Regel Maßnahmen zur Verringerung der Belastung und des ist neben vorhandenen Erkenntnissen über das zu be- Anfalls industrieller Abwässer umgesetzt werden. handelnde Abwasser die Durchführung von Versuchen auf verschiedenen Maßstabsebenen unerlässlich. Tabelle Diese innerbetrieblichen Maßnahmen können durch den 3-2 führt auf, welche Arbeitsschritte auf den einzelnen Einsatz verschiedener Verfahren und Verfahrenskombina- Maßstabsebenen durchgeführt werden können, denn tionen realisiert werden. Die Auswahl eines technisch und eine sorgfältige Planung ist für den erfolgreichen Betrieb wirtschaftlich geeigneten Verfahrens erfordert jeder Membrananlage entscheidend. • eine strukturierte Analyse der vorhandenen Gegebenheiten und • eine klare Definition des Ziels. Abbildung 3-3 zeigt Wege und Kriterien der Entscheidungsfindung zur Auswahl eines geeigneten Verfahrens. Da hier die Membrantechnik in der Industrieabwasserbehandlung im Vordergrund steht, sind im Entscheidungsbaum die zwei Auswahlmöglichkeiten – Membrantechnik oder alternative Verfahren – vorhanden, von denen nur der Pfad Membrantechnik detaillierter betrachtet wird. Die Voraussetzung für die Auswahl eines erfolgreichen und wirtschaftlichen Membranverfahrens ist stets eine umfassende Analyse der Produktionsprozesse und der dabei benötigten und anfallenden Wässer. Erweist sich nach erster Einschätzung bzw. Bewertung der Rahmenbedingungen der Einsatz der Membrantechnik für ein Unternehmen als technisch möglich, kann eine entsprechende Anlage geplant werden. Die Planung ist stufenweise vorzunehmen, damit die abschließende Lösung möglichst günstig auf das Trennproblem abgestimmt ist. Die Planungsstufen zur Realisierung einer großtechnischen Anlage sind im Fließschema (Abbildung 3-3) dargestellt. 170 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-3 Vorgehensweise bei der Planung einer Anlage zur Industrieabwasserreinigung Identifikation des / der zu behandelnden Stroms / Ströme Maßnahmen durchführen Vermeidung oder Minimierung möglich? Ja Nein Aufgabenstellung / Zielsetzung Abtrennung Wertstoff Trennung Stoffgemisch Gewinnung Prozesswasser Abtrennung Biomasse … Rohwasser Beschaffenheit (physikalisch und chemisch) enthaltene Wert- und Störstoffe Anfallmege Qualitätsanforderungen Rahmenbedingungen Möglichkeiten des Wiedereinsatzes Konzept Behandlungsstrategie Hydraulische Leistungsfähigkeit Membrantechnik möglich? Bedingt Nein Ja Vorbehandlung/Kombination mit anderen Verfahren Alternative Verfahren Entwurf Verfahrensfließbild Eingrenzung Membranmaterialien Abschätzung Leistungsfähigkeit der Membran Verfahren voraussichtlich wirtschaftlich? Nein Ja Membranauswahl (Membranwerkstoff, Membrangeometrie) Vorversuche (Labor) Energiekosten Membranersatz Reinigungsmittel Anzahl der Reinigungen Personal-/Service Nein Versuche positiv? Ja Modulauswahl Pilotversuche Technische Optimierung Modulform Vorbehandlung hydraulische Bedingungen Nein technisch optimiert? wirtschaftlich optimiert? Ja Filtratleistung Rückhalteraten Deckschichtbildung Wirtschaftliche Optimierung Betriebskosten Gesamtwirtschaftlichkeit Großtechnische Anlage Betriebsbegleitende Kontrolle Ja Nein Kosten Investitionen Betriebskosten Nutzen Wertstoffrückgewinnung Einsparungen Entsorgungskosten Einsparungen Wasser-/ Abwasserkosten Wirtschaftlichkeit Reinigungs- u. Spülintervalle Druckverhältnisse 171 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Tab. 3-2 Ablauf für die Planung einer Membrananlage [nach THEILEN 2000; PETERS 2001] Maßstab Arbeitsschritte Labortechnik • Vollanalyse des zu behandelnden Mediums • Membranauswahl in einer Testzellenanlage • Näherungsweise Bestimmung der wichtigsten verfahrenstechnischen Größen wie Transmembrandruck und Überströmgeschwindigkeit • Erste Versuche zur Membranreinigung Pilotierung Betrieb einer Pilotanlage: • Auswahl und Test der Module, Modulverschaltung • Verfahrensoptimierung Unter Betriebsbedingungen vor Ort: • Reinigungsintervalle mit Chemikalienbedarf • Energiebedarf • Produktqualität im Dauerbetrieb Anlagenplanung • Versuchsdatenauswertung • Anlagenentwurf • Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Großtechnik • Kontrolle und Optimierung – der Betriebsparameter – des Energiebedarfs • Ermittlung der Gesamtwirtschaftlichkeit (Kosten-Nutzen-Verhältnis) 3.4 gültig. Eine Übertragung auf andere Anlagen des gleichen Wirtschaftlichkeit von Membrananlagen Industriezweigs ist in der Regel nicht möglich, da die in der industriellen Abwasserreinigung jeweils vorliegenden Rahmenbedingungen (z. B. Produktionsverfahren und -techniken) die Kosten entscheidend Ein wichtiges Entscheidungskriterium für die Wahl eines beeinflussen. Verfahrens zur Abwasserreinigung ist seine Wirtschaftlichkeit. Deren Beurteilung kann z. B. über eine Kosten- Die folgenden wichtigen Einflussfaktoren auf die Kosten Nutzen-Analyse erfolgen und setzt die Kenntnis bzw. und die Wirtschaftlichkeit (Abbildung 3-4) einer Mem- Abschätzung der Kosten und des entstehenden Nutzens brananlage führen dazu, dass in diesem Kapitel lediglich voraus. qualitative Aussagen zu den Kosten gemacht werden: Wie die Beispiele in den Kapiteln 3.5 und 3.6 zeigen, wird Einsatzzweck bzw. Aufgabenstellung und verfolgte die Membrantechnik (Membranverfahren und Membran- Ziele belebungsverfahren) in den verschiedensten Industriebereichen zur Reinigung von Abwasser eingesetzt. In den • Membrananlagen werden nach der Aufgabenstellung Praxisbeispielen sind Angaben über die Investitionen und bzw. Zielsetzung ausgelegt und bemessen. In vielen Fäl- die Betriebskosten bzw. die sich daraus ergebende Amorti- len ist eine Reinigung über dieses Ziel hinaus sicherlich sationszeit enthalten, sofern diese öffentlich zugänglich möglich, dies ist aber oft mit einem zusätzlichen sind. Diese Angaben sind nur für den speziellen Einzelfall Kostenaufwand verbunden. 172 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Rahmenbedingungen preise, die Ausbaugröße, die Entsorgungsmöglichkeiten und -kosten für Abfälle usw. Weitere Beispiele für kos- • Die Charakteristik des Abwassers entscheidet maßgeblich über die Investitionen und die Betriebskosten einer tenbeeinflussende Rahmenbedingungen sind in der Abbildung 3-4 genannt. Membrananlage. Selbst für Abwasser eines einzelnen Industriezweigs liegen die Kosten für dessen Reinigung Planung und Pilotierung und die Wahl des nicht zwingend in der gleichen Größenordnung. Eine Membranverfahrens Angabe von Zahlen ist nicht sinnvoll, da dies u. U. zu einer falschen Einschätzung der Wirtschaftlichkeit • Da das Abwasser jedes Betriebs spezifisch ist, muss in jedem Fall eine detaillierte Pilotierungs- und Planungs- einer Membrananlage führt. phase erfolgen, um die Einsatzmöglichkeit zu prüfen • Das Kosten-Nutzen-Verhältnis einer Membrananlage und die Kosten abzuschätzen. Zu den Kosten für eine kann sich aufgrund vieler Rahmenbedingungen entwe- Membrananlage gehört auch der Aufwand für die Pilo- der positiv oder negativ darstellen. Zu diesen Rahmen- tierung, welcher sehr unterschiedlich ausfallen kann. bedingungen gehören z. B. die Wasser- und Abwasser- Abb. 3-4 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit einer Membrananlage Aufgabenstellung / Ziele Rahmenbedingungen Qualitätsanforderung Standort Anfallmenge hydraulische Energiekosten Leistungsfähigkeit Abwassergebühren Frischwasserpreise ... Planung und Pilotierung Membranbelebungsverfahren Membranverfahren Investitionen Betriebskosten Nutzen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Membranmaterial Membranfläche Modulform Peripherie Betriebsweise Jahresbetriebszeit Energiebedarf Reinigung Reinigungsmittel Reinigungsintervall Membranersatz Entsorgungskosten Personal, Wartung Versicherungen Gebäudekosten Standortsicherung Einhalten von Grenzwerten Minimierung von Abwassergebühren Minimierung von Entsorgungskosten Kreislaufführung Rückgewinnung von Wertstoffen 173 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Eine detaillierte Planung und Pilotierung trägt dazu bei, Für die Rentabilität einer Membrananlage ist die Ausnut- eine unwirtschaftliche Anlagenauslegung zu vermei- zung der Membranfläche durch eine optimale Betriebs- den, mögliche Betriebsschwierigkeiten zu erkennen weise entscheidend, da mit zunehmender Membranfläche und diesen durch die Anlagengestaltung und Betriebs- die Kosten steigen. Allerdings folgt aus einer Verdopp- führung im Vorfeld entgegenzuwirken. lung der Membranfläche nicht die Verdopplung der Kosten, da zu einer Membrananlage auch der Aufwand • Die Art des Membranverfahrens – Membranbelebungs- für die Anlagenperipherie wie z. B. die Steuerungs- und verfahren oder Membranverfahren – wirkt sich auf die Regelungstechnik gehört, welcher kleinere Anlagen stär- Investitionen und Betriebskosten aus. Das Membran- ker belastet [z. B. VOßENKAUL, MELIN 2001]. belebungsverfahren wird bereits seit 1997 für konzentrierte Abwässer, wie z. B. einige Industrieabwässer, als Die Betriebskosten setzen sich aus mehreren Kompo- wirtschaftliche Alternative bewertet [ROSENWINKEL nenten zusammen. Ein wesentlicher Bestandteil der Be- ET AL. 1997], während dies für die kommunale Abwas- triebskosten sind die Energiekosten, welche von der Jah- serreinigung bislang noch nicht uneingeschränkt gilt. resbetriebszeit und der Betriebsweise – Crossflow oder Dead-End – abhängen. Der Energiebedarf von Anlagen Bei jeder Anlage ist zwischen Investitionen und Betriebs- im Dead-End-Betrieb ist eine Größenordnung niedriger kosten zu unterscheiden, die jeweils in weitere Einzelfak- als von Anlagen im klassischen Crossflow-Betrieb. toren aufgeschlüsselt werden können. Je nach Anwendungsfall sind die Kosten für die ReiniDie Höhe der Investitionen hängt insbesondere bei gung der Membranen nicht zu vernachlässigen. Eine großen Anlagen u. a. vom Membranmaterial bzw. den optimierte Reinigung (Chemikalien, Reinigungsinter- Modulkosten und der installierten Membranfläche ab. vall) trägt dazu bei, diese Kosten zu minimieren und Membranmaterial, Membranfläche und Modulform wer- möglicherweise gleichzeitig die Standzeit der Membranen den nach Abwägung einer Reihe von Kriterien für den zu verlängern. Je größer die Standzeit der eingesetzten Einzelfall gewählt. STROH ET AL. [1997] vergleichen für Membranen ist, desto geringer werden die Membraner- zwei Anwendungen – Fruchtsaft-Klärfiltration und satzkosten, welche teilweise einen sehr hohen Anteil an Öl/Wasser-Emulsionsfiltration – die Höhe der Investitio- den Gesamtkosten ausmachen. Die Standzeit von Mem- nen und Betriebskosten, wenn Polymer- oder Keramik- branen ist je nach Material, Abwasserbeschaffenheit, Vor- membranen zum Einsatz kommen. Es zeigt sich, dass die reinigung, Betriebszeit und Betriebsweise sehr unter- Investitionen und der elektrische Leistungsbedarf für die schiedlich (Kapitel 3.5 und Kapitel 3.6, Praxisbeispiele). Membranen aus Keramik höher ausfallen, gleichzeitig Für einige Anwendungen (z. B. Reinigung von Deponie- aber die Membranwechselkosten aufgrund der längeren sickerwasser) sind Standzeiten von 5 Jahren und mehr in Standzeit geringer sind. Bezogen auf den Kubikmeter Fil- der Praxis üblich. trat ist im einen Anwendungsfall der Einsatz von Keramikmembranen günstiger, im anderen der von Polymer- Überdies zählen die Kosten für Entsorgung, Versiche- membranen. Die Autoren betonen daher, dass ohne rungen, Gebäude sowie Personal und Wartung zu den genauen Bezug auf eine Anwendung lediglich eine allge- Betriebskosten. Personal- und Wartungskosten werden meine Bewertung möglich ist und sich bei einzelnen in den meisten Fällen pauschal in Prozent der Investi- Anwendungsfällen die Kostenvorteile verschieben kön- tionskosten abgeschätzt, sind aber auch von der Anla- nen. Durch die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der gengröße abhängig. Beispielsweise hat die Prüfung der Membrantechnik (Membranen, Module, Energiebedarf Wirtschaftlichkeit von Anlagen zur Schlammwasserauf- usw.) werden sich auch die Kostenverhältnisse für ver- bereitung ergeben, dass dieser Wert für kleine Anlagen schiedene Materialien und Module verändern. Aufgrund in der Regel nach oben und für größere Anlagen eher der Produkt- und Marktentwicklung ist im Allgemeinen nach unten korrigiert werden sollte [VOßENKAUL von fallenden Preisen für Membranen auszugehen. ET AL. 2000]. 174 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Die Aufschlüsselung der Investitionen und Betriebskosten das eingesetzte Membranverfahren, die erreichten Ziele entfällt für den Nutzer der Anlage, wenn diese nach bzw. der Nutzen der Anlage genannt. einem Betreibermodell installiert wird, z. B. „BOO“ (Build-Own-Operate). Bei dieser Abrechnungsvariante In der Tabelle 3-3 sind alle Beispiele aufgeführt, die im vergütet der Nutzer der Anlage die Menge des gereinigten Folgenden beschrieben werden. Die Anschriften der Abwassers nach einem mengenspezifischen Preis, der alle genannten Firmen bzw. Unternehmen sind im Anhang Kosten der Abwasserreinigung bereits enthält. zusammengestellt. Der Kostenaufwand für eine Membrananlage wird immer Soweit Informationen zur Gesamtwirtschaftlichkeit der in Relation zu dem erwarteten Nutzen bzw. den zu erwar- beschriebenen Verfahren verfügbar waren, werden in den tenden Einsparungen gestellt. Der Nutzen kann z. B. in nachfolgenden Praxisbeispielen dazu Aussagen gemacht. einer Standortsicherung für den Betrieb, der Einhaltung Für die Gesamtwirtschaftlichkeit einer Membrananlage von Grenzwerten oder der Reduzierung von Abwasserge- ist neben der Bauweise vor allem die Wahl der Betriebs- bühren und Entsorgungskosten bestehen. Einsparungen parameter entscheidend, welche im Detail erst an der lassen sich auch durch eine Kreislaufführung (Brauchwas- fertig gestellten Anlage optimiert werden können. Da serrecycling oder Rückgewinnung von Wertstoffen) errei- die gezeigten Beispiele teilweise noch sehr jung sind bzw. chen. Fallweise sind diese Einsparungen sehr hoch und sich in der Planungsphase befinden, liegen von einigen führen so zu einer relativ kurzen Amortisationszeit der der angeführten Anlagen noch keine langjährigen Be- Membrananlage. Wie hoch die Einsparungen gegenüber triebserfahrungen – insbesondere zur Membranstandzeit – den Kosten im einzelnen Anwendungsfall sind und mit vor. Erst nach längerer Anwendung in der Praxis wird welcher Amortisationszeit gerechnet werden kann, bleibt sich herausstellen, wie erfolgreich und wirtschaftlich der jedoch im Einzelfall zu prüfen. Einsatz der Membrantechnik im Einzelfall ist. 3.5 Die beschriebenen Anlagen sind Beispiele für die groß- Anwendungsbeispiele in Deutschland technische Realisierung des Membranverfahrens und können in der Regel nicht als Standardlösung auf einen In den Kapiteln zu 3.5 wird der Einsatz verschiedener anderen Betrieb des gleichen Industriezweigs übertragen Membranverfahren in Deutschland in unterschiedlichen werden. Für jeden Anwendungsfall ist der Einsatz der Industriebranchen anhand von ausgewählten Beispielan- Membrantechnik sowohl hinsichtlich der technischen lagen vorgestellt, die bereits großtechnisch realisiert und Machbarkeit als auch der Wirtschaftlichkeit erneut zu erfolgreich in Betrieb sind, bzw. sich in der Planung prüfen. befinden. Einige der Anlagen wurden mit Fördermitteln des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes NordrheinWestfalen (MUNLV NRW) errichtet. Beispiele aus der internationalen Praxis sind in den Kapiteln zu 3.6 beschrieben. Die Praxisbeispiele sind, abweichend von der Sortierung der Anlagen für den kommunalen Bereich (siehe Kapitel 2.2), nach ihrem Einsatz in Industriezweigen geordnet, denn in der industriellen Abwasserbehandlung werden auch Kombinationen verschiedener Membranverfahren eingesetzt. Eine kurze Einführung in den betreffenden Industriezweig ist den Beispielen vorangestellt. Als einleitende Übersicht zu jedem Praxisbeispiel werden 175 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Tab. 3-3 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung in Deutschland Branche Kartoffelstärke- Firma Ort Inbetrieb- Membran- Module Membranfläche m Kapitel 2 nahme verfahren Emsland Stärke Emlichheim 1997 UO Rohrmodule 5.000 3.5.1.1 Durst Malz Gernsheim 1997 UO Wickelmodule 1.333 3.5.1.2.1 Beeck Feinkost Hamburg 1994 UF Rohrmodule 100 3.5.1.3 Peter Leis Solms 1998 UF keramische 2,4 3.5.2 15.000 3.5.3.1 2.200 3.5.4.1 industrie Mälzerei – H. Durst Malzfabriken Nahrungsmittelindustrie Druckindustrie Rohrmodule Papierfabrik Papierfabrik Eltmann 1999 NF Palm Textilindustrie Drews Meerane Spiralwickelmodul Meerane 2001 UF getauchte Kapillarmodule Textilindustrie Mühltroff 2004 MF Plattenmodule 320 3.5.4.2 Gerhard van Hamminkeln- UF/NF/UO: 997 MF/UF/ MF: Rohrmodule MF: 225 3.5.4.3 Clewe Dingden MF: 2001 NF/UO UF: keramische UF/NF/UO: k. A. Seidenweberei Pongs Textilindustrie Rohrmodule NF/UO: Wickelmodule Faserindustrie Vulkanfiber Geldern 1997 UO Wickelmodule 312 3.5.5 Kunststoff- Troplast Troisdorf 1998 UF keramische 38 3.5.6 Wäscherei Wäscherei Alsco Kaiserslautern 2000 UF/NF UF: Rohrmodul UF: 44 3.5.7.1 NF: Wickelmodul NF: 180 Wäscherei Textilservice Groß Kienitz 1998 UF/NF UF: keramische UF: 60 Rohrmodule NF: 135 industrie Rohrmodule Mewa 3.5.7.2 NF: Wickelmodule Metallverarbei- Rasselstein tende Industrie Hoesch GmbH Metallverarbei- Faurecia, tende Industrie Bertrand Faure Andernach 1999 UF Stadthagen 2000 UF keramische 4,56 3.5.8.1 1,1 3.5.8.2 Rohrmodule Flachmembranen Sitztechnik Metallverarbei- Galvanikbetrieb Bielefeld- tende Industrie Rudolf Jatzke Sennestadt Metallverarbei- Wieland Werke Langenberg tende Industrie 176 1993 1998 Membran- 2 Zellen pro Elektrolyse Dialysator UF Kapillarmodule 3.5.8.3 44 3.5.8.1 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Tab. 3-3 (Fortsetzung) Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung in Deutschland Branche Firma Ort Inbetrieb- Membran- Module Membran- nahme verfahren DaimlerChrysler Düsseldorf 1998 UF Plattenmodule 30 3.5.9.1 Ford Werk Köln 2001 NF k.A. k.A. 3.5.9.2 Pharmaindustrie Schering Bergkamen 2003 UF Kapillarmodule 15.840 3.5.10 Deponiesicker- Deponie Alsdorf 1999 UO Scheiben- 460 3.5.11.1.1 wasser Alsdorf-Warden Fischzucht Pilotanlage 2004 MF Plattenmodule 21 3.5.11.2 Kraftwerke GuD Dresden 1996 UF keramische Mul- 15,2 3.5.11.3 1989 UF Rohrmodule 23,6 3.5.11.4 1998 UF/UO UF: Kapillar- UF: 42 3.5.11.5.1 module UO: 140 Lackwasser- fläche m Kapitel 2 aufbereitung Lackwasseraufbereitung Rohr-Module Dresden tikanal-Elemente Bilgenentölung Schwimmbad Aquana Würselen Freizeitbad UO: Spiralwickelmodule Schwimmbad Freizeitbad Herten 1998 UF Hohlfasermodule 300 3.5.11.5.2 Copa Ca Backum 3.5.1 Nahrungsmittelindustrie Unter dem Oberbegriff der Lebensmittelbranche sind zahl- Kartoffelstärkeproduktion, die Feinkostherstellung und reiche Produktionsbetriebe zusammengefasst, wie z. B. die die Malzproduktion, näher beschrieben und anhand von Milch und Fleisch verarbeitende Industrie, die Gemüsever- Praxisbeispielen dargestellt. arbeitung und Fertigproduktherstellung, die Getränkeindustrie usw. Entsprechend unterschiedlich sind die Ab- Neben der Abwasserreinigung wird die Membrantechnik wässer der einzelnen Industriezweige zusammengesetzt, in der Lebensmittelindustrie auch für andere Zwecke, wie gemeinsam ist ihnen lediglich die meist hohe organische Aufkonzentrierung (z. B. von Saft, Milch, Molke, Eiklar), Belastung. Klarfiltration (z. B. von Saft, Wein, Bier) und Bierentalkoholisierung, eingesetzt. Die bei der Entalkoholisierung Stellvertretend für den Einsatz der Membrantechnik als anfallende Alkoholfraktion ist in der Abwasserreinigung Aufbereitungsverfahren für Abwässer aus der Lebens- als Substrat für die Denitrifikation (als Methanolersatz) mittelindustrie werden hier drei Produktionszweige, die gut geeignet. 177 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.1.1 Kartoffelstärkeproduktion In der Bundesrepublik Deutschland werden vier Stärke- Die Kartoffelstärkeproduktion erfolgt im Kampagnebetrieb. sorten produziert: Mais-, Kartoffel-, Weizen- und Reisstärke. Die Düngeverordnung (1996) fordert eine Speicherung von Von den jeweiligen Rohstoffen weist die Kartoffel den Kartoffelfrucht- und Verregnungswasser zwischen dem größten Wassergehalt auf. Zur Produktion der Stärke wer- 15. November und 15. Januar (bei Frost auch länger) und den die Kartoffeln in einer Vorwäsche gründlich gesäubert begrenzt die Herbstausbringung mit max. 80 kg Nges/ha. und anschließend zerrieben (Reibsel), vom Fruchtwasser getrennt (0,76 m3 Fruchtwasser pro Tonne Kartoffeln) Bei diesen Randbedingungen bietet sich eine Aufkonzen- und ausgewaschen. Aus dem Reibsel wird die Stärke ge- trierung des Fruchtwassers sowie eine Wasserkreislauf- wonnen, aus dem Fruchtwasser im Allgemeinen Kartoffel- schließung im Betrieb an. Dies kann durch verschiedene eiweiß erzeugt (Abbildung 3-5). Das entstehende Rest- Verfahren (z. B. durch Membrantechnik) erreicht werden. fruchtwasser wird auf landwirtschaftlichen Flächen verregnet oder eingedampft. Die Kartoffelpülpe ist der Restbestandteil, der feingemahlene Schale, Zellwände, Stärkereste und Fruchtwasser enthält. Sie wird entwässert und in Deutschland und den Benelux-Staaten seit vielen Jahren als Futtermittel für Milch- und Jungvieh und teilweise auch für Mastvieh verwertet. Bei dem gesamten Prozess fallen somit Schwemm- und Waschwässer, Frucht- und Stärkewaschwässer an. Pro Tonne Stärke ist mit einem Waschwasseranfall von ca. 1,8 bis 2,8 m3 zu rechnen. Charakteristische Inhaltsstoffe sind Kartoffelfruchtwasserbestandteile, Fasern und mineralische Bestandteile (Erde, Sand usw.). Abb. 3-5 Fließschema der Kartoffelstärkeproduktion Stärke Kartoffeln Reibe Fraktionierung im Nassverfahren Fasern Kartoffelfruchtwasser Eiweißausfällung Kartoffeleiweiß Lösliche Stoffe Kartoffelpülpe 178 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung UO 3.5.1.1.1 Nahrungsmittelindustrie, Emsland Stärke GmbH Membranverfahren Umkehrosmose Inbetriebnahme 1997 Ziele Reduzierung der Abwassermenge und Trinkwassermenge, höhere Eiweißausbeute Membranfläche 5.000 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 62 m3/h Vorbehandlung Trennung von Fasern und Fruchtwasser Nutzen Einsparung von Energie, Wasser, Abwasser bei gleichzeitiger Erzielung einer höheren Eiweißausbeute Das Unternehmen Emsland Stärke GmbH ist der größte Im Werk Emlichheim wurde 1997 eine Umkehrosmose- deutsche Kartoffelstärkeproduzent und gehört weltweit anlage der Fa. Stork in Betrieb genommen, durch welche zu den führenden Herstellern von Stärkeveredlungspro- die Entsorgungsmenge reduziert, Trinkwasser eingespart dukten, Kartoffeleiweiß, Aminosäuren, Kartoffelprodukten und mehr Eiweiß zurückgewonnen wird. Bei 40 bar Be- und Verzuckerungsprodukten wie Glukosesirup. Heute triebsdruck wird das Kartoffelfruchtwasser aus der Stärke- zählt das 1928 in Emlichheim gegründete Stammwerk produktion im Crossflow-Verfahren abgetrennt. Die ein- allein 405 Mitarbeiter. Bei der Herstellung von Kartoffel- gesetzten Rohrmodule haben eine gesamte Membranfläche stärke, Stärkederivaten und Kartoffeleiweiß wird Wasser von 5.000 m2, mit der ein Feed-Volumenstrom von 140 m3/h in Trinkwasserqualität eingesetzt, das nach Gebrauch als bewältigt wird. Bei täglicher Rückspülung und Reinigung Abwasser (Schwemm- und Waschwasser, Derivatabwasser) mit handelsüblichen Reinigungsmitteln auf Enzymbasis entsorgt werden muss. beträgt die Standzeit der Membranen etwa 6.000 Stunden. Während des Kampagnebetriebs der Kartoffelstärkeproduktion (ca. 120 Tage pro Jahr) ist die Anlage 24 Stunden in Betrieb, so dass nach ca. zwei Kampagnen die Membranen ausgewechselt werden müssen. Abb. 3-6 Fließschema zur Aufbereitung von Prozess- und Kartoffelfruchtwasser bei der Emsland Stärke GmbH [nach LOTZ 2000] Kartoffeln Fasern Wasserversorgung Dünger Futtermittel Melasse Aufbereitung Stärkefabrik mit verbessertem Kartoffelaufschluss Kartoffelfruchtwasser Prozesswasser Umkehrosmose Permeat zur Kartoffelwäsche Retentat Eiweißgewinnung Eindampfung Kartoffelpülpe Kartoffeleiweiß Brüdenkondensat betriebseigene Kläranlage für Brüdenkondensate Überschuss Vorfluter Abwasser aus Aufbereitung 179 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Das Permeat (ca. 62 m3/h) aus der Umkehrosmoseanlage 3.5.1.2 wird für die Kartoffelwäsche eingesetzt, während aus dem Mälzerei Retentat Kartoffeleiweiß gewonnen wird. Das noch verbleibende Restkartoffelfruchtwasser wird anschließend ein- Malz wird als Rohstoff für die Alkoholgewinnung aus stär- gedampft, die Brüdenkondensate werden der betriebsei- kehaltigen Produkten benötigt. Von einem großen Teil der genen Kläranlage (ausschließlich für die Brüdenkonden- Brauereien wird heute das Malz von Handelsmälzereien sate) zugeführt und nach weiterer Aufbereitung als Be- bezogen, die für die Malzbereitung vorwiegend Gerste triebswasser in Trinkwasserqualität in den Produktions- (pro Jahr etwa 2,5 Mio. Tonnen [GUTSCH, HEIDENREICH prozess zurückgeführt (siehe auch Abbildung 3-6). 2001]) und teilweise Weizen verwenden. Vereinfachend lässt sich die Malzherstellung in die Schritte Reinigen, Durch die Wasserkreislaufführung werden neben Ener3 Weichen, Keimen und Darren aufteilen [KRAFT, MENDE gie pro Jahr mehr als 500.000 m Wasser eingespart 1997]. Durch den hohen Wasserverbrauch im Wasch- (250.000 m3 Waschwasser durch Permeat der Umkehr- und Weichprozess entstehen für Mälzereien enorme 3 osmoseanlage und mehr als 250.000 m durch Kreislauf- Kosten für den Frischwasserbezug und die Abwasserent- schließung mit dem Brüdenkondensat). Weitere Vorteile sorgung [GUTSCH, HEIDENREICH 2001]. des Membraneinsatzes sind die drastische Reduzierung der zu entsorgenden Abwassermengen sowie die höhere Für Abwasser, dessen Schmutzfracht im Wesentlichen aus Eiweißausbeute. der Herstellung von Malz aus Getreide stammt und das direkt in ein Gewässer eingeleitet wird, sind die Grenzwerte nach Anhang 21 der Abwasserverordnung [ABWV 2002] maßgebend. Die anfallenden Abwassermengen und -konzentrationen sind in den Malzfabriken je nach angewendetem Verfahren sehr unterschiedlich. Inhaltsstoffe der Abwässer sind suspendierte Stoffe (Staub, erdige Bestandteile, Getreidereste, Spelzenreste), Zucker, stickstoffhaltige Substanzen (lösliche Eiweißstoffe, Pflanzenfibrin) und anorganische Stoffe sowie eventuell Gummi und Polyphenole. Zur Aufbereitung von Mälzereiabwasser kann die Membrantechnik in verschiedenen Kombinationen eingesetzt werden, die auf den konkreten Anwendungsfall abgestimmt werden müssen. Neben dem angeführten Beispiel ist auch eine Aufbereitung mittels Mikrofiltration im Unterdruckverfahren in Kombination mit einer biologischen Stufe und einer Kreislaufführung des Prozesswassers möglich [KRAFT, MENDE 1997]. 180 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.1.2.1 UO Mälzerei, Durst Malz – H. Durst Malzfabriken GmbH & Co. KG Membranverfahren Umkehrosmose Inbetriebnahme 1997 Ziele Reduzierung der Abwassermenge und -kosten Membranfläche 1.333 m2 Module Wickelmodule Permeatvolumenstrom ca. 470 m3/d Vorbehandlung Biologische Reinigung (SBR), Fällung Nutzen Einsparungen auf der Frischwasserseite und Kostenreduzierung auf der Abwasserseite Das Heidelsheimer Unternehmen H. Durst Malzfabriken Filterfläche von 1.333 m2 bei einem Betriebsdruck von ca. GmbH & Co. KG hat sich auf die Malz-Herstellung für Pil- 10 bar alle unerwünschten Mälzerei-Rückstände aus dem sener Bier spezialisiert, liefert aber auch Spezialmalze für Wasser. Das entstehende Permeat entspricht den Anforde- andere Brauarten. Im Werk Gernsheim, einem der vier rungen der Trinkwasserverordnung und wird zu 100 % in Betriebe, die pro Jahr zusammen rund 230.000 Tonnen die Gerstenweiche zurückgeführt. Das verbleibende Reten- Malz herstellen, sind heute 25 Mitarbeiter beschäftigt. tat (ca. 25 bis 30 % des gesamten Zulaufs zur Membrananlage) wird in der kommunalen Kläranlage behandelt. Die hohen Abwassermengen und -kosten führten Durst Um den Betrieb der Wickelmodule zu gewährleisten, wird Malz zu einer Kooperation mit der Bad Vilbeler Schwander ein Antiscalingmittel eingesetzt und eine tägliche Spülung GmbH, die zusammen mit der Frings Recycling-Anlagen der Module mit Zitronensäure vorgenommen. GmbH (heute imb + frings watersystems gmbh) das patentierte FriSch-Verfahren® zur Aufbereitung von Betriebs- Der Einsatz der Membrananlage führte zu einer Verminde- wasser in der Malz- und Getränkeindustrie entwickelte. rung des Wasserbedarfs und zu erheblichen Kosteneinsparungen bei der Abwasserabgabe. Der modulare Aufbau der Mit Förderung durch die Hessische Landes- und Treuhand- Anlage ist ein weiterer Vorteil, da so eine problemlose Anpas- gesellschaft (HLT) Wiesbaden, der heutigen Investbank sung an sich ändernde Produktionsparameter möglich ist. Hessen (IBH), konnte 1997 in Gernsheim eine Anlage zur Aufbereitung des Mälzereiabwassers in Betrieb genommen werden (Abbildung 3-7). Seitdem werden täglich 3 Abb. 3-7 700 m Wasser, das sich aus dem Weichwasser der Gerste Umkehrosmoseanlage bei der Durst Malzfabriken und dem Waschwasser der Produktionsanlagen zusam- GmbH & Co. KG, Gernsheim [LINDEMANN 2001] mensetzt, behandelt. Das Mälzereiabwasser hat einen hohen CSB-Gehalt von ca. 2.500 bis 3.000 mg/l. Durch eine biologische (SBRVerfahren1) ) und chemisch-physikalische (Eisenchlorid-Fällung) Behandlung mit anschließender Feinfiltration wird diese Konzentration bis auf 30 mg/l im Zulauf der Umkehrosmoseanlage herabgesetzt. Anschließend entfernen in der Umkehrosmoseanlage (imb + frings watersystems gmbh) Wickelmodule mit einer gesamten 1) SBR-Verfahren: Sequencing-Batch-Reaktor-Verfahren: Alle Phasen des Reinigungsprozesses laufen zeitlich nacheinander in einem Reaktor ab. 181 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung UF 3.5.1.3 Nahrungsmittelindustrie, BEECK Feinkost GmbH & Co. KG Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1994 Ziele Einhaltung der geforderten Grenzwerte und Senkung der Abwassergebühren (Starkverschmutzerzuschlag) Membranfläche 100 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 3,5 – 6 m3/h, produktionsabhängig Vorbehandlung Vorfiltration Nutzen Einsparung von Abwassergebühren Im Unternehmen BEECK Feinkost GmbH & Co. KG wer- scheider reichte nicht aus, um die Grenzwerte für die den Delikatessen und Salatdressings hergestellt. Am Stand- CSB-Konzentration einzuhalten, so dass für diesen Para- ort Hamburg sind über 200 Mitarbeiter beschäftigt. meter ein Starkverschmutzerzuschlag entrichtet werden musste. Für die Zubereitung von Delikatessen und Salatdressings werden Tanks und Geräte benötigt, welche anschließend Zur Senkung der Abwassergebühren ist seit 1994 eine mit Wasser und Reinigungsmitteln gesäubert werden. Ultrafiltrationsanlage der Firma Koch-Glitsch GmbH Dabei gelangen Feststoffe sowie emulgierte Fette und Öle in Betrieb. In einer Vorfiltration werden zunächst die in das Wasser, die eine hohe CSB-Konzentration verursa- Feststoffe aus dem gesammelten Abwasser abgetrennt. chen. Die Reinigung des Abwassers durch einen Fettab- Abb. 3-8 Verfahrensskizze der Abwasseraufbereitung bei BEECK Feinkost GmbH [nach KOCH-GLITSCH GMBH 2001] Abwasser Kreislaufführung nach Abschaltung des Zulaufs 100 % Pumpenschacht Tank 80 m3 Konzentrat Ultrafiltration Vorfiltration Konzentrat Partikel Sammelbehälter Entsorgung 1% Kanalisation 99 % Messung/Überwachung 182 Filtrat Neutralisation Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Das vorfiltrierte Wasser wird anschließend in einen Tank triert wird. Bei erreichter Aufkonzentration wird das Kon- geleitet, aus dem die Beschickung der Ultrafiltrationsanla- zentrat (1 % des Zulaufwassers) entsorgt, das gewonnene ge erfolgt (Abbildung 3-8). Die Anlage ist mit Rohrmodu- Filtrat (99 % des Zulaufwassers) wird nach Neutralisation 2) len aus PVDF -Membranen mit einer Trenngrenze von in die Kanalisation abgeleitet. 250.000 Dalton (KOCH-GLITSCH GMBH) ausgestattet, die im Crossflow-Verfahren überströmt werden. Unter Die Membranen werden einmal in der Woche chemisch einem Betriebsdruck von maximal 6,2 bar werden ins- gereinigt. Bei dieser Betriebsweise beträgt die Standzeit 3 gesamt ca. 3,5 bis 6 m Abwasser pro Stunde (produk- vier bis fünf Jahre. tionsabhängig) durch die 100 m2 große Membranfläche filtriert. Neben ökologischen bringt die Anlage auch wirtschaftliche Vorteile: Durch die Einsparung des Starkverschmut- In Abhängigkeit von der Produktion wird der Zulauf zum zerzuschlags haben sich die Investitionen der Anlage Tank geschlossen, so dass das Abwasser durch Kreislauf- bereits nach drei Jahren amortisiert. führung über die Ultrafiltrationsanlage weiter aufkonzen- 3.5.2 UF Druckindustrie, Peter Leis Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme Herbst 1998 Ziele Herstellung eines wieder verwendbaren Produkts aus verschmutzten Waschölen Membranfläche 2,4 m2 Module Keramische Rohrmodule Permeatvolumenstrom 30 l/h Vorbehandlung Mikro-Anschwemmfiltration zur Entfernung der Grobstoffe, Ölabscheider Nutzen Einsparung von Entsorgungskosten und neuen Waschölen Die Grafische Handelsvertretung Peter Leis in Solms ver- Das Gesamtsystem besteht aus einer Mikro-Anschwemm- sorgt mit fünf Mitarbeitern Druckereien unter anderem filtration zur Entfernung der Grobstoffe, einem Ölabschei- mit Druckwalzen und Chemikalien, wie beispielsweise der zur Trennung von Öl und Wasser sowie einer Ultra- Reinigungsölen für Druckmaschinen. filtration zur Reinigung der Ölphase. Mit einer gesamten Membranfläche von 2,4 m2 produzieren keramische Zum Service des Unternehmens gehört die Rücknahme Rohrmodule (Firma Tami) bei einem Betriebsdruck von von gebrauchten Druckereiwaschölen von den Kunden. ca. 3 bar etwa 30 l Permeat pro Stunde. Die Ultrafiltrations- Gemeinsam mit den Firmen CARO Umwelttechnik GmbH anlage (Abbildung 3-9) ist durchschnittlich 6 bis 8 Stun- (jetzt Kontakt über NERAtec AG) und Altenburger Elektro- den pro Tag in Betrieb. Eine Reinigung der Membranen nic GmbH wurde daher ein Verfahren entwickelt, mit durch Ausbau und Ausbrennen wird nach einem Durch- dem aus den verschmutzten Waschölen ein hochwertiges, satz von ca. 5.000 l erforderlich, das Ende der Standzeit wieder verwendbares Produkt hergestellt wird. der Membran ist im Durchschnitt nach 20.000 l erreicht. Das Filtrat wird als hochwertiges Recyclingwaschöl (Re- Seit Herbst 1998 trennt eine Anlage mit Membrantechnik cyclingwaschmittel) erneut eingesetzt, das Konzentrat die Inhaltsstoffe Öl, Wasser, Farbpartikel und Papierstaub. wird in die Anschwemmfiltration zurückgeführt. 2) Polyvinylidenfluorid 183 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Neben den positiven Auswirkungen auf die Umwelt durch 3.5.3 die Produktkreislaufschließung ergeben sich auch wirt- Papierindustrie schaftliche Vorteile durch den Einsatz dieser Verfahrenskombination. So konnten die jährlichen Entsorgungskosten Papierfabriken gehören zu den Wasser-Großverbrauchern, halbiert und der Einsatz neuer Waschöle auf nur 25 % denn Wasser wird bei der Erzeugung von Pressedruckpa- gesenkt werden, wovon nicht zuletzt auch die Abnehmer pieren sowohl bei der Aufbereitung der Faserrohstoffe als profitieren. Die Amortisation der 51.000 EUR-Investition auch im eigentlichen Erzeugungsprozess auf der Papier- benötigt unter den jetzigen Betriebsbedingungen zwei maschine benötigt. Das Wasser wird meist als Oberflächen- Jahre. Diese Betriebsbedingungen wurden ca. 1,5 Jahre wasser Flüssen oder Seen entnommen und biologisch ge- nach der Inbetriebnahme erreicht. reinigt wieder abgegeben. Die Jahresproduktion von Papier und Pappe in Deutschland beträgt ca. 20 Mio. Tonnen, wobei pro Tonne Produkt durchschnittlich 10 m3 Abwasser Abb. 3-9 anfallen [VDP 2004]. Für das Einleiten von Abwasser in Ultrafiltrationsanlage in der Grafischen Handelsvertretung Gewässer, das aus der Herstellung von Papier und Pappe Peter Leis [LEIS IN EFA 2000] stammt, gilt Anhang 28 der AbwV [ABWV 2002]. Für die Herstellung neuen Druckpapiers aus Altpapier müssen aufgetragene Druckfarben entfernt werden. Neben Wasser und Luft werden dafür Hilfsstoffe wie Seife, Natronlauge, Wasserglas, Wasserstoffperoxyd und Komplexbildner benötigt. Für die Herstellung von Magazinpapieren muss der Faserstoff gebleicht werden. Generell ist das Abwasser aus Papierfabriken organisch belastet. Die Zusammensetzung und weitere Inhaltsstoffe hängen jedoch stark von den eingesetzten Rohstoffen und der Art des hergestellten Papiers ab und unterscheiden sich daher erheblich. Membranverfahren spielen heute für die Reinigung von Papierabwässern noch eine untergeordnete Rolle. Insbesondere die bei der Altpapieraufbereitung anfallenden Abwässer können nahezu calciumgesättigt sein und zu Scaling führen und sind außerdem vielfach durch hohe Ligningehalte und einen hohen Anteil von Faserstoffen gekennzeichnet. Der Einsatz eines Membranverfahrens und erforderliche Vorbehandlungsmaßnahmen sind aus diesen Gründen sorgfältig zu prüfen und zu pilotieren. 184 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.3.1 NF Papierfabrik Palm, Werk Eltmann Membranverfahren Nanofiltration Inbetriebnahme Dezember 1999 Ziele Einhaltung der Anforderungen für Direkteinleiter Membranfläche 15.000 m2 Module Spiralwickelmodule Permeatvolumenstrom ca. 175 m3/h Vorbehandlung Biologische Reinigung, Sandfiltration Nutzen Einhaltung der Einleitebedingungen, Einsparung von Brauchwasser nach erfolgter Wasserkreislaufschließung Die Papierfabrik Palm mit Unternehmenssitz in Aalen- Bislang erfolgt täglich eine Spülung der Module und ca. Neukochen, Baden-Württemberg, gehört zu den führen- wöchentlich (je nach Betriebsdruck) eine chemische Rei- den europäischen Herstellern von Zeitungsdruckpapier nigung. Bei diesem Betrieb beträgt die Standzeit der und Wellpappenrohpapieren. Im Werk Eltmann in Bayern Membranen 2 bis 5 Jahre. Diese Betriebsparameter der sind 250 Mitarbeiter an der Herstellung von Zeitungs- Membranspülung und Reinigung werden derzeit noch druckpapier aus 100 % Altpapier beteiligt. optimiert. Bei der Stoffaufbereitung und Papiererzeugung fällt Ab- Die Membrananlage im Werk Eltmann sichert die Einhal- wasser an, das CSB- und AOX-belastet ist sowie Salze und tung der Einleitbedingungen und dient damit vorrangig Farben enthält. Um die Einleitbedingungen für Direktein- dem Umweltschutz. Die geplante Schließung des Wasser- leiter einzuhalten, wird das Abwasser seit Dezember 1999 kreislaufs und die Nutzung des Permeats als Prozesswasser biologisch gereinigt und nach einer anschließenden wird Frischwasser einsparen und lässt damit auch wirt- Sandfiltration mit einer Nanofiltrationsanlage der schaftliche Vorteile erwarten. Wehrle Werk AG im Crossflow-Verfahren behandelt. Die Anlage wurde durch die Deutsche Ausgleichsbank im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) gefördert. Die in der Nanofiltration eingesetzten Spiralwickelmodule (KOCH-GLITSCH GMBH) auf Polyamidbasis sind in einer Feed-and-Bleed-Struktur (siehe Kapitel 1.5 bzw. Abbildung 3-10) angeordnet. Bei einem Betriebsdruck von 3 bis 7 bar bewältigt die gesamte Membranfläche von 15.000 m2 einen Feed-Volumenstrom von maximal 19 m3 in der Stunde. Bei einer Ausbeute von ca. 90 % werden dabei 175 m3/h Permeat gewonnen, welches zurzeit noch in den Vorfluter geleitet wird. Eine Rückführung des Permeats und die Nutzung als Prozesswasser ist geplant. Das Konzentrat wird mit Kalkmilch und Flockungsmitteln behandelt, wobei eine Optimierung der Konzentratbehandlung ebenfalls in Planung ist. 185 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-10 Nanofiltrationsanlage in der Papierfabrik Palm, Werk Eltmann (links) [SCHIRM 2001] und Teilausschnitt der Rohrmodul-Anordnung in einer Feed-and-Bleed-Struktur (rechts) [nach SCHIRM 2001] Feed 1. Zirkulation Permeat Konzentrat 2. Zirkulation Permeat Konzentrat 3. Zirkulation Permeat Konzentrat 4. Zirkulation Permeat Konzentrat Konzentrat Permeat 3.5.4 Textilindustrie In Deutschland existieren ca. 1.100 Textilbetriebe, davon Da viele mittelständische Textilveredlungsunternehmen ca. 150 Veredlungsbetriebe meist klein- und mittelständi- Indirekteinleiter sind, ergeben sich in der kommunalen scher Struktur [GESAMTTEXTIL 2004]. In den verschiede- Abwasserbehandlung Probleme durch die Parameter CSB nen Produktionsbereichen fallen Prozessabwässer an, und Farbigkeit [GUTSCH, HEIDENREICH 2001]. Für die deren Zusammensetzung die vielfältigen Betriebsstrukturen Direkteinleitung sind die Grenzwerte gemäß Anhang 38 und die jahreszeitlich schwankenden Produktionspro- der Abwasserverordnung [ABWV 2002] einzuhalten. Eine gramme widerspiegelt. Die Entsorgung dieser Prozess- weitergehende Entfärbung textiler Abwässer kann neben abwässer verursacht steigende Kosten. Verfahren wie Fällung, Flockung und chemische Oxidation auch unter Einsatz der Membrantechnik erreicht Die Verfahrensvielfalt in der Textilveredlung lässt verall- werden. gemeinernde Aussagen zum Wasserverbrauch kaum zu, im Durchschnitt fallen bei der Veredlung von 1 kg Texti- Die Vielfalt der Abwässer aus der Textilveredlung macht lien ca. 60 bis 80 l – zum Teil stark farbiges – Abwasser an es allerdings unmöglich, den Einsatz, die Leistungsfähig- [MARZINKOWSKI 1999]. Abwässer aus der Farbküche, die keit sowie die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Mem- beim Waschen von Farbansatzbehältern entstehen, sind branverfahren in diesem Bereich pauschal zu beurteilen. hochkonzentriert. Hingegen sind Abwässer aus der Färberei Der mögliche Einsatz und die Leistungsfähigkeit der mit Farbstoffen in geringeren Konzentrationen belastet. Membrantechnik erfordern eine individuelle Anpassung Von wenigen Ausnahmen abgesehen sind diese Farbstoffe an die jeweiligen Erfordernisse für jeden Einzelfall und unter aeroben Bedingungen biologisch nicht oder nur jeden Standort und sind durch ausführliche Pilotversuche sehr schwer abbaubar [BRAUN ET AL. 1997]. zu prüfen. Für die Wirtschaftlichkeit sind die Behandlung und der Verbleib bzw. die Entsorgung des Retentats von Interesse [MACHENBACH 1998]. 186 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Verschiedene Verfahrenskombinationen werden zur Rei- lung der Konzentrate in einem biologischen Festbettre- nigung von Abwässern aus der Textilindustrie getestet aktor nachgewiesen werden. Diese Verfahrenskombina- bzw. bereits in der Praxis eingesetzt: tion ist aber noch nicht großtechnisch in Deutschland realisiert [SCHÄFER ET AL. 1997; GUTSCH, HEIDEN- • Zur Realisierung eines geschlossenen Wasserkreislaufs REICH 2001]. in der Textilveredlung gab es Versuche zur Kombination aus biologischer Stufe (Scheibentauchkörper), Cross- • In einer Großanlage werden Färbereiabwässer mit einer flow-Mikrofiltration und Aktivkohle-Adsorption (voll- Kombination aus biologischer Stufe, Adsorption, nach- ständige Entfärbung) [WAIZENEGGER ET AL. 2000]. geschalteter Umkehrosmoseanlage und Aktivkohlefiltration bis auf Direkteinleiterqualität gereinigt und der • In Versuchen konnte die Eignung einer Nanofiltration überwiegende Teil des gereinigten Wassers als univer- zur Behandlung von Abwässern aus der Textilindustrie selles Brauchwasser in der Produktion wieder verwen- bzw. eine Wasserkreislaufschließung durch Kombina- det [BRAUN ET AL. 1997]. tion von Ultra- und Nanofiltration sowie die Behand- 3.5.4.1 UF Textilindustrie, Drews Meerane GmbH Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2001 Ziele Wiederverwendung des gereinigten Abwassers Membranfläche 2.200 m2 Module getauchte Kapillarmembranen Permeatvolumenstrom ca. 34 m3/h Vorbehandlung Bogensieb Nutzen Reduzierung des Frischwasserverbrauchs und der Abwassermenge, Kosteneinsparung Die Drews Meerane GmbH betreibt eine Textilveredlung, Die geringer belasteten Abwässer werden durch ein anae- bei der hoch belastete Abwässer anfallen. Die CSB-Kon- rob-aerob-Verfahren mit anschließender Schlammabtren- zentrationen liegen zwischen 1.000 und 1.500 mg/l, und nung in einem Lamellenseparator (Abbildung 3-11) be- die Abwässer sind durch eine starke Farbigkeit gekenn- handelt. Das gereinigte Abwasser wird anschließend zur zeichnet, die durch gut wasserlösliche Azofarbstoffe her- kommunalen Kläranlage geleitet. vorgerufen wird. Die höher belasteten Abwässer werden zunächst in einem Das neue Konzept zum Wasser- und Abwassermanagement Anaerobreaktor behandelt, wobei die Azo- und andere sieht die getrennte Behandlung der höher und geringer Farbstoffe gespalten werden. Die Spaltprodukte sind sehr belasteten Abwasserteilströme vor. In der Abwasserbehand- viel kleiner und haben eine gelbliche Färbung oder sind lungs- und -aufbereitungsanlage werden täglich etwa farblos. 3 1.500 m Abwasser behandelt, wobei der Anteil der höher belasteten Abwässer ca. 60 % beträgt. Die CSB-Konzen- Danach erfolgt eine aerobe Behandlung des Abwassers. trationen in den höher belasteten Teilströmen betragen Im anschließenden Lamellenseparator wird der einge- ca. 1.400 mg/l, in den geringer belasteten Teilströmen dickte Schlamm abgetrennt und in den Anaerobreaktor ca. 1.100 mg/l. zurückgeführt. 187 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-11 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungs- und -aufbereitungsanlage bei Drews Meerane GmbH [nach ZENON GMBH 2004] Abwasserbehandlungsanlage Lamellenseparator Anaerobreaktor Aerobreaktor Brunnenwasser Rücklaufschlamm (RS) Abwasserbehandlungsanlage Rezirkulation (RZ) Membranstufe Lamellenseparator Anaerobreaktor Abfluss zur kommunalen Kläranlage Aerobreaktor Rücklaufschlamm (RS) aufbereitetes Abwasser Ozonung Gebläsestation Dem Lamellenabscheider ist eine Ultrafiltrationsan- Durch dieses Behandlungskonzept konnte die kommuna- lage mit getauchten Kapillarmodulen der Firma Zenon le Kläranlage um eine CSB-Fracht von rund 500 kg/d ent- nachgeschaltet, in der die vollständige Fest-Flüssigtren- lastet werden. Die Wirtschaftlichkeit der Aufbereitungs- nung realisiert wird. Die Membrananlage besteht aus sechs anlage im Vergleich mit einer konventionellen Abwasser- Kassetten des Typs 500c mit einer gesamten Membran- behandlungsanlage wird bei einer Recyclingquote von 2 fläche von 2.200 m . Bei der Behandlung der höher belas- ca. 26 % erreicht, wobei die tatsächlich erzielte Recycling- teten Abwässer mit dieser Verfahrenskombination wird quote sehr viel höher ist. ein CSB-Abbaugrad von 90 % erreicht. Ein Teil des Filtrats der Membrananlage wird nach einer Restentfärbung durch Das Vorhaben wurde von der Deutschen Bundesstiftung Ozon als Recyclingwasser mit einer durchschnittlichen Umwelt gefördert und erhielt im Jahr 2002 den Techno- CSB-Konzentration von 160 mg/l für Spül- und Reini- logieförderpreis 2002 der IHK Braunschweig. gungszwecke vorwiegend in der Textildruckerei eingesetzt. 188 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.4.2 MF Seidenweberei PONGS Membranverfahren Mikrofiltration Inbetriebnahme 2004 Ziele Wiederverwendung des Abwassers/Schließung von Wasserkreisläufen Membranfläche 320 m2 Module Doppeldeckmodule / Plattenmembranen Permeatvolumenstrom ca. 2,5 m3/h Vorbehandlung Schwingsieb Nutzen Erweiterung der Abwasserbehandlungskapazität, Einsparung von Frischwasser- und Abwasserkosten Die PONGS Textil GmbH produziert und veredelt am Angesichts steigender Produktions- und Abwassermengen Standort Mühltroff seit 1993 unter anderem großflächige sowie der daraus resultierenden Entsorgungskosten stand Spezialgewebe mit einer Breite von bis zu 6,20 m. Dafür der Textilbetrieb 1999 vor der Entscheidung, die Produk- werden geschlichtete Ketten- und Schussgarne verarbeitet. tion an einen anderen Standort zu verlagern oder ein Verfahrenskonzept umzusetzen, das die geforderte Reinigungs- Vor der Weiterverarbeitung wird die Rohware gewaschen, leistung trotz starker Frachtschwankungen im Abwasser um anhaftende Schlichtemittel sowie Wachse und Öle, sicherstellt und eine Wiederverwendung des gereinigten die in der Regel biologisch schwer abbaubar sind, zu ent- Abwassers zu einem hohen Anteil in der Produktion er- fernen. In Abhängigkeit der an der Rohware anhaftenden laubt. Stoffe (Schlichte) beträgt die Waschtemperatur zwischen 60 °C und 95 °C. Abb. 3-12 Umbau der Abwasserreinigungsanlage bei PONGS Textil GmbH; links: Umbau der bestehenden Tropfkörperanlage [Foto: A3 GMBH 2004]; rechts: neue Membranbelebungsanlage [Foto: A3 GMBH 2004] Membranbelebungsanlage 189 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Mit dem Ziel, die Umbaukosten der bereits bestehenden Der jetzigen Abwasserreinigungsanlage laufen täglich etwa Abwasserreinigungsanlage gering zu halten, wurde in den 60 m3 Abwasser mit CSB-Konzentrationen von 8.000 mg/l Jahren 1999-2000 die vorhandene Tropfkörperanlage zu bis 15.000 mg/l zu. Das Abwasser der Firma PONGS wird einer Membranbelebungsanlage umgestaltet (Abbildung in einem Misch- und Ausgleichsbecken gepuffert und 3-12). über ein Schwingsieb mit einer Trenngrenze von 100 µm der Membranbelebungsstufe zugeführt. Das Belebungsvo- Bis zu einer weiteren Kapazitätserhöhung im Jahr 2004 lumen beträgt 240 m3. Die Membrananlage besteht aus wurde diese als Kaskade ausgeführte Membranbelebungs- vier Doppeldeckmodulen (Plattenmodulen) der Firma A3. anlage betrieben. Sie bestand aus zwei in Reihe angeord- Die enthaltenen Membranen haben eine Porengröße von neten, intensiv belüfteten Behältern, von denen der zweite ca. 0,4 µm und weisen eine gesamte Fläche von 320 m2 mit getauchten Membranmodulen der Firma A3 ausge- auf. stattet war. Die Filtrationsleistung der Anlage konnte ohne eine chemische Reinigung der Membranmodule Das aufbereitete Abwasser wird zu einem hohen Anteil über Zeiträume von sechs Monaten aufrecht erhalten im Produktionsprozess wieder verwendet. Für die Wieder- werden. Das gereinigte Abwasser wurde je nach Bedarf zu verwendung des gereinigten Abwassers wurden von der einem großen Anteil als Brauchwasser im Textilbetrieb Firma PONGS CSB-Konzentrationen < 200 mg/l vorgege- eingesetzt oder in das Kanalnetz der Gemeinde abgeleitet. ben. Diese Vorgabe wird mit CSB-Ablaufkonzentrationen von weniger als 100 mg/l erreicht. Der Betrieb der Anlage zeigte, dass die Behandlung von Abwasser aus der Entschlichtung mittels Membranbelebungsverfahren technisch möglich und auch wirtschaftlich ist. Die aufgrund steigender Produktionskapazitäten notwendig werdende Kapazitätserweiterung wurde im Jahr 2004 ebenfalls mit dem Membranbelebungsverfahren realisiert. Abb. 3-13 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei der Fa. PONGS [nach A3 GMBH 2004] Membranstufe Produktionsabwasser Misch- und Ausgleichsbecken Schwingsieb 100 µm zur Produktion zur Kanalisation Gebläsestation 190 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.4.3 MF UF NF UO Textilveredlung Gerhard van Clewe GmbH & Co. KG Membranverfahren Mikrofiltration Inbetriebnahme 2001 Ziele Senkung der Entsorgungskosten und Einhaltung der Bedingungen für Indirekteinleiter Membranfläche 225 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 2,5 m3/h Vorbehandlung Flüssigpolymer- und Tonmineralzudosierung zur Teilchenvergrößerung (Verbesserung der Abscheidefähigkeit) Membranverfahren Ultrafiltration, Nanofiltration, Umkehrosmose Inbetriebnahme 1997 Membranfläche k. A. Module Keramische Rohrmodule (UF), Wickelmodule (NF und RO) Permeatvolumenstrom Gesamt 12 m3/h Vorbehandlung Siebfiltration (Discotrainer) vor der Ultrafiltration zur Abtrennung von Flusen und sonstigen gröberen Teilchen, Beutelfilter vor Nanofiltration Nutzen Einsparung von Brauchwasser und Kostenreduzierung auf der Abwasserseite In Hamminkeln-Dingden wurde 1954 die Firma Gerhard stiftung Umwelt, Osnabrück, gefördert und wissenschaft- van Clewe gegründet. 1973 erweiterte das Unternehmen lich durch die Universität Wuppertal begleitet wurde, seinen Betrieb durch eine Färberei. Heute sind insgesamt werden heute die zwei Teilströme aus der Färberei getrennt 190 Mitarbeiter mit der Ausrüstung und Veredlung texti- über die Membrananlage geführt. Mit Betriebsdrücken ler Flächen aller Art beschäftigt. zwischen 5,5 bar und 27 bar werden dabei maximal 12 m3/h Permeat gewonnen und als Recyclingwasser in In Textilveredlungsbetrieben fallen in den Produktionsbe- die Vorbehandlung und Färberei zurückgeführt. reichen Vorbehandlung, Färberei, Farbküche, Waschmaschinen und Appretur unterschiedliche Prozessabwässer Zur Aufbereitung des Teilstroms, der Abwässer aus der an, deren Entsorgung steigende Kosten verursacht. Um Baumwollfärberei und Maschenausrüsterei enthält, dient diese Kosten zu senken, wurde im Unternehmen van Cle- die dreistufige, im Crossflow-Verfahren betriebene Mem- we zunächst begonnen, den Wassereinsatz im Vered- brananlage. Sie besteht aus den Stufen Ultrafiltration lungsprozess soweit wie möglich zu reduzieren. Als Folge (Bau und Auslegung durch RIK, Dülmen), Nanofiltration stiegen jedoch die Konzentrationen im Abwasser an, und und Umkehrosmose. Zur Abtrennung von Flusen und die Grenzwerte für AOX und Schwermetalle zur Einlei- sonstigen gröberen Teilchen ist der Ultrafiltrationsstufe tung in die kommunale Kläranlage konnten nicht mehr eine Siebfiltration (Discotrainer) vorgeschaltet. In der eingehalten werden. Ultrafiltrationsstufe (Abbildung 3-14) trennen keramische Rohrmodule der Firma atech innovations gmbh feinparti- Basierend auf den Ergebnissen zahlreicher Versuche mit kuläre und gelöste, polymere Stoffe aus dem Abwasser- einer Pilotanlage wurde 1996 eine großtechnische Mem- strom ab. Das Filtrat wird über einen nachgeschalteten brananlage der Firma CSM Filtrationssysteme GmbH & Beutelfilter (Schutzfunktion) der Nanofiltration zugeführt. Co. KG, Bretten, in Betrieb genommen. Nach einer Erwei- In der Nanofiltrationsstufe wird eine Entfärbung und Teil- terung der Anlage 1997, die durch die Deutsche Bundes- entsalzung unter Einsatz von Wickelmodulen aus synthe- 191 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung tischem Polymer der Firma Osmonics erreicht. Die Haupt- der Firma BKT Burggräf GmbH gebaut wurde. Die Anlage salzmenge und der Großteil der CSB-Fracht des Abwassers wird im Crossflow-Verfahren betrieben und ist mit Rohr- werden durch Umkehrosmose mittels Wickelmodulen aus modulen (Microdyn Modulbau GmbH) aus Polymermem- Polymermembranen (Fa. Osmonics) entfernt. branen ausgestattet. Die gesamte Membranfläche von 50 m2 bewältigt einen Permeatvolumenstrom von 2,5 m3/h. Der zweite Teilstrom ist kleiner und geringer belastet und Die Rohrmodule werden periodisch rückgespült und ein- enthält Abwasser mit Pigmentfarbstoffen aus der Farbkü- mal pro Woche vollautomatisch chemisch gereinigt. che bzw. Farbbeschichtung, Abwässer aus den Spannrahmen sowie aus der Abluftreinigung der Spannrahmen. Das Permeat ist nach der Umkehrosmose farblos und ent- Nach einer Zudosierung von Tonmineralen und Koagulie- hält lediglich noch 3 % der ursprünglichen CSB-Fracht. rungsmitteln zur Vergrößerung der Partikel und Verbesse- Aufgrund dieser Qualität kann das Permeat aus der Mem- rung der Abscheidfähigkeit wird dieser Teilstrom seit An- brananlage (einstufig und dreistufig) als Prozesswasser fang 2001 über eine Mikrofiltrationsanlage gefahren, wieder verwendet werden. Dadurch wird eine Recycling- die durch MDS Prozesstechnik GmbH ausgelegt und von rate von bis zu 50 % des gesamten Abwassers des Veredlungsbetriebes erreicht. Das anfallende Konzentrat aller Stufen wird eingedampft, über Dünnschichttrockner Abb. 3-14 getrocknet und anschließend über eine Hausmüllverbren- Ultrafiltrationsanlage im Textilveredlungsbetrieb nung entsorgt. van Clewe [BÖTTGER 2001] Eine Rückspülung der Membranen ist lediglich für die Stufe der Ultrafiltration alle drei Minuten notwendig. Bei dieser Betriebsweise sind die Ultrafiltrationsmembranen seit sieben Jahren ohne Leistungsverlust (Stand August 2005) im Einsatz. Die Standzeiten der Membranen in Nanofiltration und Umkehrosmose betragen 1,5 Jahre. Eine Reinigung der Membranen ist lediglich zum Wochenende mit speziellen Membranreinigern erforderlich. Neben der Gewährleistung der Indirekteinleitebedingungen werden durch die Membrananlage Abwasserkosten in Höhe von ca. 50 % durch die Kreislaufführung des Prozesswassers eingespart. 192 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung UO 3.5.5 Faserindustrie, Vulkanfiber Membranverfahren Umkehrosmose Inbetriebnahme 1997 Ziele Kostengünstige Alternative zur Reduzierung der Spülwassermenge und Behandlung des zinkchloridhaltigen Abwassers Membranfläche 312 m2 Module Wickelmodule Permeatvolumenstrom 4 m3/h Vorbehandlung Vorfiltration Nutzen Einsparung von Fällungs- bzw. Flockungsmitteln, Frischwasser, Abwasser und Zinkchlorid Die Vulkanfiber ist ein vielseitiger Werkstoff aus nach- Die für den Produktionsprozess benötigte Spülwasser- wachsenden Rohstoffen. Sie wird aus ungeleimten Spezi- menge von ca. 30.000 m3 im Jahr und die Behandlung alpapieren aus Baumwoll-Linters und Zellstoff durch Ein- des zinkchloridhaltigen Abwassers mit herkömmlichen wirkung einer Zinkchloridlösung hergestellt und zeichnet Fällungs- und Flockungsverfahren verlangten nach sich durch Antistatik, Elastizität und geringes Gewicht aus. kostengünstigeren Alternativlösungen. Das Forschungsinstitut für Wasser- und Abfallwirtschaft e. V. (FiW) verglich Die 50 Mitarbeiter der Gelderner Ernst Krüger GmbH & in einer Vorstudie verschiedene Verfahren und stellte den Co. KG stellen unter anderem Dichtungen, Webführun- Kontakt zu Amafilter Deutschland GmbH her. gen und Stanzteile aus Vulkanfiber für die Automobil-, Elektro- und Textilindustrie her. Ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung ist das Auswaschen des Zinkchlorids in mehreren hintereinander geschalteten Waschbädern, wobei Abwasser mit einer Restkonzentration von Zinkchlorid anfällt. Abb. 3-15 Verfahrensfließbild der Prozesswasseraufbereitung in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [AMAFILTER 2001] Wasserbad Laugenbad Pergamentierbad 70% ZnCl2 Ausgleich Verluste 5m3/h Verdampfer Zinkchlorid Permeat 4 m3/h Umkehrosmose Konzentrat 1m3/h 193 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Seit 1997 werden aus dem anfallenden Abwasser sowohl Durch den gewährten Zuschuss in Höhe von 50 % eines Reinstwassser für Spülzwecke als auch eine hochwertige Förderprogramms 3) des Landes Nordrhein-Westfalen hat Zinkchloridlösung für das Prozessbad zurückgewonnen. sich die Anlage nach ca. vier Jahren amortisiert. Dies wird durch eine Vorfiltration mit nachgeschalteter Umkehrosmoseanlage (Amafilter Deutschland GmbH) Der Einsatz der Umkehrosmoseanlage in der kontinuier- erreicht, die im Ablauf des Wasserbades ständig im Einsatz lichen Vulkanfiber-Herstellung, der Anschluss weiterer ist (Abbildung 3-15 und Abbildung 3-16). Die Wickelmo- Abwasserströme und des Kühlwassers an die Umkehros- 2 dule mit einer gesamten Filterfläche von 312 m leisten moseanlage hat wirtschaftliche und ökologische Vorteile. unter einem Betriebsdruck von 25 bar einen Permeat- So verminderte sich durch die Wasserkreislaufschließung 3 Volumenstrom von 4 m pro Stunde. Der Praxisbetrieb die Abwassermenge im Betrieb um insgesamt 80 % und der hat gezeigt, dass die Standzeit der Membranen größer als Frischwasserbedarf um 90 % (jährlich etwa 18.000 m3). drei Jahre ist (bis zu sechs Jahre Standzeit). Bei dem ersten Dadurch sinken auch die Kosten für die Frischwasserauf- Membranwechsel wurde auf eine andere Membran umge- bereitung (Enthärtung von Brunnenwasser). stellt, was zu einer Kapazitätserhöhung führte. Außerdem werden Fällungs- und Flockungsmittel eingeDas Permeat der Umkehrosmose hat die Qualität von voll spart, und das Zinkchlorid verbleibt durch die gezielte entsalztem Wasser und kann dem Wasserbad wieder Wertstoffrückgewinnung im Kreislauf des Produktions- zugeführt werden. Das Retentat enthält das Zinkchlorid prozesses, was den zusätzlichen Bedarf an Zinkchlorid und wird im Laugenbad der Produktion wieder einge- minimiert. setzt. 3) Förderprogramm (1997 – 1999) „Initiative ökologische und nachhaltige Wasserwirtschaft NRW“ [MURL 1996] Abb. 3-16 Umkehrosmoseanlage in der Vulkanfiberfabrik Ernst Krüger GmbH & Co. KG [Foto: AMAFILTER] 194 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.6 UF Kunststoffindustrie, Troplast Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1998 Ziele Kreislaufführung von produktberührtem Kühlwasser Membranfläche 38 m2 Module Keramische Rohrmodule Permeatvolumenstrom Ca. 9,5 m3/h Vorbehandlung Grobfilter, Siebfilter, Kerzenfilter Nutzen Einsparung von Frischwasser und Reduzierung der Abwasserkosten Seit Anfang des 20. Jahrhunderts werden bei der HT Tro- Neben ökologischen bringt die Anlage auch wirtschaftli- plast AG in Troisdorf Spezial-Kunststoffe hergestellt. Heu- che Vorteile. Durch die Verringerung des Volumens und te beschäftigt das Unternehmen dort 1.500 Mitarbeiter, die Wasserkreislaufführung werden Abwasserkosten ein- davon ca. 180 im Unternehmensbereich Trosifol, in dem gespart und gleichzeitig Grundwasserressourcen geschont, Sicherheitsglas-Folien für die Automobil- und Bauindus- da der Wasserverbrauch zwischen 75 % und 80 % gesenkt trie hergestellt werden. Im Herstellungsprozess wird Tro- werden konnte. Des Weiteren hat die sichere und war- sifol, eine flexible Folie auf der Basis von Polyvinylbuty- tungsarme Prozessführung dazu beigetragen, dass sich die ralharz, gekühlt. Dabei gelangen ungelöste Weichmacher Anlage trotz der vergleichsweise hohen Investitionskos- (ölartig) in das Kühlwasser. ten von 348.000 Euro, die durch Vollautomatisierung und entsprechende Regeltechnik bedingt waren, bereits Zur Abtrennung der Weichmacher aus dem anfallenden nach 2,5 bis 3 Jahren amortisiert hat. Prozesswasser entschied sich das Unternehmen 1998 nach Untersuchung verschiedener Verfahren und Gesprächen mit der Firma Amafilter Deutschland GmbH für die Inbe- Abb. 3-17 triebnahme einer Ultrafiltrationsanlage, welcher ein Ultrafiltrationsanlage bei der HT Troplast AG Filter zur Abscheidung von Grobstoffen vorgeschaltet ist [Foto: HT TROPLAST] (Grobfilter, Siebfilter, Kerzenfilter). Die Ultrafiltrationsanlage ist mit keramischen Rohrmodulen der Firma atech innovations gmbh ausgestattet und wird durch einen Wärmetauscher zur Kühlung des Wassers ergänzt (Abbildung 3-17). Im Crossflow-Verfahren bewältigt die 38 m2 große Membranfläche unter einem Betriebsdruck von 4 bar stündlich einen Feed-Volumenstrom von 10 m3. 95 % des Zulaufvolumenstroms werden als Filtrat gewonnen und in den Wasserkreislauf zurückgeführt, das verbleibende Konzentrat wird über das Abwassersystem entsorgt. Es wird eine Standzeit der Membranen von mehr als zehn Jahren erwartet. 195 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.7 Wäschereien Das Abwasser aus Wäschereien kann mit gefährlichen Für Abwasser, das direkt in ein Gewässer eingeleitet wird Abwasserinhaltsstoffen belastet sein und wird heute über- und dessen Schmutzfracht im Wesentlichen aus dem wiegend mit oder ohne Vorbehandlung in kommunale Waschen von verunreinigten Textilien, Teppichen, Matten Kläranlagen eingeleitet. Vereinzelt gibt es noch Wäsche- und Vliesen in Betrieben und öffentlichen Einrichtungen reien, die das Abwasser ungeklärt in Vorfluter einleiten stammt, gilt Anhang 55 der Abwasserverordnung [ABWV [GUTSCH, HEIDENREICH 2001]. Zur Aufbereitung von 2002]. Für Abwasser aus der Chemischreinigung von Tex- gering belastetem Abwasser aus Wäschereien (z. B. aus der tilien, Teppichen und Waren aus Pelzen und Leder hat Wäsche von Krankenhaus- und Hoteltextilien) mit an- Anhang 52 der Abwasserverordnung [ABWV 2002] Gül- schließender Kreislaufführung kommen derzeit neben tigkeit. biologischen Reinigungssystemen und deren Kombinationen mit chemischen Fällungsverfahren vor allem Membranfiltrationsverfahren zur Anwendung [MENGE 2001]. Anlagen zur Kreislaufschließung in Wäschereien bestehen entweder aus einer Kombination von Mikrofiltration und Nanofiltration oder aus einem Umkehrosmosesystem [MENGE 2001]. 3.5.7.1 UF NF Wäscherei ALSCO Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2000 Ziele Abwasserbehandlung Membranfläche 44 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 6,5 m3/h Vorbehandlung Rüttelsieb Nutzen Vorbehandlung der Nanofiltration Membranverfahren Nanofiltration Inbetriebnahme 2000 Ziele Abwasseraufbereitung Membranfläche 180 m2 Module Wickelmodul Permeatvolumenstrom ca. 6 m3/h Vorbehandlung Ultrafiltration Nutzen Einsparung von Frisch- und Abwasserkosten 196 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Die Fa. ALSCO betreibt seit Mai 2000 eine gewerbliche Das Abwasser des Teilstromes „Blau- und Mattenwäsche“ Wäscherei am Standort Kaiserslautern. Das Wäscheauf- wird in einem unterirdischen Becken mit einer Größe kommen wird entsprechend dem Verschmutzungsgrad von ca. 5 m3 gesammelt. Von dort wird es zur Abtren- speziellen Maschinengruppen zugeordnet, so dass die nung von Flusen und sonstigen gröberen Teilchen über verschiedenen Abwasserteilströme separat erfasst und ein Rüttelsieb geführt. Nach dem Rüttelsieb wird das behandelt werden können (Abbildung 3-18). Abwasser über einen Kondensationskühlturm auf eine Temperatur von 38 °C gekühlt und in einen ca. 65 m3 fas- Das Abwasser aus dem Teilstrom „Matten/Blauwäsche“ senden, belüfteten Mengenausgleichsbehälter gefördert. setzt sich aus 30 m3/d Abwasser aus der Blauwäsche sowie Von dort wird das Abwasser dem ebenfalls 65 m3 fassen- 3 45 m /d aus der Mattenwäsche zusammen. Bei einem Be- den Belebungsreaktor zugeführt. trieb über 5 Tage in der Woche ergibt sich eine jährliche Abwassermenge aus der „Matten/Blauwäsche“ von Im Anschluss an die Belebungsstufe wird das Abwasser 18.750 m3. bzw. der Belebtschlamm in der Cross-Flow-Ultrafiltrationsanlage auf ca. 4 % Feststoffgehalt eingedickt. Im Mittel Der Teilstrom aus der„Weißwäsche“ stammt aus der Be- werden 10 m3/Monat als Nassschlamm in einer Kläranlage rufsbekleidungs-, Flach- und Handtuchwäsche und beträgt der chemischen Industrie entsorgt. ca. 95 m3/d. Dieses Abwasser wird gesammelt und einem Kühlturm zur Temperaturreduzierung zugeführt. Im An- Die Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 3-19) ist mit schluss erfolgt eine Neutralisationsstufe mittels CO2. Das vier Druckrohren je 11 m2 Membranfläche sowie zwei so gereinigte Abwasser der Weißwäsche wird über die Ka- Leerrohren für eine spätere Erweiterung ausgerüstet. Die nalisation einer kommunalen Kläranlage zugeführt. eingesetzten Membranmodule sind mit organischen Rohrmembranen der Fa. Berghof mit einem freien Strömungskanal von 10,2 mm bestückt. Der Permeatvolumenstrom beträgt ca. 6,5 m3/h. Abb. 3-18 Verfahrensschema der Abwasserbehandlung in der Wäscherei ALSCO [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Waschwasser Weißwäsche Sammelbecken Kühlturm Neutralisation Kanalisation Rezirkulation (RZ) Prozesswasserrückführung Blau- und Mattenwäsche Sammelbecken Rüttelsieb Kühlturm Mengenausgleichsbecken Belebungsbecken Ultrafiltration Gebläsestation Konzentratschlamm Nanofiltration Konzentrat zur Kanalisation 197 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-19 Membrananlage in der Wäscherei ALSCO [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] links: Ultrafiltrationsanlage; rechts: Gesamtanlage Die CSB-Konzentration im Abwasser der Matten/Blau- Die Kosten für die Reinigung der Ultrafiltrationsmem- wäsche beträgt im Mittel 2.800 mg/l und maximal branen betragen etwa 1 bis 2 Cent pro m3 Permeat. 5.000 mg/l. Im Permeat der Ultrafiltration liegen die CSBKonzentrationen zwischen 80 mg/l und 150 mg/l. Da im Die Standzeit der UF-Membranen ist mit vier bis sechs Waschprozess vollständig auf den Einsatz von Chlor- Jahren kalkuliert worden. Bei einer Standzeit von vier bleichlauge verzichtet wird, spielen AOX-Verbindungen Jahren werden Membranwechselkosten von ca. 15 Cent im Abwasser der Wäscherei ALSCO keine Rolle. Das Per- je m3 Abwasser erforderlich. meat der Ultrafiltration erfüllt die Anforderungen nach Anhang 55 der Abwasserverordnung und kann in die ört- Die spezifischen Betriebskosten der Ultrafiltrationsanlage liche Kanalisation eingeleitet werden. Der spezifische als Summe aus Energie-, Membranwechsel-, sowie Reini- Energieverbrauch der Ultrafiltrationsanlage beträgt etwa gungskosten betragen nach Angaben des Lieferanten der 3 4,0 kWh je m Permeat. Anlage (WEHRLE UMWELT GMBH) etwa 0,40 s/m3 Abwasser. Um die Frisch- und Abwasserkosten am Standort der Wäscherei ALSCO zu reduzieren, wird das über die Ultrafiltrationsanlage gereinigte Abwasser in einer einstufigen Nanofiltrationsanlage mit Wickelmodulen der Fa. Desal weiter aufbereitet. Das Permeat wird wieder als Waschwasser eingesetzt und das Konzentrat (10 bis 15 m3/d) unter Einhaltung der Indirekteinleitervorschriften und der örtlichen Abwassersatzung mit dem Abwasser der Weißwäsche in die kommunale Kläranlage abgeleitet. 198 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.7.2 UF NF Textilservice Mewa GmbH Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1998 Ziele Kreislaufführung von Waschwasser Membranfläche 60 m2 Module Keramikrohrmodule Permeatvolumenstrom ca. 4 m3/h Vorbehandlung Vorfiltration/Flusensieb Nutzen Reduzierung des Frischwasserbedarfs und Einsparung von Waschmitteln Membranverfahren Nanofiltration Inbetriebnahme 1998 Ziele Kreislaufführung von Waschwasser Membranfläche 135 m2 Module Wickelmodule Permeatvolumenstrom ca. 1,5 m3/h Vorbehandlung Ultrafiltration Nutzen Reduzierung des Frischwasserbedarfs Der Textilservice Mewa reinigt am Standort Groß Kienitz etc. Aufgrund gesetzlicher Auflagen wurde im Jahr 1997 stark verschmutzte Berufsbekleidung aus den Bereichen eine Verfahrensergänzung zur Behandlung der Abwässer Metallindustrie, Maschinenbau, Kraftfahrzeugbetriebe erforderlich. Vor der Indirekteinleitung in die öffentliche Abb. 3-20 Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage der Textilservice Mewa GmbH [nach ENVIRO CHEMIE 2004] Ultrafiltration 2 Konzentratspeicher Vorfiltration Puffer und Fällung Ultrafiltration 1 Konzentrat zur externen Verbrennung Nanofiltration Kanalisation 1,5 m2/h Recyclingwasser 1 für Vor- und Hauptwäsche 1,5 m2/h Recyclingwasser 2 für Spülwasser Hauptwäsche 199 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Kanalisation sind im Wesentlichen Schwermetalle und im Recyclingwasser können aber rund 20 % der Wasch- Kohlenwasserstoffe gemäß Anhang 55 der Abwasserver- mittel eingespart werden. ordnung zu entfernen. Das verbleibende Permeat der ersten Ultrafiltrationsstufe Seit 1998 wird am Standort der Wäscherei eine Aufberei3 wird in einer nachgeschalteten Nanofiltrationsanlage tungsanlage betrieben, mit der 100 m /d Wäschereiab- aus Wickelmodulen mit einer Membranfläche von 135 m2 wasser so weit gereinigt werden, dass eine Wiederverwen- weiter aufbereitet (Abbildung 3-22). dung im Waschprozess möglich ist. Abbildung 3-20 zeigt das Verfahrensschema der Aufbereitungsanlage. Pro Stunde werden ca. 1,5 m3/h Permeat erzeugt (Recyclingwasser 2). Das Recyclingwasser 2 ist soweit aufbereitet Das Abwasser wird über eine Vorfiltration und eine Fäl- (siehe Tabelle 3-4), dass es für Spülprozesse der Haupt- lung in die erste Ultrafiltrationsstufe geleitet, die aus wäsche eingesetzt wird und damit den Frischwasserbedarf sechs Modulen mit 47 Keramikstäben pro Rohrmodul weiter senkt. besteht (Abbildung 3-21). Die Gesamtrecyclingquote des anfallenden AbwasservoluDurch die Filtration über die gesamte Membranfläche menstroms beträgt mit dieser mehrstufigen Abwasserbe- von ca. 60 m2 wird ein Permeatvolumenstrom von etwa handlung etwa 70 %. 3 4 m /h erreicht. Etwa 30 % des Permeatvolumenstroms werden als Recyclingwasser 1 wieder eingesetzt. Das Recyclingwasser 1 muss den Anforderungen CSB < 1.000 mg/l und Restgehalt an Mineralölen < 20 mg/l genügen. Aufgrund der organischen Restbelastung kann es nur beschränkt für Waschprozesse in der Vor- und Hauptwäsche wiedereingesetzt werden. Durch den hohen Tensidanteil Abb. 3-21 Abb. 3-22 Ultrafiltrationsanlage in der Textilservice Nanofiltrationsanlage in der Textilservice Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] Mewa GmbH [Foto: ENVIRO CHEMIE 2004] 200 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Tab. 3-4 Qualität des Recyclingwassers 2 [ENVIRO CHEMIE 2004] Parameter Einheit CSB Konzentration mg/l 100 Leitfähigkeit µs/cm 500 Keime KBE/ml 100 3.5.8 Metall verarbeitende Industrie In der Metall verarbeitenden Industrie werden vorzugs- wird ein abwasserfreier Betrieb erreicht. Allerdings ist es weise Metall-, aber auch Nichtmetalloberflächen (soweit nicht möglich, einen abwasserfreien Betrieb „von der diese metallisiert werden) mit wässrigen Lösungen, Emul- Stange“ zu erwerben, da sowohl die Aufbereitungstechnik sionen, Aufschlämmungen, aber auch mit Salzschmelzen als auch die Fertigungshilfsstoffe, wie z. B. Reinigungsmit- behandelt (mechanisch, chemisch, elektrochemisch und tel, aufeinander abgestimmt und an die Produktionsanla- thermisch). Die dabei anfallenden Abwässer sind vielfältig, gen angepasst werden müssen [SPECHT 1997]. Umfang- vorwiegend mit anorganischen Inhaltsstoffen belastet reiche Vorversuche helfen, Fehler zu vermeiden und und durch ihren hohen Metallgehalt charakterisiert. Des Kosten zu sparen. Weiteren sind organische Stoffe wie Mineralöle, besonders in den Kühlschmiermitteln, Mineralfette, Lackbestandteile, Chlorkohlenwasserstoffe und andere Lösungsmittel enthalten. Für die Ableitung von Abwasser aus dem Metallgewerbe sind der Anhang 40 der Abwasserverordnung [ABWV 2002] bzw. die Anforderungen der Ortsatzung und Indirekteinleiterverordnung maßgebend. Die Einhaltung der Grenzwerte ist nur nach einer innerbetrieblichen Aufbereitung der Prozessabwässer möglich, anderenfalls müssen diese kostenintensiv als Sonderabfall entsorgt werden. Die Senkung von Kosten (für Entsorgung und Rohstoffe) ist in erster Linie auch die Motivation eines Unternehmens für den Kauf einer innerbetrieblichen Prozess- oder Abwasserbehandlungsanlage, die gleichzeitig einen Beitrag zum Umweltschutz leistet. Eine Möglichkeit zur Verringerung der Entsorgungsmenge und damit der Entsorgungskosten ist die Aufbereitung bzw. Aufkonzentrierung der flüssigen Abfälle mittels Membranfiltration und Vakuumverdampfung [SPECHT 1997]. Das gewonnene Permeat kann eventuell im Kreislauf geführt und erneut innerbetrieblich genutzt werden. Bei vollständiger Wiederverwendung des Permeats und des Konzentrats 201 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.8.1 UF Metall verarbeitende Industrie, Rasselstein Hoesch GmbH Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1999 Ziele Reduzierung der Abwasserbelastung mit Palmfett bzw. Reduzierung der Reinigungen der Entfettungsanlage und des Neuansatzes der Entfettungsbäder Membranfläche 4,56 m2 Module Keramische Rohrmodule Permeatvolumenstrom 1 m3/h (ca. 90 % des Feed werden als Filtrat gewonnen) Vorbehandlung Keine Nutzen Einsparung von Frischwasser und Chemikalien, Reduzierung der Abwassermenge und der Entsorgungskosten Die Rasselstein Hoesch GmbH mit Sitz in Andernach und Das erzeugte Filtrat (ca. 90 % des Feed) wird als saubere Produktionsstätten in Andernach und Dortmund nimmt Entfettungslösung direkt in das Bad zurückgeführt, wäh- eine Spitzenposition unter den europäischen Weißblech- rend das Konzentrat der Walzfettaufbereitung zugeführt herstellern ein. Weißblech ist kaltgewalztes Feinstblech mit und anschließend thermisch entsorgt wird. einer Dicke zwischen 0,12 mm und maximal 0,49 mm und wird in erster Linie als Verpackungsmaterial ver- Nach anfänglichen Betriebsschwierigkeiten zeigen sich die wendet. Vorteile der Anlage: Bei gleichbleibender Qualität des Prozessbades fallen durch die Kreislaufführung 9 m3 pro Stunde Beim Kaltwalzprozess wird Palmfett eingesetzt, das vor weniger Abwasser an, und gleichzeitig werden Trinkwas- der Weiterverarbeitung durch ein Entfettungsverfahren ser und Chemikalien eingespart. Des Weiteren ist die wieder entfernt werden muss. Das dabei entstehende Ab- Reduzierung der CSB-Fracht (um 24 %) und damit auch wasser ist durch das Palmfett organisch belastet. Diese der Entsorgungskosten zu nennen. Die Gesamtinvestition Abwasserbelastung, die in regelmäßigen Abständen not- von 358.000 Euro hatte sich nach weniger als zwei Jahren wendige Reinigung der Entfettungsanlage und der Neu- amortisiert. ansatz des Entfettungsbades benötigen erhebliche Mengen an Entfettungsmittel. Abb. 3-23 Ultrafiltrationsanlage im Unternehmen Rasselstein Diese Gründe führten 1999 in Zusammenarbeit mit der Membran-Filtrations-Technik-GmbH (MFT) zur Inbetriebnahme einer Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 3-23). Keramische Rohrmodule entfernen bei einem Betriebsdruck zwischen 6 und 8 bar den störenden Palmfettanteil in den Entfettungsbädern. Die 4,56 m2 große Ultrafiltrationsmembran bewältigt einen Feed-Volumenstrom von 1 m3 pro Stunde und wird automatisch alle 120 Stunden gereinigt (zuerst alkalisch, dann sauer und anschließend Spülung mit Wasser). Die Anlage läuft bereits seit sechs Jahren (Stand September 2005), wobei die Membranen nach fünf Jahren ausgetauscht wurden. 202 Hoesch [Foto: MFT GMBH] Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.8.2 UF Metall verarbeitende Industrie, Faurecia Betrand Faure Sitztechnik Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme Oktober 2000 Ziele Einsparung von Kosten durch Standzeitverlängerung der Entfettungsbäder und Gewährleistung einer gleichbleibenden Produktqualität Membranfläche 1,1 m2 Module Flachmembranen auf Edelstahlstützkörper gewickelt Permeatvolumenstrom 0,3 m3/h Vorbehandlung Fett- und Ölabscheidung Nutzen Einsparung von Frischwasser, Abwasser und Entfettungschemikalien sowie Reduzierung der Abwassergebühren Die Faurecia Autositze GmbH & Co. KG hat sich zu einer matisierungstechnik GmbH (Abbildung 3-24) geleitet internationalen Unternehmensgruppe entwickelt, welche wird. die Automobilindustrie beliefert. Die gesamte Faurecia Gruppe unterhält heute ca. 100 Werke in 25 Ländern. Im Die Ultrafiltrationsanlage trennt seit Oktober 2000 Werk Stadthagen fertigen ca. 800 Mitarbeiter Metallbe- weiteres Öl nach einem patentrechtlich geschützten schläge und Sitzkomponenten (Sitz- und Lehnengestelle) Crossflow-Verfahren über Rührorgane (Atec-Overflow- für die Automobilindustrie. System) ab. Die eingesetzten Flachmembranen aus Kunststoff mit einer Trenngrenze von 30.000 Dalton sind auf Die Beschichtung mit einer Kathodischen-Tauch-Lackie- Edelstahlstützkörper gewickelt. Die gesamte Filterfläche rung auf den Gestellen setzt eine vorherige Entfettung beträgt 1,1 m2 und leistet unter einem Betriebsdruck von mit speziellen Entfettungschemikalien voraus. Die von den Metalloberflächen entfernten Verunreinigungen gelangen in das Entfettungsbad und verringern kontinu- Abb. 3-24 ierlich die Reinigungsleistung, bis ein ausreichender Rei- Ultrafiltrationsanlage in der Fa. Faurecia, Bertrand nigungserfolg nicht mehr erreicht wird und das Entfet- Faure Sitztechnik GmbH & Co. KG [KASTEN 2001] tungsbad erneuert werden muss. Die Einsparung von Kosten durch die Verlängerung der Standzeit der Entfettungsbäder und Gewährleistung einer kontinuierlichen Qualität führten im Unternehmen Faurecia zum Einsatz einer Verfahrenskombination mit Membrantechnik. Zur Vorbehandlung des Abwassers aus der Entfettung der Sitzgestelle dient ein Becken, in welchem Fette und Öle aufschwimmen und schwere Schmutzpartikel und Metallschlämme gesammelt und durch eine separate Ablassvorrichtung wöchentlich separiert werden. Nach einer Verweildauer von drei Stunden ist der Ölgehalt in dem Öl-Wasser-Gemisch auf 0,2 % gesunken, welches dann in die Ultrafiltrationsanlage der Firma Atec Auto- 203 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 2 bar einen filtratseitigen Volumenstrom von 0,3 m3 pro Die Ultrafiltrationsanlage hat neben umweltrelevanten Stunde. Die Membranen werden wöchentlich zweimal auch wirtschaftliche Vorteile durch die Einsparung von gereinigt und nach ca. 12 Monaten ausgewechselt. Da Entfettungschemikalien, Wasser und Abwasser. Der Che- das Filtrat in den Prozesskreislauf zurückgeführt wird, mikalienbedarf reduziert sich um 85 %, der Wasserbedarf muss lediglich das anfallende Konzentrat entsorgt wer- um 90 %, und auch die Entsorgungskosten sind um 90 % den. Mit dieser Betriebsweise verlängerte sich die Stand- geringer, so dass sich die Anlage laut Berechnung des Ver- zeit der Entfettungsbäder von zwei Wochen auf sechs antwortlichen für Oberflächen- und Umwelttechnik in Monate. weniger als zwei Jahren amortisiert haben wird. 3.5.8.3 Metall verarbeitende Industrie, Galvanikbetrieb Rudolf Jatzke Membranverfahren Membran-Elektrolyse Inbetriebnahme 1993 Ziele Standzeitverlängerung der Elektrolytlösung und Reduzierung des Chemikalienverbrauchs Membranfläche 1) Ca. 0,25 m2 Module 2 Zellen pro Dialysator (Standard) Permeatvolumenstrom k. A. Vorbehandlung keine Nutzen Einsparung von Frischwasser, Reduzierung des Chemikalienbedarfs, Verringerung der Schwermetallschlammmenge 1) Die Ausbeute des Chromdialysators ist in erster Linie nicht von der Membrangröße abhängig, sondern von der Strommenge, und der begrenzende Faktor ist die Stromdichte. Wird diese zu groß, kommt es zur Zerstörung der Membran. In dem seit 1979 von Inhaber Klaus Wickbold geführten lich waren. Aus diesem Grund wurde in Zusammenarbeit Galvanikbetrieb Rudolf Jatzke in Bielefeld-Sennestadt mit der Universität Bielefeld und später mit der Universität- sind heute 14 Mitarbeiter im Bereich der technischen Gesamthochschule Paderborn mit Förderung der Bundes- Hartverchromung tätig. Die Werkstücke, welche zum Teil stiftung Umwelt, Osnabrück, eine Membran-Elektrolyse- Sonderanfertigungen für Auftraggeber aus allen Branchen Anlage (genannt Chromdialysator) entwickelt, die seit sind, werden durch die Verchromung gegen Verschleiß 1993 abwasserfrei arbeitet und zur Eisenrückgewinnung und Korrosion geschützt. Während des Verchromungs- und Chromoxidation dient. Durch diese Anlage der vorgangs gelangen durch Ätzen von der Werkstückober- Fa. Atotech erreichen die Chrombäder eine theoretisch fläche abgetragene Metallkationen, vor allem Eisen und unbegrenzte Standzeit. Chrom(III), in den Elektrolyten. Dies wirkt sich negativ auf die Anwendungsqualität aus und erfordert eine stän- Bei der Membran-Elektrolyse finden sowohl ein Trans- dige Reinigung bzw. eine regelmäßige Entsorgung und port geladener Teilchen durch ionenselektive Membranen einen Neuansatz der hochgiftigen Lösungen. als auch Elektrodenreaktionen wie Reduktion bzw. Oxidation statt (siehe Abbildung 3-25). Bisher wurde für die Reinigung der Lösung ein Kationenaustauscher eingesetzt, wobei jedoch große Mengen Die ionenselektive Membran trennt den Anolyten (Chrom- schwermetallbelastetes Abwasser anfielen, zu deren Ent- säure) vom Katholyten (Polycarbonsäure). Nur die Katio- sorgung wiederum große Mengen Chemikalien erforder- nen, wie z. B. die metallischen Verunreinigungen, kön- 204 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-25 Als Ergänzung zur Membran-Elektrolyse-Anlage ist die Funktionsweise der Membran-Elektrolyse Fa. Jatzke mit einem computergesteuerten Kühlwasserkreis- [SCHMIDT 2002] lauf und einer Vakuumverdampfung für das Spülwasser ausgestattet. Die Fa. Jatzke wurde im Jahr 2000 mit dem ersten Preis der Effizienz-Agentur NRW (EFA) für produktionsintegrierten Umweltschutz ausgezeichnet. Kathode Fe3+ Cu2+ Cr 6+ Zn2+ Cr 3+ Ni2+ (Cr3+) Chrombad (Anolyt) Metallische Verunreinigungen Anode Membran nen die Membran passieren. Aufgrund der angelegten Spannung werden die Kationen durch die Membran zur Kathode transportiert und dort reduziert und als Metall abgeschieden. Gleichzeitig wird das im Verchromungsprozess reduzierte Chrom (Cr 3+ ) an der Anode oxidiert (Cr 6+ ) und in den Kreislauf zurückgeführt. Da diese Oxidation schneller abläuft als der Ionentransport Richtung Kathode, passiert nur ein sehr kleiner Anteil des Chroms die Membran. Gegenüber der vorher eingesetzten Kationenaustauscheranlage wird der jährliche Wasserverbrauch um 28.000 m3 und der Chemikalienbedarf um 25.000 kg gesenkt. So werden jährlich nur noch 750 kg unbedenklicher Zitronensäure statt 10.000 Liter Schwefelsäure eingesetzt und 7,5 t Schwermetallschlamm vermieden. Neben diesen umweltrelevanten Vorteilen resultiert aus der Umstellung auf kontinuierliche Beschichtungsverfahren bei gleichzeitiger Qualitätssicherung eine Reduzierung des jährlichen Stromverbrauchs um 10 %. Im Jahr 1997 wurde für das Membran-Elektrolyse-Verfahren ein Europäisches Patent erteilt. Die Membran-Elektrolyse ist nicht nur für Chrombäder, sondern für eine große Anzahl weiterer Verfahren (Chromatierungen, Beizen) anwendbar. 205 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.8.4 UF UO Metall verarbeitende Industrie, Wieland Werke AG Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1998 Ziele Wassereinsparung Membranfläche 44 m2 Module Kapillarmodule Permeatvolumenstrom bis 6 m3/h Vorbehandlung Papierbandfilter, Kerzenfilter Nutzen Einsparung von Frischwasser und Reduzierung der Abwassermenge Membranverfahren Umkehrosmose Inbetriebnahme 2001 Ziele Wassereinsparung Module Kissenmodule Permeatvolumenstrom ca. 24 m3/d Vorbehandlung Ultrafiltration Nutzen Einsparung von VE-Wasser und Reduzierung der Abwassermenge Das Werk Langenberg der Wieland-Werke AG ist ein Kalt- des Landes Nordrhein-Westfalen 4) ein durch ausführliche walzbetrieb, in dem 361 Mitarbeiter mit der Weiterverar- Pilotierung bestätigtes Konzept zur Wasser-Einsparung beitung von Vorwalzbändern aus Kupfer und Kupferlegie- realisiert. Gemäß diesem wird das Abwasser aus den rungen zu Fertigprodukten von hochwertiger Qualität Bürstmaschinen nach Durchlauf eines Papierband- und (u. a. für die Elektronikindustrie) beschäftigt sind. Kerzenfilters mit Ultrafiltration im Dead-End-Betrieb gereinigt. Jede der in dieses Konzept eingebundenen vier Nach jedem Walzen werden den Bändern in Glüh- und Bürstmaschinen bildet mit einer Ultrafiltrationsanlage Beizanlagen die notwendigen Eigenschaften verliehen. (Abbildung 3-26) einen internen „örtlichen“ Wasserkreis- Anschließend reinigen Bürstmaschinen mechanisch die lauf. Die pro Anlage installierten Kapillarmodule von X- Oberfläche der Bänder. Das Abwasser aus diesen Bürstma- Flow haben eine gesamte Filterfläche von 44 m2 und pro- schinen (ca. 80 m3/h) wurde früher zusammen mit ande- duzieren bei einem transmembranen Druck von bis zu ren Betriebsabwässern durch Neutralisation, Fällung/Flo- max. 1 bar bis zu 6 m3 Filtrat pro Stunde. Dieses Filtrat ckung und Kiesfiltration aufbereitet und ein Teilstrom wird wieder in den Bürstmaschinen eingesetzt. hiervon in den Betrieb zurückgeführt. Stündlich mussten jedoch noch 46 m3 Abwasser über die öffentliche Kanali- Das partikelhaltige Rückspülwasser (je Anlage 0,5 m3/h) sation abgeleitet und durch frisches Wasser aus einem aus der Rückspülung der Ultrafiltrationsanlage wird dem Fließgewässer ersetzt werden. betriebsinternen Wasserkreislauf zugeführt. Dadurch verringern sich die Wassermenge im Betriebskreislauf, der Im Jahr 1998 wurde im Werk Langenberg in Kooperation Frischwasserbedarf sowie der Verbrauch an Neutralisa- mit der Dr.-Ing. Peters Consulting für Membrantechnolo- tions- und Fällungsmitteln bei der Abwasserbehandlung gie und Umwelttechnik (CMU), Neuss, und der RWW um 60 %. Der anfallende kupferhaltige Schlamm wird in Wassertechnologie GmbH, Nettetal, sowie einem Zuschuss der Hüttenindustrie verwertet. 4) Förderprogramm (1997 – 1999) „Initiative ökologische und nachhaltige Wasserwirtschaft NRW“ 206 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-26 Die Anwendung der Ultrafiltration im Dead-End-Betrieb Ultrafiltrationsanlage im Werk Langenberg und der Niederdruck-Umkehrosmose im vorgestellten der Wieland Werke AG [MUNLV 2001] Unternehmen ist erstmalig für ein Nichteisen-Kaltwalzwerk und stellt in dieser Branche eine Verbesserung des Standes der Technik dar. Die umweltrelevanten Investitionen (229.800 Euro, vom Land NRW mit 100.000 Euro bezuschusst) bringen Vorteile: Neben der Abwassermenge, die jetzt nur noch ca. 4 m3/h beträgt, wurde auch der Wasserverbrauch durch die interne Kreislaufführung deutlich (bis zu 90 %) reduziert. Des Weiteren werden durch den Einsatz der Ultrafiltration sowie der Niederdruck-Umkehrosmose die partikulären und gelösten Stoffe aus den einzelnen Wasserkreisläufen weitestgehend entfernt, so dass durch die verbesserte Wasserqualität eine zuverlässig reproduzierbare hohe Reinheit der Oberflächen der Endprodukte erreicht wird. Nach erfolgreichem Abschluss einer durch ROCHEM UFSysteme GmbH, Hamburg, und CMU, Neuss, begleiteten Pilotierungsphase zur Entsalzung des Filtrates aus diesen Ultrafiltrationsanlagen mittels Niederdruck-Umkehrosmose wurden in 2001 die Wasserkreisläufe an den Bürstmaschinen durch entsprechende Anlagen erweitert. Diese sind mit dem FM (Flach-Membran)-Modul ausgerüstet, einem Kissenmodul. Das Permeat ist weitestgehend entsalzt und trägt zur Einsparung von hochpreisigem, vollentsalztem (VE-) Wasser für den Nachspülvorgang bei. 207 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.9 Lackwasseraufbereitung 3.5.9.1 UF Lackwasseraufbereitung DaimlerChrysler Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1998 Ziele Reduzierung der Entsorgungskosten für Lackschlämme Membranfläche 30 m2 Module Plattenmodule Permeatvolumenstrom 1,0 – 1,4 m3/h Vorbehandlung Vorfiltration, chemische Konditionierung Nutzen Einsparung von Lack, Reduzierung von Transportwegen durch Wegfall von Lackschlamm Im Werk Düsseldorf der DaimlerChrysler AG sind 5.400 Verfahren die Hälfte des Lacks als „Overspray“ neben die Mitarbeiter an der Herstellung von Transportern beteiligt. Karosserie. Dieser musste als ausgeflockter und entwässer- Für die Lackierung der Fahrzeug-Karosserie werden insge- ter Lackschlamm kostenintensiv entsorgt werden. samt drei Lackschichten in jeweils gesonderten Prozessen aufgetragen. Die zweite Lackschicht, der sogenannte Durch die Umstellung des Lackier-Verfahrens wurde der Füller, federt Steinschläge ab und gleicht kleine Unregel- Anteil des Overspray deutlich reduziert und gleichzeitig mäßigkeiten im Blech aus. ein wasserlöslicher Lack eingesetzt, der im geschlossenen Kreislauf geführt und durch ein Lackrecycling-Verfahren Beim Aufsprühen des Füllers auf die Karosserie über ein wieder verwertbar wird. druckluftbetriebenes Handsprühsystem geriet im früheren Wichtiger Bestandteil der 1998 in Betrieb genommenen Recyclinganlage (Fa. Eisenmann Lacktechnik KG) für Abb. 3-27 wasserlösliche Lacke ist neben einer Vorfiltration und che- Ultrafiltrationsanlage bei DaimlerChrysler in mischen Konditionierung die Ultrafiltrationsanlage Düsseldorf [HARMEL 2001] (Abbildung 3-27). Darin trennen Plattenmodule aus Polymermembranen (Firma Rhodia) bei einem Betriebsdruck zwischen 3,5 und 4,5 bar die Lackpartikel von der Wasserphase. Abhängig vom Feststoffanteil bewältigt die 30 m2 große Membranfläche stündlich einen Permeatvolumenstrom zwischen 1.060 und 1.400 l. Nach ein bis zwei Wochen werden die Membranen gespült und einmal jährlich mechanisch gereinigt. Pro Jahr werden 10 Prozent der Membranfläche ausgewechselt. Das gewonnene Filtrat wird zur Qualitätsverbesserung des System-Umlaufwassers verwendet, während das Konzentrat als recycelter, vollwertiger Lack erneut zur Lackierung der Karosserien eingesetzt wird. 208 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Der Einsatz der Membrantechnik für das Lackrecycling zusätzlich Transportwege eingespart werden. Neben dem zeigt, dass ökologische Vorteile gleichzeitig auch von umweltrelevanten Aspekt sind diese Einsparungen so ökonomischem Nutzen sein können. Jährlich werden groß, dass sich die Investitionen von rund 358.000 s durch die Wiederaufbereitung ca. 30 t Lack eingespart. nach voraussichtlich dreieinhalb Jahren amortisiert Außerdem entfällt die Entsorgung der bisher angefallenen haben werden. 50 t Lackschlamm (70 % dieser Lackierlinie), wodurch NF 3.5.9.2 Lackwasseraufbereitung aus der Ersatzteilfertigung im Ford Werk Köln Membranverfahren Nanofiltration Inbetriebnahme 2001 Ziele Wertstoffrückgewinnung und Wiedereinsatz von Permeat und Konzentrat im Produktionsprozess Membranfläche k. A. Module k. A. Permeatvolumenstrom ca. 2 m3/h Vorbehandlung Feinsieb Nutzen Geringerer Frischwasserverbrauch, geringere Frachten im Abwasser, reduzierte Chemikalienkosten, Senken der Gesamtkosten Abb. 3-28 Verfahrensschema der Lackierung [IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] 1. Schritt: Entfettung 2. Schritt: Phosphatierung 3. Schritt: Lackierung zu lackierende Autoteile Entfettung Spülbäder Phosphatierung UF Spülbäder KTL Spülbäder NF RO UF Konzentrat zur Einleitung 209 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-29 Im Anschluss an die Entfettung werden die Fahrzeugteile Nanofiltrationsanlage im Ford Werk Köln einer Phosphatierung unterzogen und anschließend ge- [Foto: IMB + FRINGS WATERSYSTEMS GMBH 2004] spült. Die Prozessabwässer aus der Spülung werden bereits seit 2001 über eine Nanofiltrationsanlage aufbereitet, um Schwermetalle und Phosphate zu recyceln. Das Konzentrat wird wieder in der Phosphatierung eingesetzt und das Permeat mit Additiven zur Spülung der Automobilteile nach der Entfettung verwendet. Über die Nanofiltrationsanlage (Abbildung 3-29) werden rund 2 m3/h Prozessabwässer behandelt. Die Standzeit der Membranen beträgt etwa drei Jahre. Durch den Betrieb der Nanofiltrationsanlage konnten der Frischwasserverbrauch gesenkt, die Abwasserfrachten reduziert und der Chemikalieneinsatz verringert werden. Die Gesamtkosten des Prozessablaufs konnten so um 15 % gesenkt werden. Das vorgestellte Verfahrenskonzept sieht als abschließen- Die Behandlung und das Recycling einzelner Prozesswas- den Schritt auch die Kreislaufführung des Anolyten in der serströme bietet sich in der Automobilindustrie an, da Lackierung (kathodische Tauchlackierung – KTL) mittels kleine Volumenströme effektiv behandelt und zusätzlich ein- oder mehrstufiger Umkehrosmose und die Standzeit- Wertstoffe zurück gewonnen werden können. Diese Wert- verlängerung der KTL-Bäder durch die Aufbereitung der stoffe sind u. a. in den Prozesswasserströmen enthalten, Badflüssigkeit mittels einer Ultrafiltrationsanlage vor. Die die bei der Lackierung von Automobilteilen anfallen. Realisierung dieser Maßnahmen zur weiteren Reduzierung des Frischwasserbedarfs und zur Senkung des Che- Für die Ersatzteilfertigung der Ford Werke GmbH in Köln wurde von der Firma imb + frings watersystems gmbH in Kooperation mit der Henkel Surface Technologies ein Verfahrenskonzept zum Wasser- und Wertstoffrecycling für Prozesswasserströme aus der Lackierung erarbeitet, das schrittweise umgesetzt wird. Das Konzept sieht vor, die Prozesswässer aus der Entfettung, der Phosphatierung und der Lackierung jeweils separat zu behandeln (Abbildung 3-28). Die Behandlung der Abwässer aus der Phosphatierung mittels Nanofiltration ist bereits umgesetzt. Die Prozessabwässer aus dem Entfettungsbad zur Reinigung der Oberflächen der Fahrzeugteile sollen über eine Ultrafiltrationsanlage aufbereitet und das gewonnene Permeat zur Spülung wieder eingesetzt werden. Dadurch kann der Frischwasser- und Chemikalieneinsatz reduziert werden. Das anfallende Konzentrat wird als Abwasser abgeleitet. 210 mikalieneinsatzes ist geplant. Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.10 UF Pharmazeutische Industrie, Schering Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2003 Ziele Optimierte Abwasserbehandlung nach dem Stand der Technik Membranfläche 15.840 m2 Module Kassetten/Kapillarmembranen Permeatvolumenstrom ca. 150 m3/h Vorbehandlung Vorklärung Nutzen Reduzierung der Abwasserkosten Der Grundstein der Firma Schering wurde 1851 von Ernst Um eine nach dem Stand der Technik und den Erforder- Schering im Norden von Berlin mit der Eröffnung der nissen des Gewässers zur Renaturierung entsprechende „Grünen Apotheke“ gelegt. Heute beschäftigt die Sche- Abwasserbehandlung zu gewährleisten, wurden die Mög- ring AG rund 26.000 Mitarbeiter in 140 Tochtergesell- lichkeiten einer eigenen Kläranlage nach dem Membran- schaften mit dem Schwerpunkt der Entwicklung und Pro- belebungsverfahren durch die Schering AG erprobt und duktion von Arzneimitteln. als ökonomisch und ökologisch effektiv ermittelt. Seit 2003 ist diese derzeit bundesweit größte Membrananlage Am Standort Bergkamen werden Wirkstoffe zur Arznei- zur Reinigung industrieller Abwässer in Betrieb (siehe mittelproduktion hergestellt. Aufgrund einer wechselnden, Abbildung 3-30). Das gereinigte Abwasser wird seit dem chargenweisen Produktion schwankt die Zusammenset- 1. Juli 2004 direkt eingeleitet. zung des Abwassers stark. Das Abwasser wurde bis zum Jahr 2003 nach einer Vorklärung und Pufferung in einem In der Membranbelebungsanlage am Standort Bergkamen Misch- und Ausgleichsbecken zur nahe gelegenen kom- werden im Schnitt 3.500 m3 Abwasser am Tag behandelt, munalen Kläranlage geleitet. das wie in Tabelle 3-5 dargestellt, beschaffen ist. Abb. 3-30 Luftaufnahme der Kläranlage bei der Schering AG [Fotos: SCHERING AG 2004] links: Gesamtansicht; rechts: Seitenansicht der Membrananlage 211 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Tab. 3-5 Zulaufkonzentrationen, Einleitungsgrenzwerte und Betriebswerte der Anlage bei der Schering AG [SCHERING AG 2004] Parameter Einheit Zulauf (im Mittel) Grenzwerte zur Einleitung* Betriebswerte > 90 % Reduktion Anforderungen eingehalten CSB mg/l 3.500 BSB5 mg/l 1.500 Nges mg/l 95 < 50 mg/l Anforderungen eingehalten Pges mg/l 8 < 2 mg/l Anforderungen eingehalten unter Nachweisgrenze * gemäß § Anhang 22 AbwV Abb. 3-31 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Schering AG in Bergkamen [nach SCHERING AG 2004] Membranstufe Denitrifikation Abwasser Nitrifikation Neutralisationsund Vorklärstufe Pufferbecken Vorfluter Notauffangbecken Rezirkulation (RZ) Überschussschlamm Schlammspeicher Das Verfahren der Abwasserbehandlung zeigt Abbildung Die Belebungsstufe mit einem Gesamtvolumen von 9.000 m3 3-31. Die erste Stufe besteht aus zwei in Reihe geschalteten ist dreistraßig mit vorgeschalteter Denitrifikation, Nitrifi- Vorklärbecken mit jeweils 1.000 m3 Beckenvolumen, in kation und anschließender vierstraßiger Membranstufe denen das Abwasser neutralisiert, Fällungs- und Flockungs- ausgeführt. Für die Ultrafiltration stehen in der Membran- mittel zudosiert sowie die Feststoffe und die Fällungspro- anlage 36 Membrankassetten des Typs ZW 500c der Firma dukte abgeschieden werden. Zenon (Abbildung 3-32) mit einer gesamten Membran- 212 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung fläche von 15.840 m2 zur Verfügung. Das gereinigte Ab- Abb. 3-32 wasser wird im Anschluss an die Membranfiltration in Membranmodul bei der optischen Überprüfung den Vorfluter eingeleitet. [Foto: SCHERING AG 2004] Für die Stapelung des Überschussschlammes wurden zwei belüftete Schlammspeicher mit einem Gesamtvolumen von 1.700 m3 errichtet. Als Notauffangbecken stehen heute drei Becken mit insgesamt 20.500 m3 Volumen zur Verfügung. Die Investitionen für den Neubau der Anlage, im Wesentlichen der Belebungsbecken und der Membrananlage, betrugen rund 10 Mio. Euro, wovon 1,6 Mio. Euro vom Land NRW als Fördergelder bewilligt wurden. 3.5.11 Sonstiges 3.5.11.1 Deponiesickerwässer Eine der wesentlichen Emissionen einer Siedlungsabfalldeponie ist neben Gas und Geruch das Deponiesicker- • die Kombination aus biologischer Stufe und Oxidation bzw. Aktivkohle (Abbildung 3-33) und wasser, welches erstmals 1986 bei der Novellierung des WHG als „behandlungsbedürftiges Abwasser“ definiert • die Kombination aus Umkehrosmose, Hochdruckum- wurde [HENß, OPITZER 1995]. Es ist in der Regel hoch kehrosmose, ggf. Nanofiltration und Reststoffentsor- mit organischen und anorganischen Inhaltsstoffen belas- gung. tet, wobei die Belastung zeitlich sehr stark schwanken kann. Neben diesen genannten Verfahrenvarianten sind weitere im Einsatz, z. B. die Erweiterung der biologischen Vorbe- Für die Behandlung von Sickerwasser zur Erzeugung eines handlung aus Punkt eins um eine integrierte Membran- einleitfähigen Permeats (Abwasserverordnung, Anhang stufe. 51 [ABWV 2002]) gibt es vielfältige Verfahren bzw. Verfahrenskombinationen [ATV 1993, VDMA 1994], da ein Das Umkehrosmoseverfahren zur Sickerwasseraufberei- einzelnes Verfahren meist nicht das gewünschte Ergebnis tung gehört zum Stand der Technik [ATV 1993]. Der erzielen kann. langjährige Dauerbetrieb zahlreicher großtechnischer Anlagen weist nach, dass mit der Umkehrosmose die im In den letzten Jahren haben sich zwei Verfahrenskombi- Sickerwasser gelösten organischen und anorganischen nationen zur Behandlung und Aufbereitung von Depo- Inhaltsstoffe mit vergleichsweise geringem Gesamtauf- niesickerwasser herauskristallisiert [PETERS 1996]: wand zu 98 bis 99 % abgetrennt werden können, wenn 213 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-33 Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser ohne Einsatz der Membranverfahren [ROSENWINKEL, BAUMGARTEN 1998] Kohlenstoffquelle Energie Überschussschlamm Oxidation (Ozon) Rohsickerwasser Biologische Vorbehandlung Gereinigtes Sickerwasser Aktivkohle Regeneration Abb. 3-34 Verfahrenskombination nach dem Stand der Technik zur Behandlung von Deponiesickerwasser unter Einsatz der Membranverfahren mit und ohne biologische Vorbehandlung [ergänzt nach ROSENWINKEL, BAUMGARTEN 1998] Kontrollierte, zeitlich und örtlich begrenzte Infiltration in den Deponiekörper Konzentrat Verbrennung Eindampfung Trocknung Einbindung Oxidation Aktivkohle Rückführung Rohsickerwasser Entsorgung Membranverfahren Biologische Vorbehandlung Reststoff Gereinigtes Sickerwasser (Umkehrosmose/Nanofiltration) Kontrollierte, zeitlich und örtlich begrenzte Infiltration in den Deponiekörper Reststoff Stickstoffverbindung Konzentrat Stickstoffausschleusung Eindampfung Verbrennung Aktivkohle Einbindung Rückführung Rohsickerwasser 214 Kiesfilter Reststoff Entsorgung Membranverfahren (Umkehrosmose) Gereinigtes Sickerwasser Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung problemadaptierte Modul- und Anlagensysteme verwen- Bei Einsatz der Membrantechnik gibt es drei Alternativen det werden [PETERS 1998, PETERS 2000]. Betriebsergeb- zur Entsorgung der Sickerwasserkonzentrate [PETERS nisse halb- und großtechnischer Membrananlagen zur 2000]: Sickerwasserbehandlung wurden von BAUMGARTEN [1998] dokumentiert und ausgewertet. Untersuchungen • Verbrennung des Konzentrats in entsprechend ausgerüs- von THEILEN [2000] zeigen, dass eine Kombination aus teten und zertifizierten Anlagen für die Entsorgung herkömmlicher Filtration (Beutel- oder Kerzenfilter) und hochbelasteter Flüssigkeiten einer oder zwei Membranstufen sehr gut zur Behandlung von Rohsickerwasser geeignet ist. Mit einer ersten Mem- • Einbindung des Konzentrats mit verschiedenen Materi- branstufe (z. B. Kissen- oder Rohrmodule) und der even- alien mit anschließender Ablagerung der trockenen tuell erforderlichen zweiten Stufe (Kissen- oder Wickel- Reststoffe auf der Deponie module) kann aus dem hoch belasteten Sickerwasser ein Permeat produziert werden, welches annähernd Oberflä- • Kontrollierte zeitlich und örtlich begrenzte Konzentrat- chenwasserqualität besitzt. Verfahrenskombinationen zur Infiltration in den Deponiekörper, um den biochemi- Behandlung von Deponiesickerwasser unter Einsatz der schen Abbauprozess der organischen Abfallstoffe zu Membranverfahren (Umkehrosmose, Nanofiltration) mit verbessern und die angestrebte Immobilisierung des und ohne biologische Vorbehandlung nach dem Stand organischen Materials zu beschleunigen der Technik zeigt Abbildung 3-34. Die letztgenannte Lösung führt zu einer erhöhten GasMembranverfahren erreichen jedoch auch bei der Sicker- produktion und damit zu einer beschleunigten Abnahme wasserbehandlung Grenzen durch das Auftreten irrever- des organischen Anteils in einer Deponie. Umfangreiche sibler Deckschichten auf der Membran. Da die Sickerwas- Untersuchungen und langjährig gesammelte Erkennt- sermatrix sehr komplex ist, können diese Verfahrensgren- nisse und Erfahrungen auf Deponien, die mit der kon- zen nicht auf der Basis von Analyseergebnissen bestimmt trollierten Infiltration betrieben werden, bestätigen, dass werden, sondern müssen individuell für jedes Sickerwas- langfristig keine auffallenden Veränderungen im abflie- ser in Versuchen vor Ort neu bestimmt werden [ROSEN- ßenden Sickerwasser festzustellen sind [PETERS 2000]. WINKEL, BAUMGARTEN 1998]. 215 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.11.1.1 UO Deponie Alsdorf-Warden Membranverfahren zweistufig: Umkehrosmose, Hochdruckumkehrosmose Inbetriebnahme 1999 Ziele Gewährleistung der Sickerwasserreinigung und damit Sicherung der Deponie Membranfläche ca. 460 m2 Module Scheiben-Rohr-Module (disc tube module) Permeatvolumenstrom ca. 4,8 m3/h Vorbehandlung Kiesfilter zur Grobstoffabscheidung und Kerzenfilter Nutzen Gewährleistung der Sickerwasserreinigung Das Unternehmen Abfallwirtschaft Kreis und Stadt Aachen Die zweistufige Umkehrosmoseanlage (Abbildung GmbH (AWA) betreibt die Zentraldeponie Alsdorf-Warden 3-35) zur Sickerwasserreinigung wird im sogenannten (Inbetriebnahme 1976), auf der heute nur noch anorga- O & O-Verfahren (Own and Operate) von der Firma Pall nische Abfälle abgelagert werden. Das Einzugsgebiet um- seit 1999 betrieben. fasst den Kreis und die Stadt Aachen. Im Rahmen ihrer Leistungsfähigkeit nimmt die Zentraldeponie auch Inert- Beide Stufen sind mit Scheiben-Rohr-Modulen, soge- stoffe externer Körperschaften an. nannten DT-Modulen (disc tube module der Firma Pall), ausgestattet. Zum Schutz der Anlage sind ein Kiesfilter Zur Behandlung des Deponiesickerwassers werden zwei zur Grobstoffabscheidung und ein Kerzenfilter vorgeschal- Anlagen eingesetzt, von denen hier die zweistufige Um- tet. Die Membrananlage enthält insgesamt 60 Module, kehrosmoseanlage beschrieben wird, welche die Entsor- von denen 44 auf die Sickerwasserstufe, 13 auf die erste gung der Deponie sicherstellt. Konzentratstufe (120 bar) und drei auf die zweite Konzentratstufe (150 bar) entfallen. Jedes Modul weist eine Membranfläche von ca. 7,6 m2 auf, so dass insgesamt eine Membranfläche von ca. 460 m2 zur Verfügung steht. Derzeit werden mit der Anlage 5 m3/h Sickerwasser Abb. 3-35 behandelt, von denen 92 bis 95 % als Permeat gewonnen Umkehrosmoseanlage auf der Deponie werden. Das Permeat wird zur Kläranlage geleitet und das Alsdorf-Warden [MAURER 2001] Retentat extern entsorgt. Bei den eingesetzten Membranen handelt es sich um Komposit-Membranen, deren aktive Schicht aus Polyamid besteht (Abbildung 3-36). Ein- bis zweimal in der Woche ist eine Reinigung der Membranen notwendig, eine Auswechslung der Membranen war seit Inbetriebnahme noch nicht erforderlich. Die Behandlung von Deponiesickerwasser hat ausschließlich umweltrelevante Gründe, so dass der „Nutzen“ der zweistufigen Umkehrosmoseanlage hier in der Sicherung des umweltgerechten Betriebs und ggf. einer Nachsorgephase der Deponie zu sehen ist. 216 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-36 Aufbau der Kompositmembran [MAURER 2001] Ultradünne aktive Schicht aus modifiziertem Polyamid Mikroporöse Zwischenschicht aus Polysulfon 0,2 µm 40 µm Stützgewebe aus Polyester 120 µm In Nordrhein-Westfalen wird an zahlreichen weiteren Standorten (z. B. Essen, Köln, Mönchengladbach) Deponiesickerwasser mittels Membrantechnik bzw. einer Verfahrenskombination aus Membrantechnik und biologischer Behandlung bzw. weiteren Verfahren (z. B. Aktivkohleadsorption) gereinigt. 217 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.11.2 MF Fischzucht Membranverfahren Mikrofiltration Inbetriebnahme 2004 (Pilotanlage) Ziele Wiederverwendung des Abwassers / Schließung von Wasserkreisläufen Membranfläche 21 m2 Module Eindeckplattenmodule Permeatvolumenstrom max. 8 m3/d Vorbehandlung Nicht notwendig Nutzen Einsparung von Frischwasser- und Abwasserkosten In der Süßwasser-Aquakultur werden seit Mitte der 70er Zur Gewährleistung eines internen Schlammkreislaufs Jahre erhebliche Anstrengungen unternommen, Techno- zwischen Nitrifikation und Denitrifikation fördert die logien zu entwickeln, die eine wirtschaftliche und um- Zirkulationspumpe Schlamm aus dem Filterbehälter zur weltgerechte und intensive Fischzucht ermöglichen. Von Denitrifikationsstufe. besonderer Bedeutung ist dabei die Entwicklung von so genannten Kreislaufanlagen. Seit Mitte der 90er Jahre Das gereinigte Wasser wird mit der Permeatpumpe durch steht mit der MBR-Technik eine innovative Technologie die Membranen gesaugt und zurück in das Hälterungs- zur Realisation von Kreislaufanlagen zur Verfügung. Die becken gefördert. Die Pumpe läuft im Dauerbetrieb mit Eignung dieses Verfahrens zur Reinigung der Abwässer regelmäßigen Pausen, die der besseren Abreinigung der aus der Fischzucht wurde durch den Betrieb einer MBR- Filterflächen dienen. Des Weiteren ist die Wasser-Aus- Pilotanlage auf dem Versuchsfeld Marienfelde des Umwelt- tauschrate im Hälterungsbecken von den Lauf- und Pausen- bundesamts in Berlin bestätigt (siehe Abbildung 3-37). zeiten und dem Förderstrom der Permeatpumpe abhängig, der zwischen 1 und 8 m3/d eingestellt werden kann. Die Pilotanlage besteht aus einem ca. 4 m hohen Hälterungsbecken aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) Der Überschussschlamm und der Teil des Abwassers aus und der Aufbereitungsanlage. Eine Pumpe fördert das dem Hälterungsbecken, der nicht im Kreislauf geführt Wasser und das abgesetzte Sediment aus dem Hälterungs- wird, werden zur Kläranlage geleitet. becken mit einem Förderstrom von 1,7 l/s intervallweise zur Denitrifikationsstufe, die aus drei mit Rührwerken Die Entwicklung dieses Verfahrens bis zur Marktreife wird ausgestatteten PE-Behältern besteht. Das Volumen der in einem Projekt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt Denitrifikationsstufe kann durch einen höhenverstell- (DBU) fortgeführt. 3 baren Überlauf zur Membranstufe zwischen 0,4 m und 1,4 m3 variiert und damit dem Versuchsbetrieb angepasst werden. Die Nitrifikation erfolgt in der Membranstufe, die ein Volumen von 1 m3 fasst. Eingesetzt wird ein aus 35 Filterplatten bestehendes Membranmodul mit einer Filterfläche von insgesamt 2 m2. Die Porenweite der Membranen beträgt 0,4 µm. Die Belüfter zur Abreinigung der Filterflächen und zur Sauerstoffversorgung des Schlammes sind unterhalb des Moduls angeordnet. Ein zweites Modul ist vorhanden und kann zur Verdopplung der Filterfläche nachgerüstet werden. 218 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-37 Verfahrensschema einer Kreislaufanlage zur Reinigung von Abwasser aus der Fischzucht [UMWELTBUNDESAMT 2004] Frischwasser Recyclingstrom Hälterungsbecken Membranstufe Nitrifikation Denitrifikationsstufe Abwasser zur Kläranlage DN 1 DN 2 Überschussschlammabzug DN 3 Gebläsestation Rezirkulation (RZ) 3.5.11.3 UF Kraftwerke, Gas- und Dampfturbinen-Heizkraftwerk (GuD) Dresden Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1996 Ziele Reinigung ölkontaminierter Kühlwasser- oder Heiz-Kreisläufe durch Abtrennung von emulgiertem Öl aus dem Kreislaufwasser mittels Ultrafiltration Membranfläche 15,2 m2 Module keramische Multikanal-Elemente Permeatvolumenstrom bis zu 2,5 m3/h Vorbehandlung Kerzenfilter < 1 µm Nutzen Wiederherstellung der Kühl- bzw. Heiz-Leistung nach Kontamination der Kühlbzw. Heiz-Kreisläufe mit Öl bei Stillstandszeiten des Kraftwerks Das 1995 gebaute Gas- und Dampfturbinen-Heizkraft- wassersystem des Kraftwerks gelangt und lagerte sich an werk Dresden, Nossener Brücke, verfügt über eine elektri- unterschiedlichen Wärmeübertragungsflächen im System sche Leistung von 270 MW, eine thermische Leistung ab, was zu einer deutlichen Verschlechterung des Wärme- von 455 MW Heizwasser und 25 MW Dampf. Seit 1997 übergangs und damit der Kühlleistung einzelner Aggrega- gehört das Kraftwerk zur DREWAG. Mitte des Betriebsjah- te führte. res 1996 war Turbinenöl in das verzweigte Zwischenkühl- 219 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Da das System aus Rohrleitungen unterschiedlicher Durch- Eine als mobile Einheit konzipierte und flexibel an die messer und verschiedenen Aggregaten mit hydraulischen örtlichen Gegebenheiten anzupassende RÖKU-Anlage Totzonen besteht, hätte die erforderliche Reinigung des besteht aus den Hauptkomponenten Vorfiltration, Roh- Kühlsystems durch einen Austausch der im Kreislauf wasservorlage, Ultrafiltrations-Einheit mit vier in Serie befindlichen ca. 90 m3 Kühlwasse sowie gezielte Spülun- geschalteten Modulen à 3,8 m2 Membranfläche, Zirkula- gen des Kühlwassersystems nicht erzielt werden können. tionstank, Filtrattank und einer CIP-Einrichtung für die Alternativ hätten alle apparatetechnischen Komponenten Reinigung der Membranen (Abbildung 3-39). einzeln ausgekoppelt und gespült werden müssen. Neben dem Aufwand für die Reinigung der einzelnen Aggregate Im Falle des Gas- und Dampfturbinenkraftwerks Dresden wäre dabei auch mit einem temporären Stillstand des wurde mit Hilfe eines problemspezifisch ausgewählten, Kraftwerkes zu rechnen gewesen. dem Kühlwasser beigemischten Emulgators das an den wasserberührten Oberflächen des Kühlkreislaufes anhaf- Zur Problemlösung wurde ein gemeinsam von der THERM- tende Öl emulgiert. Diese Emulsion wurde über die im SERVICE für Kraftwerke und Industrie GmbH und der Bypass geschaltete, mit keramischen Membranen ausge- Dr.-Ing. Peters Consulting für Membrantechnologie und rüstete und im Cross-Flow betriebene Ultrafiltrations- Umwelttechnik (DPC) unter Einbindung der Modultech- Anlage behandelt. Die Behandlung erfolgte chargenweise. nik der atech innovations GmbH entwickeltes Verfahren Das Permeat, das noch einen Teil des Emulgators enthält, eingesetzt. Dieses patentierte Verfahren wurde unter dem wird wieder in den Kreislauf eingespeist. Das Konzentrat, Namen „RÖKU (Reinigung ölkontaminierter Kühlwasser- in dem sich die aus der Emulsion abgetrennten Öl-Mikro- kreisläufe mit Ultrafiltration und Emulgierung bei laufen- tröpfchen aufkonzentrieren, wurde entsorgt. Aus dem dem Blockbetrieb)“ eingeführt. Es bietet im Vergleich zur Zwischenkühlwasserkreislauf des Gas- und Dampfturbinen- konventionellen Vorgehensweise geringere Kosten und Heizkraftwerkes Dresden, Nossener Brücke, wurden so vermeidet kostenintensive Betriebsausfallzeiten. Abbil- ca. 1.600 l Öl entfernt. Nach Erreichen des gewünschten dung 3-38 zeigt das Verfahrensschema des RÖKU-Verfah- Restölgehaltes wird der Emulgator aus dem Kreislaufwas- rens. ser entfernt und dieses entsprechend konditioniert. Abb. 3-38 Schema des RÖKU-Verfahrens [nach DPC 1997] Permeatbehälter Kühlwasser ölfrei Ultrafiltration 1 Kühlwasserkreislauf Emulgator 220 Kerzenfilter Kühlwasser ölbelastet Rohwasservorlage Zirkulationstank Öl-Ausschleusung Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Weitere Beispiele für den Einsatz dieses Verfahrens waren Abb. 3-39 1997 die Sanierung im Heizkraftwerk Zolling der Isar- Ultrafiltrations-Anlage für das Verfahren RÖKU Amper-Werke, bei der ca. 1.000 l Schmieröl aus dem Zwi- [Foto: THERM-SERVICE] 3 schenkühlwasserkreislauf mit 300 m Inhalt abgetrennt wurden, und 1998 die Reinigung eines Zwischenkühlwasserkreislaufes mit 130 m3 Inhalt und 400 Heizkörpern in einem Krankenhaus in Rottweil, aus dem 2.600 l Schmieröl entfernt werden konnten. 3.5.11.4 UF Bilgenentölung Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1989 Ziele Entsorgung der Bilgenwässer Membranfläche 23,6 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 3 m3/h Vorbehandlung Ölabscheidung Nutzen Volumeneinsparung auf dem Schiff, Beitrag zum Umweltschutz An Bord von Schiffen fallen durch den Schiffsbetrieb ver- und Korrosionsschutzmitteln, Reinigungsmitteln sowie schiedene Arten von Ölrückständen an, die sich an der Fluss- bzw. Seewasser in unbekannten Konzentrationsver- tiefsten Stelle im Maschinenraum, der Bilge, sammeln. hältnissen [FURTMANN ET AL. 2001]. Die Bilge muss des- Das ölhaltige Schmutzwasser, genannt Bilgenwasser, ist halb periodisch gelenzt, d. h. das Öl-Wasser-Gemisch aus ein Gemisch aus Öl, Schmierfett, Treibstoffresten, Kühl- der Bilge entsorgt werden. Früher wurde der Bilgeninhalt und Kondenswasser, in geringen Mengen Frostschutz- in das Gewässer gelenzt, was aber seit 1963 verboten ist. 221 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-40 Verfahrensskizze der Bilgenentölung [nach DEUTSCH 2001] Landabgabe Ölphase Absaugung aus Schiffsbilge Separator Altöl-Sammelbehälter Wasserphase Konzentrat Ultrafiltration Kreislaufführung nach Abschaltung des Zulaufs Permeat Um die Entsorgung der Bilgenwässer zu gewährleisten, gesammelt und je nach Wassergehalt einer Verwertung haben die rheinanliegenden Bundesländer 1965 den Bil- (Zweitraffinat) oder Entsorgung (thermisch) zugeführt, genentwässerungsverband als Körperschaft des öffent- die andere Gesellschaften übernehmen. lichen Rechts gegründet, welcher der Rechtsaufsicht des Landes Nordrhein-Westfalen untersteht. Zur Durchfüh- Die Wasserphase gelangt in die nach dem Crossflow-Ver- rung seiner Aufgaben bedient sich der Verband der Bil- fahren betriebene Ultrafiltrationsanlage (Firma Berghof). genentölungsgesellschaft mbH, die das Bilgenwasser allen Dort trennen Rohrmodule mit Polymermembranen mit Schiffen (unabhängig vom Herkunftsland) kostenlos einer Trenngrenze von 100.000 Dalton bei einem Betriebs- abnimmt und behandelt. druck von 7 bar weiteres Öl von der Wasserphase ab. Mit der gesamten Membranfläche (23,6 m2) wird pro Stunde Die Bilgenentölungsgesellschaft mbH wurde 1961 ge- 3,0 m3 Filtrat produziert, das die vorgegebenen Grenzwer- gründet und beschäftigt heute 25 Mitarbeiter. Sie ist für te laut Bescheid der zuständigen Wasserbehörde einhält die Bilgenentölung aller Binnenschiffe in der Bundesre- und direkt ins Gewässer geleitet wird. publik südlich von Münster zuständig. (Für Hamburg, Bremen und Berlin übernehmen andere Institutionen Das Konzentrat wird erneut über die Ultrafiltrationsanla- diese Aufgabe, zum Teil gegen Gebühr.) Die Gesellschaft ge geleitet und weiter aufkonzentriert. Nach mehreren betreibt mehrere Bilgenentölungsboote (Bibo), die das Öl Durchläufen verbleiben nur wenige Liter ölhaltiges Kon- von der Wasserphase mittels Schwerkraftabscheider und zentrat, das ebenfalls im Ölbehälter gesammelt und einer seit 1989 zusätzlich mittels Ultrafiltration trennen. Verwertung oder Entsorgung zugeführt wird. Je nach Einsatz werden die Membranen ein- bis zweimal wöchent- Das abgesaugte Bilgenwasser wird zunächst über einen lich gespült. Die Praxis hat gezeigt, dass die Standzeit der Kaskadenölabscheider (Separator) vorabgeschieden (siehe Membranen ca. 15.000 Betriebsstunden, teilweise auch Abbildung 3-40). Die Ölphase wird in einem Behälter mehr, beträgt. 222 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.11.5 Von Zeit zu Zeit muss der Filter durch Rückspülung Schwimmbäder (meist mit Schwallwasser) gereinigt werden. Das Schlammwasser aus der Rückspülung wird zunächst aufgefangen Im Schwimmbadwasser sammeln sich neben Schmutz- und anschließend in das öffentliche Abwassernetz geleitet. teilchen auch wasserlösliche und emulgierbare Substanzen (z. B. Hautschweiß, Reste von Hautcreme, Sonnenschutz- Pro Badegast werden mindestens 30 l [DIN 19643] bis öl), die nur in bestimmten Konzentrationen vorliegen 120 l Trinkwasser durch die Ableitung von Wasser in die dürfen. Im üblichen Schwimmbadbetrieb wird dies durch Kanalisation und Zumischung von frischem Trinkwasser die Verdünnung mit Trinkwasser erreicht, das in das gefüllte verbraucht. Schwimmbecken gepumpt wird. Durch dieses Hineinpumpen und die Wasserverdrängung durch Badende läuft Durch Wasserverdunstung und Nachfüllung steigt die Wasser – Schwallwasser – durch die Überlaufrinne in einen Wasserhärte an, die aus Kalk und Magnesiumsalzen besteht. Schwallwasserbehälter ab. Von dort wird es durch einen Durch die Chlorung und pH-Wert-Korrektur entstehen Sandfilter gepumpt, in dem Schmutz- und Trübstoffe weitere Salze. Zudem kommt es in großen Schwimmbad- zurückgehalten werden. Nach einer Konditionierungs- betrieben mit Solebecken zur Verschleppung von Sole in strecke gelangt das filtrierte Wasser wieder in das das normale Schwimmbadwasser. Schwimmbecken. 3.5.11.5.1 UF UO Schwimmbad, Aquana Freizeitbad Membranverfahren Ultrafiltration (UF), Umkehrosmose (RO) Inbetriebnahme 1998 Ziele Reduzierung der benötigten Frischwassermengen Membranfläche 42 m2 (UF), 140 m2 (RO) Module Kapillarmodule (UF), Spiralwickel (RO) Permeatvolumenstrom Gesamt (UF und RO) 5 m3/h Vorbehandlung Vorfiltration Nutzen Einsparung von Frischwasser und Energie für Aufheizung Die 1998 gegründete Freizeiteinrichtung mit seinen 30 Mit- Die Anlage ist nicht in den Schwimmbadwasserkreislauf arbeitern wird zu 100 % von der Stadt Würselen getragen. eingebunden, sondern dient dazu, von der großen Wassermenge, die zur Rückspülung der Sandfilter notwendig Um die großen Frischwassermengen, die durch den übli- ist, rund 70 % zurückzugewinnen. chen Filtrationsbetrieb benötigt werden, zu reduzieren, wurde 1998 im Zuge der Neubaumaßnahme eine Ultrafiltrations- und Umkehrosmoseanlage (degebran® GmbH Dazu sind zwei Membranfilter-Kreisläufe hintereinander geschaltet, die im Crossflow-Verfahren Schlammwasser Anlagenbau) für das Aquana Freizeitbad geplant und ge- (aus der Rückspülung der Filter), Dusch- und Waschbe- liefert. cken- und Regenwasser aufbereiten und dabei Substanzen 223 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-41 Wasserkreislaufführung und Aufbereitung im Aquana Freizeitbad [nach DEGEBRAN ® ] Überlaufrinne Schwimmbecken Schwallwasserbecken Normalbetrieb Filterrückspülung Duschabwasser Reinwasser Adsorberstufe mit Aktivkohle Regenwasser Schlammwasser Permeat Umkehrosmose Filtrat Retentat als Brauchwasser Vorfilter Ultrafiltration Rohwasser Konzentrat wie organische Chlorverbindungen, Wasch- und Reini- Mit diesem Verfahren werden bis zu 80 % der früher be- gungsmittel und Urinbestandteile entfernen (Abbildung nötigten Frischwassermenge, die als Füllwasser gebraucht wird, eingespart. Zusätzlich wird der Energiebedarf redu- 3-41). Nach einem Vorfilter trennen rückspülbare Kapil2 larmembranen mit einer gesamten Filterfläche von 72 m ziert, da das Permeat warm in den Beckenkreislauf zu- in der ersten Ultrafiltrationsstufe feste Schmutz- und rückgeführt werden kann, ohne erneut aufgeheizt werden Schwebestoffe ab. Aus diesem Filterkreislauf werden kon- zu müssen. Neben dem ökologischen Vorteil, Wasser zu tinuierlich 10 % Konzentrat ausgeschleust und als Abwas- sparen, wird auch eine erhebliche Kosteneinsparung ser entsorgt. Das Filtrat gelangt in die zweite Stufe, die erreicht. Die Amortisationszeit der 383.000 EUR-Investi- Umkehrosmoseanlage, in der Spiralwickelmodule tion ist mit drei Jahren berechnet. 2 (140 m Filterfläche) auch gelöste Substanzen zurückhalten. Das Permeat dieser zweiten Stufe wird über eine Adsorberstufe mit Aktivkohle in den Schwimmbadwasserkreislauf zurückgeleitet, während das salzreichere Retentat als Brauchwasser eingesetzt wird. Die Systemleistung beträgt insgesamt 5 m3 pro Stunde. 224 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.5.11.5.2 UF Schwimmbad, Freizeitbad Copa Ca Backum Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme August 1998 Ziele Reduzierung der benötigten Frischwassermenge und Gewährleistung von keimfreiem Wasser Membranfläche 300 m2 Module Hohlfasermodule Permeatvolumenstrom 10 m3/h Vorbehandlung Sedimentation, Partikelabtrennung durch Sieb Nachbehandlung Oxidation, Adsorption, Desinfektion Nutzen Einsparung von Frischwasser und Energie Das Freizeitbad Copa Ca Backum wird von den Hertener Zur Beseitigung der gebildeten Membrandeckschicht ist Stadtwerken GmbH betrieben. Mit dem Ziel, die großen eine halbstündliche Rückspülung (durch Umkehrung des benötigten Frischwassermengen zu reduzieren und keim- Flusses), kombiniert mit einer Luftreinigung (stündlich), freies Wasser zu gewährleisten, entwickelten die Hertener erforderlich. Eine chemische (alkalische) Reinigung der 5) Stadtwerke GmbH und das L. V. H. T.- Institut , Essen, Membranen erfolgt alle vier Wochen. Bei dieser Betriebs- (wissenschaftliche Unterstützung) ein Verfahren zur Auf- weise wird mit einer Standzeit der Membranen von fünf bereitung von Betriebsabwässern für öffentliche Bäder Jahren gerechnet. und Gewerbebetriebe. Seit August 1998 wird diese Verfahrenskombination, die u. a. die Membrantechnik ein- Nach weiteren Aufbereitungsstufen (Oxidation sowie setzt, im Freizeitbad Copa Ca Backum zur Aufbereitung Adsorption an Aktivkohle und Nachdesinfektion auf von Becken-, Schlamm- und teilweise Duschabwasser Chlorbasis) hat das Filtrat Trinkwasserqualität. Es wird in angewendet. einem Vorratsbehälter gesammelt und als Reinwasser zur Füllung des Schwimmbeckens bzw. für die Spülung der Das abgebadete Wasser und ein Teil des Duschwassers Filter verwendet. werden in einem Rohwasserbehälter gesammelt, in dem bereits partikuläre Stoffe sedimentieren und über ein Sieb Das Schlammwasser aus der Rückspülung der Filter abgetrennt werden (Abbildung 3-42). Die nachgeschaltete wird in den Rohwasserbehälter geleitet und durchläuft Ultrafiltrationsanlage dient der Voraufbereitung des gemeinsam mit dem abgebadeten Beckenwasser und kombinierten Betriebswassers. Polymere Hohlfasermem- Duschwasser den beschriebenen Aufbereitungskreislauf. branen (System Pall) trennen im Dead-End-Betrieb unge- Wasserverluste, die bei der Aufbereitung und durch Ver- löste Teilchen bzw. Trübungen sowie Öle, Fette und Salben dunstung und Verschleppung im Bad entstehen, werden ab, so dass den weiteren Verfahrensschritten ausschließ- durch Zufuhr von Frischwasser ausgeglichen. lich tatsächlich gelöste Stoffe zugeleitet werden. Insgesamt bewältigen 6 Module mit je 50 m2 Filterfläche einen Permeat-Volumenstrom von 10 m3 pro Stunde. 5) L. V. H. T. – Lehr- und Versuchsgesellschaft für innovative Hygiene-Technik mbH, Institut für angewandte Bau- und Bäderhygiene GmbH, Essen 225 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-42 Wasseraufbereitung im Freizeitbad Copa Ca Backum [nach L. V. H. T. 2001] Anteil Duschwasser Schwimmbecken Füllwasser Rohwasser Ultrafiltration Schlammwasser aus Rückspülung Filtrat Schlammwasser Adsorption Oxidation Vorratsbehälter Nachdesinfektion Spülwasser Obwohl regelmäßig Frischwasser zugeführt wird, kommt In der vorgestellten Verfahrenskombination wird die es durch die Kreislaufführung des Rückspülwassers und Membrantechnik nur als vorgeschaltete Aufbereitungs- Verdunstungsverluste zu einer Aufsalzung des Schwimm- stufe eingesetzt, die wirtschaftlichen Vorteile wie Frisch- badwassers von etwa 10 bis 15 % im Jahr. Dies ist aber wasser- und Energiekosteneinsparung beziehen sich nicht von Bedeutung, da gemäß DIN 19643 das gesamte daher auf das Gesamtsystem. Bei einer Frischwasserein- Beckenwasser einmal pro Jahr ausgetauscht wird. sparung von 60 % und der prognostizierten Energieeinsparung von 50 % hatte sich die Anlage nach 3,5 Jahren amortisiert. 226 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.6 Anwendungsbeispiele außerhalb Deutschlands In den Kapiteln zu 3.5 wird der Einsatz verschiedener erfolgt wie in Kapitel 3.5 aufgrund der Industriezweige, Membranverfahren in Deutschland vorgestellt, in den in denen die Anlagen eingesetzt werden. In der Tabelle 3-6 folgenden Kapiteln werden Beispiele aus der internatio- sind alle Beispiele aufgeführt, die im Folgenden beschrie- nalen Praxis beschrieben. Die Sortierung der Beispiele ben sind. Tab. 3-6 Anwendungsbeispiele für den Einsatz der Membrantechnik in der industriellen Abwasserbehandlung in Deutschland Branche Nahrungsmittel- Firma Kellogg industrie Stärkegrund- Ort Manchester Inbetrieb- Membran- nahme verfahren Module 2004 UF Rohrmodule 2004 UF getauchte, Membran- Kapitel fläche m 2 5 216 3.6.1.1 1.188 3.6.1.2 (Großbritannien) Raisio Chemicals produktion Veurne (Belgien) rotierende Plattenmodule Nahrungsmittel- Dairygold industrie Nahrungsmittel- Mitchelstown 2000 UF Rohrmodule 648 3.6.1.3 2003 UF Rohrmodule 486 3.6.1.4 2004 UF getauchte 8.000 3.6.1.5 (Irland) Dairy Crest industrie Davidstow Camelford (Großbritannien) Mälzerei Sobelgra n. v. Antwerpen (Belgien) Wäscherei Pharmaindustrie Tierkörperbesei- Wäscherei Kerkrade Massop (Niederlande) Sandoz/ Barcelona BIOCHEMIE (Spanien) SARIA Bayet tigung Mechanisch-biologische Abfall- Kapillarmodule 1998 UO Wickelmodule 2003 MF getauchte Mallorca 3.6.2 1.440 3.6.3 1.800 3.6.4.1 100 3.6.4.3 Plattenmodule 2000 UF (Frankreich) Tirme 250 getauchte Kapillarmodule 2004 UF Rohrmodule (Spanien) behandlung 227 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.6.1 Nahrungsmittelindustrie 3.6.1.1 UF Müsliproduktion bei der Kellogg Company, Großbritannien Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2004 Ziele Einhaltung der Anforderung für Indirekteinleitung und Senkung der Abwasserkosten Membranfläche 5 Module á 216 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 60-80 m3/h Vorbehandlung Trommelsieb und Dekanter Nutzen Reduzierung der Abwassergebühren, ausbaufähige Abwasserbehandlungsanlage mit geringem Platzbedarf Die Kellogg Company stellt heute in 19 Ländern mehr als Je nach Produktionscharge können Feststoffe im Abwas- 50 verschiedene Getreideprodukte her und verfügt über ser enthalten sein, die über ein Trommelsieb entnommen 25.000 Mitarbeiter. werden. Kakaopulver lässt sich jedoch nicht mit einer Siebung abtrennen. Deshalb wird das kakaopulverhaltige Am Standort Manchester wird Frühstücksmüsli herge- Abwasser durch eine Trübungsmessung detektiert und stellt. Bei der Produktion fallen erhebliche Mengen Spül- einer Dekantierzentrifuge zugeführt, in der die Feststoffe und Abwässer mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen abgetrennt werden. Die Flüssigphase wird in die biologi- (Getreidebestandteile, Kakao, Zucker etc.) an. Das Abwas- sche Reinigungsstufe geleitet, in der die gelösten organi- ser wurde bis 2003 lediglich durch ein Bogensieb zur schen Bestandteile abgebaut werden. Die biologische Stu- Abtrennung der Feststoffe gereinigt. Die stetig steigenden fe ist als Belebungsverfahren in Kombination mit einer Abwassergebühren führten im Jahr 2003 zur Planung extern aufgestellten Ultrafiltration zur Biomasseab- einer leistungsfähigen Kläranlage, die 2004 in Betrieb trennung nach dem BIOMEMBRAT ®-Verfahren der Wehrle genommen wurde. Umwelt GmbH ausgeführt. Die fünfstraßige Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 3-44) wird im Cross-Flow-Verfahren Rahmenbedingung für die Erweiterung der Abwasserrei- betrieben und erzeugt 60 – 80 m3/h Permeat. Je nach Ab- nigungsanlage war die Wahl eines platzsparenden Verfah- wasseranfall können die einzelnen UF-Straßen zu- oder rens, das den stark schwankenden Schadstofffrachten abgeschaltet werden. Der anfallende Überschussschlamm und Abwassermengen gerecht wird und ausbaufähig im wird mit dem kakaohaltigen Abwasser in der belüfteten Hinblick auf eine Recyclingmöglichkeit des gereinigten Vorlage der Dekantierzentrifuge vermischt. Anschließend Abwassers ist. Abbildung 3-43 zeigt das Verfahrenssche- werden die Feststoffe in der Dekantierzentrifuge abge- ma der Abwasserbehandlungsanlage. trennt und entsorgt. 228 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-43 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Kellogg Company in Manchester [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Ultrafiltrationsmembrananlage Belebungsbecken Puffer Zulauf Flüssigphase Trommelsieb Vorfluter TrübungsFeststoff messung Vorlage Dekanter Dekanter Feststoff Abb. 3-44 der biologischen Reinigungsstufe und den Energiekosten Cross-Flow-Ultrafiltration bei der Kellogg Company für die Belebtschlammabtrennung in der Cross-Flow- in Manchester [Foto: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Ultrafiltration zusammen. Hinzu kommen die Kosten für den Membranersatz (Membranwechsel alle vier Jahre prognostiziert) sowie die Kosten für den Einsatz von Membranreiniger (chemische Reinigung nach Erfahrungswerten von anderen Anlagen alle 6 – 8 Wochen). Der Energieverbrauch der biologischen Reinigungsstufe hängt von der zugeführten CSB-Fracht ab, wobei die Energieaufnahme der Cross-Flow-Ultrafiltration eine Funktion der spezifischen Filtratleistung ist. Die Möglichkeit der Zuschaltung einzelner UF-Straßen je nach Abwasseranfall und die automatische Regelung der Belüftungseinrichtungen erlaubt eine Energie sparende Betriebsweise der Abwasserreinigungsanlage. Die Investition für die Membrananlage betrug 930.000 Euro. Die Betriebskosten für die Cross-Flow-Ultrafiltrationsanla- Die Kosten für die Reinigung des Abwassers setzen sich ge belaufen sich auf 0,36 s/m3 Permeat, die der biologi- im Wesentlichen aus den Energiekosten für die Belüftung schen Reinigungsstufe auf 0,38 s/m3. 229 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung UF 3.6.1.2 Stärkegrundproduktion bei Raisio Chemicals, Belgien Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2004 Ziele Leistungsfähige und kompakte Abwasserbehandlung Membranfläche 1.188 m2 Module Getauchte, rotierende Plattenmodule Permeatvolumenstrom max. 12 m3/h Vorbehandlung keine mechanische Vorbehandlung Nutzen Reduzierung des Frischwasserbedarfs und des Abwasseranfalls, Kostensenkung Abb. 3-45 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei Raisio Chemicals [nach HUBER AG 2004] Membranbelebungsanlage Permeatbehälter Abwasserstapelung Abwasser aus der Produktion Gebläsestation Produktionsprozess Die finnische Firma Raisio Chemicals, die im März 2004 Abb. 3-46 von Ciba Spezialitätenchemie übernommen wurde, stellt Huber VRM ®-Verfahren (rotierende Module) am Standort Veurne in Belgien Stärkegrundprodukte für [Fotos: HUBER AG 2004] die Nahrungsmittel- und Photoindustrie sowie die pharmazeutische Industrie her. Die Aufbereitung der Stärkegrundprodukte erfordert viel Frischwasser, weshalb sich unter ökonomischen und ökologischen Aspekten ein geschlossener Wasserkreislauf anbietet. Für den Standort Veurne musste eine geeignete Abwasseraufbereitungsanlage nicht nur leistungsfähig, sondern aufgrund der beengten Platzverhältnisse auch kompakt sein. 230 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Die Verfahrenstechnik der 2004 in Betrieb genommenen heit des VRM®-Verfahrens besteht in den im Abwasser Gesamtanlage besteht aus einem Misch- und Ausgleichs- eingetauchten und rotierenden Plattenmembranen. becken, der Membranbelebungsanlage und einem Perme- Durch die rotierenden Membranplatten soll in Verbin- atsammelbehälter (Abbildung 3-45). Das Abwasser aus dung mit der eingeblasenen Luft eine optimierte Deck- der Produktion wird zunächst vergleichmäßigt und dann schichtabreinigung erreicht werden. Die Membrananlage 3 der Belebungsstufe (V= 1.800 m ) zugeführt, in der zwei ® kann auf zwei Module des Typs VRM® 20/252 erweitert getauchte Module des Typs VRM 20/198 der Firma werden. Das gereinigte Abwasser wird über einen Permeat- Huber installiert sind (Abbildung 3-46). Eine Besonder- sammelbehälter dem Produktionsprozess zugeführt. 3.6.1.3 UF Molkerei Dairygold Food Products, Irland Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2000 Ziele Einhaltung der Einleitgrenzwerte in der Milchsaison Membranfläche 648 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 80 – 90 m3/h Nutzen Entlastung der vorhandenen Belebungsanlage, Einhaltung der Einleitgrenzwerte Dairygold Food Products ist europaweit eine der größten Das Konzept beinhaltet den Betrieb der Membrananlage und führenden Molkereien mit Sitz in Mitchelstown, in den belastungsstarken Sommermonaten und die Irland. Dairygold Food Products stellt Milchpulver, Käse Außerbetriebnahme im Winter. Die Membranmodule und Butter her und betreibt eine Fleisch- und Wurstfabrik. werden während der Winterzeit konserviert und eingela- 3 Am Standort Mitchelstown fallen 5.000 m /d Abwasser gert. Besonders wichtig ist die kurze Einfahrphase der an, die in einer konventionellen Belebungsanlage behan- Anlage zu Beginn der Saison. Gerade in Zeiten von Belas- delt werden. Während der Milchsaison von März bis tungsspitzen kann durch den Betrieb der Membrananlage November steigt die Abwassermenge aufgrund der Molke- eine deutliche Verbesserung der Ablaufkonzentrationen 3 verarbeitung auf 7.000 m /d an. Der Anstieg der Abwas- der Gesamtabwasserbehandlungsanlage erreicht werden. sermenge und der CSB-Frachten überstieg die Behand- Abbildung 3-47 zeigt das Verfahrensschema der Abwas- lungskapazität der vorhandenen Belebungsanlage, so dass serbehandlungsanlage. die bestehende biologische Reinigungsstufe in der Milchsaison überlastet wurde und dies zu einer Überschreitung der Einleitgrenzwerte führte. Aufgrund dieser Situation wurde die separate Behandlung der Abwässer aus der Molkeverarbeitung mit ca. 2.000 m3/d in einem Membranbioreaktor technisch und wirtschaftlich geprüft und führte im Jahr 2000 zum Neubau einer Anlage nach dem BIOMEMBRAT ®-Verfahren der Wehrle Umwelt GmbH. 231 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-47 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei Dairygold Food Products, Irland [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Deni-/Nitrifikationsbecken Nachklärbecken Rezirkulation (RZ) Rücklaufschlamm (RS) Membranstufe Zulauf Vorfluter Saisonbetrieb Deni-/Nitrifikationsbecken Rezirkulation (RZ) Rezirkulation (RZ) Abb. 3-48 Die Membranbelebungsanlage besteht aus einem vorge- Gesamtanlage bei Dairygold Food Products schalteten Denitrifikationsbecken (V = 400 m3 ), einem mit der Membrananlage im Vordergrund Nitrifikationsbecken (V = 2.000 m3 ) sowie einer anschlie- [WEHRLE UMWELT GMBH 2004] ßenden vierstraßigen Ultrafiltrationsanlage, die nach dem Cross-Flow-Verfahren betrieben wird und zur Abtrennung der Biomasse dient. Die vier Straßen der Ultrafiltration haben jeweils eine Membranfläche von 162 m2 und können je nach Abwasseranfall einzeln zu- oder abgeschaltet werden. Als Membranen sind Rohrmodule mit einem Innendurchmesser der Rohrmembranen von 8 mm im Einsatz. Die mittlere transmembrane Druckdifferenz im Betrieb beträgt 0,8 bar. Die einzelnen Ultrafiltrationsstraßen müssen im Abstand von ca. 4 – 6 Wochen chemisch gereinigt werden, um eine konstante Filtrationsleistung sicherzustellen. Ein Membranaustausch ist in den zurückliegenden vier Jahren noch nicht erfolgt, es wird eine Standzeit von fünf bis sechs Jahren erwartet. 232 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Die CSB-Konzentration im Zulauf von bis zu 3.600 mg/l schen Reinigungsstufe im Wesentlichen von der CSB- (im Mittel 2.600 mg/l) wird auf 50 mg/l im Ablauf redu- und Stickstofffracht abhängig ist. ziert. Die Anforderungen an die Ablaufwerte für BSB 5 < 12 mg/l, TKN < 15 mg/l und Pges < 10 mg/l werden Der Energiebedarf der Ultrafiltration und die Membran- sicher eingehalten. wechselkosten betragen etwa 23 % der gesamten Betriebskosten. Die spezifischen Betriebskosten der gesam- Der spezifische Energieverbrauch betrug in den Jahren 3 ten Membranbelebungsanlage betragen ca. 0,90 Euro 2000 bis 2003 durchschnittlich ca. 5 kWh/m . Davon pro m3 Permeat. Allerdings ist zu beachten, dass die wurden ca. 2,8 kWh/m3 für die Belüftung und die Rezir- Membrananlage nur etwa sieben Monate pro Jahr in 3 kulation sowie 2,2 kWh/m für die Membranfiltration Betrieb ist. Die Investition für die Membrananlage betrug aufgewendet, wobei der Energieverbrauch der biologi- ca. 700.000 Euro. 3.6.1.4 UF Molkerei Diary Crest Limited, Großbritannien Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2003 Ziele Kapazitätserweiterung der Abwasserbehandlungsanlage Membranfläche 486 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom ca. 50 m3/h Vorbehandlung Flotation Nutzen Erhöhung der Produktionskapazität am gleichen Standort Die Fa. Dairy Crest ist eine der führenden Molkereien in Nach der Flotation wird der Abwasserstrom von ca. England und hat am Standort Camelford in der David- 2.000 m3/d aufgeteilt. Der bestehenden konventionellen stow Creamery ihre Produktionskapazität erhöht. Mit der Anlage werden 800 m3/d und der neu errichteten Mem- Produktionskapazität stiegen auch der Abwasseranfall branbiologie 200 m3/d zugeführt und behandelt. Der und die enthaltenen Frachten. Da die Kläranlage der Fir- Ablauf der zwei parallel betriebenen Anlagen wird an- ma Dairy Crest nicht über entsprechende Reservekapa- schließend zusammengeführt und in den Vorfluter einge- zitäten verfügte, musste diese erweitert werden. Es wurde leitet. Die Membrananlage besteht aus drei Straßen, in das gleiche Verfahrenskonzept zur Abwasserbehandlung denen Rohrmodule mit einer Membranfläche von 162 m2 wie bei Dairygold Food Products, Irland, umgesetzt. pro Straße eingesetzt werden. Die Erweiterung der Anlage um eine vierte Straße ist möglich. Die ursprünglich bestehende konventionelle Belebungsanlage war zweistraßig ausgeführt. Eine der Straßen wurde Die BIOMEMBRAT ®-Anlage in der Davidstow Creamery bei der Erweiterung durch eine BIOMEMBRAT ® -Anlage in Camelford reduziert die zulaufende CSB-Fracht um ersetzt (Abbildung 3-49). Des Weiteren wurde der biologi- ca. 98 % und die Nges- und Pges-Frachten um jeweils ca. schen Reinigungsstufe eine Flotation vorgeschaltet, um 90 %. Die Anforderungen an die Ablaufwerte für BSB5 Fette und Schwebstoffe abzuscheiden und somit die nach- < 10 mg/l, NH4-N < 6 mg/l werden somit sicher eingehalten. geschalteten Reinigungsstufen zu entlasten. Die Investition für die Membrananlage betrug 550.000 Euro. 233 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-49 Verfahrensschema der Abwasserbehandlung bei Diary Crest, Großbritannien [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Deni-/Nitrifikationsbecken Nachklärbecken Rezirkulation (RZ) Rücklaufschlamm (RS) Flotation Puffer Vorfluter Membranstufe Deni-/Nitrifikationsbecken Rezirkulation (RZ) 3.6.1.5 UF Mälzerei Sobelgra n. v., Belgien Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2004 Ziele Kompakte, Platz sparende und leistungsfähige Abwasserbehandlungsanlage, Vorbehandlung vor einer geplanten Umkehrosmoseanlage Membranfläche 8.000 m2 Module Getauchte Kapillarmembranen Permeatvolumenstrom 80 – 100 m3/h Vorbehandlung Bogensieb Nutzen Erweiterung der Abwasserbehandlungskapazität ohne größere bautechnische Maßnahmen am Standort, spätere Nutzung eines Teils des aufbereiteten Abwassers 234 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-50 Die Werkskläranlage behandelt Abwasser aus der Gerste- Luftaufnahme der Mälzerei Sobelgra im Antwer- verarbeitung mit einer Kombination aus mechanischer pener Hafen [Foto: PURON AG] Vorsiebung, biologischer Stufe und Membranfiltration (Abbildung 3-51). Nach einer Entfernung der groben Verunreinigungen durch zwei Bogensiebe (Maschenweite 1,0 mm) gelangt das Abwasser in die Belebungsstufe der Anlage, die aus zwei in Reihe geschalteten Becken zur Denitrifikation und Nitrifikation besteht. Der Belebungsstufe ist die Membranstufe nachgeschaltet, die der Abtrennung des Belebtschlamms dient. Die sechzehn Kapillarmembranmodulen (Abbildung 3-52) der Firma PURON AG wurden in zwei separaten Kammern installiert. Eine dritte Kammer steht für zukünftige Erweiterungen der Anlage zur Verfügung (in Abbildung 3-51 gestrichelt dargestellt). Die Kammern werden von unten beschickt, so dass der Belebtschlamm die Membranmodule von unten nach Die belgische Mälzerei Sobelgra liegt im Antwerpener oben über- bzw. durchströmt. Dabei wird das Permeat Hafen und gehört zur Boortmalt-Gruppe. Sobelgra produ- über einen Unterdruck aus den Membranmodulen abge- ziert Malz für Brauereien und vergrößert aktuell die Pro- saugt. Der sich dabei aufkonzentrierende Belebtschlamm duktion von 110.000 auf 250.000 t/a, wodurch das Werk wird in die Belebungsbecken zurückgeführt. Die Mem- zur größten unabhängigen Mälzerei in Belgien wird. branfläche in den getauchten Modulen beträgt 8.000 m2 und kann das gesamte Abwasser des Unternehmens auf- Im Zuge der Produktionserweiterung musste auch die bereiten. Die Anlage verfügt damit über eine Kapazität Kapazität der bestehenden Werkskläranlage verdoppelt von mehr als 2.000 m3/d. Um die Filtrationsleistung der werden. Aufgrund der beschränkten räumlichen Gegeben- Membranmodule aufrechtzuerhalten, erfolgt in regelmä- heiten auf dem Fabrikgelände (Abbildung 3-50) konnte ßigen Intervallen eine Filtratrückspülung kombiniert mit die Kläranlage nicht nach dem konventionellen Belebungs- einer Luftspülung der Membranmodule. Die Kammern verfahren erweitert werden. Für die Installation des Mem- können für Reinigungs- und Wartungszwecke unabhän- branbelebungsverfahrens sprachen insbesondere die gig voneinander entleert werden. kompakte Anlagengröße und die hohe volumenspezifische Abbaukapazität. Nach Installation der geplanten Umkehrosmoseanlage können etwa 80 % des gereinigten Abwassers in der Produktion wiedereingesetzt werden. 235 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-51 Verfahrensschema der Werkskläranlage der Fa. Sobelgra [nach PURON AG] Membranstufe Gebläsestation Bogensieb 1,0 mm Belebungsstufe Abwasser Bogensieb 1,0 mm Rezirkulation (RZ) Wiederverwendung Abb. 3-52 Schema der Membranbelebungsanlage (links) und Membranmodule (rechts) [Foto: PURON AG] 236 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.6.2 UO Wäscherei Massop, Niederlande Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 1998 Ziele Einsparung von Wasser und Energie Membranfläche Ca. 250 m2 Module Wickelmodule Permeatvolumenstrom 8 m3/h Vorbehandlung Integrierter zweistufiger Filter (Flusensieb) Nutzen Einsparung von Frischwasser, Energie und Chemikalien Das folgende Beispiel beschreibt den Einsatz der Mem- Über einen (integrierten) zweistufigen Filter (Flusensieb) brantechnik zur Aufbereitung von Wäschereiabwasser. gelangt das Abwasser in die Umkehrosmoseanlage, welche Die beschriebene Anlage wird in einer Wäscherei in den mit Wickelmodulen aus Polyethylen-Membranen ausge- Niederlanden eingesetzt und steht stellvertretend für stattet ist. Unter einem Betriebsdruck von 10 bar wird auf zwei gleiche Anlagen, die in einer Wäscherei in Lemgo der 250 m2 -Membranfläche pro Stunde ein Permeat-Volu- und in einer Wäscherei in Olsberg realisiert wurden. Die menstrom von etwa 8 m3 erreicht. Das anfallende Permeat Realisierung wurde durch Mittel eines Förderprogramms 6) wird als Waschwasser wiederverwendet und das Retentat des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirt- in das öffentliche Kanalnetz eingeleitet. schaft und Verbraucherschutz des Landes NordrheinWestfalen (MUNLV) unterstützt. Die Membranen werden einmal täglich gespült und alle drei Monate chemisch mit handelsüblichen Produkten Bei der Firma Massop in Kerkrade wird Wäsche aus dem gereinigt. Der Praxisbetrieb hat gezeigt, dass unter diesen Krankenhaus- und Hotelbetrieb gereinigt. Das Abwasser Bedingungen die Standzeit der Membranen zwei Jahre aus dem Waschbetrieb ist mit Schmutzstoffen, Tensiden, beträgt. Bakterien und Salzen belastet und muss gereinigt werden. Abb. 3-53 Die Einsparmöglichkeit von Wasser und Energie war der Umkehrosmoseanlage in der Wäscherei Massop, Anlass für den Einsatz einer Membrananlage. Bei der Pla- Kerkrade [ROTH 2001] nung musste vor allem die enge Wechselbeziehung zwischen der Membran und dem eingesetzten Waschmittel berücksichtigt werden. Für die parallele Entwicklung der Umkehrosmoseanlage (Abbildung 3-53) und des passenden Waschmittels kooperierte die Firma Henkel-Ecolab GmbH & Co. OHG (Wasch- und Waschhilfsmittelherstellung) mit der Firma Wientjens, NL. Die Anlage wird seit 1998 mit gutem Erfolg betrieben und dient zur Aufbereitung des Wassers und zur Wiederverwendung als Brauchwasser im Waschprozess. 6) Förderprogramm zum Produktionsintegrierten Umweltschutz (PIUS): „Initiative ökologische und nachhaltige Wasserwirtschaft NRW“. 237 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Der Einsatz der Umkehrosmose zur Reinigung des Abwas- Die Entwicklung und Anwendung von Membranverfahren sers und der Wiedereinsatz als Brauchwasser bedeuten zur Reinigung von Wäschereiabwässern wird heute kon- ökologische und wirtschaftliche Vorteile. Neben einem zentriert verfolgt. Neben dem beschriebenen existieren geringeren Waschmitteleinsatz werden Wasser (80 %), weitere Membranverfahren zur Reinigung von Wäscherei- Energie (50 %) und Enthärtungschemikalien (80 %) einge- abwasser bzw. befinden sich in der Entwicklung. Entschei- spart. Die Anlage in Kerkrade ist geleast und stellt für den dend bei der Planung ist die Berücksichtigung der Wech- Betreiber eine wirtschaftliche Lösung dar. Je nach Stand- selbeziehung zwischen der Membran und dem eingesetz- ort und Rahmenbedingungen, wie z. B. den Wasser-, Ab- ten Waschmittel, so dass eine Kooperation zwischen dem wasser- und Energiekosten, ist die Amortisationszeit der Anlagenbauer bzw. Membranhersteller und dem Wasch- Anlage unterschiedlich lang und für den Einzelfall zu mittelhersteller unentbehrlich ist. bestimmen. 3.6.3 MF Pharmazeutische Industrie, Penicillinproduktion bei der Firma Sandoz, Spanien Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2003 Ziele Erweiterung der Abwasserbehandlungskapazität am Standort der Werkskläranlage Membranfläche 1.440 m2 Module Getauchte Plattenmodule Permeatvolumenstrom ca. 400 m3/d Vorbehandlung Nutzen Standortsicherung bei Produktionserweiterung Die Firma Sandoz (ehemals Fa. Biochemie) ist mit welt- Das Membranbelebungsverfahren unter Einsatz von weit rund 13.000 Mitarbeitern im Bereich der Entwick- getauchten Plattenmodulen der Firma Kubota wurde im lung und Herstellung pharmazeutischer, biopharmazeuti- Rahmen von Pilotversuchen im Vergleich mit anderen scher und industrieller Produkte tätig und produziert in Modulsystemen am Standort der Firma Sandoz in Kundl Barcelona Penicillin zur Herstellung von Medikamenten. untersucht und bereits 1999 großtechnisch umgesetzt. Die Abwasserbehandlungsanlage in Kundl wurde im Jahr Die Abwässer aus der Produktion wurden am Standort 2002 auf eine Membranfläche von 1.440 m2 erweitert. Barcelona bisher konventionell gereinigt, wobei die Qualität des gereinigten Abwassers sehr stark schwankte. Die Die Membranbelebungsanlage am Standort Barcelona geplante Vergrößerung des Produktionsvolumens am wurde aufgrund der Erfahrungen in Kundl und der ver- Standort Barcelona erforderte auch eine Erweiterung der gleichbaren Randbedingungen ohne Pilotierung mit einer betriebseigenen Kläranlage, die aufgrund des begrenzten Membranfläche von 1.440 m2 ausgerüstet. Abbildung Platzangebots nach konventioneller Verfahrenstechnik 3-54 zeigt das Verfahrensschema der Membranbelebungs- nicht möglich war. So wurde die Errichtung einer Mem- anlage am Standort Barcelona. branbelebungsanlage beschlossen, die im Februar 2003 in Betrieb genommen wurde. 238 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-54 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage in Barcelona [nach AGGERWASSER GMBH 2004] Belebung Membranstufe 1 Gebläsestation Vorfluter 2 Abwasser Gebläsestation 3 Rezirkulation (RZ) Der Abwasservolumenstrom mit etwa 400 m3/d gelangt straßig aufgebaut und besteht aus sechs Plattenmodulen nach der Behandlung in der aus drei Reaktoren bestehen- der Firma Kubota des Typs EK300. Im Betrieb wird bei den Hochlastbiologie in die Membrantrennstufe. Der TS- einem konstanten transmembranen Druck von 0,05 – Gehalt in den Belebungsbecken wurde für den Betrieb der 0,15 bar filtriert. Die chemische Reinigung erfolgt voll Membrananlage von ca. 6 g/l auf 12 – 16 g/l angehoben. automatisch zweimal pro Jahr in situ. Das Permeat wird Damit soll die biologische Abbaukapazität der Kläranlage in eine kommunale Kläranlage zur weiteren Behandlung etwa verdoppelt werden. Die Membrananlage ist zwei- abgeleitet. Abb. 3-55 Membranbelebungsanlage und Membranmodule während der Bauphase bei der Fa. Sandoz in Spanien [Fotos: AGGERWASSER GMBH 2004] 239 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.6.4 Sonstiges 3.6.4.1 UF Tierkörperbeseitigungsanlage der SARIA Bio-Industries, Frankreich Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2000, Erweiterung 2002 Ziele Einhaltung steigender Anforderungen an die Ablaufqualität und Anpassung an Kapazitätserweiterung Membranfläche 1.800 m2 Module Getauchte Kapillarmodule Permeatvolumenstrom ca. 40 – 50 m3/h Vorbehandlung Feinsieb Nutzen Wirtschaftliche Erweiterung und Anpassung der Abwasserbehandlungsanlage an den Stand der Technik Bei der Tierkörperbeseitigung fallen hoch belastete Ab- Die einzelnen Abwasserströme aus der TBA werden teil- wässer an, die u. a. Ammoniumkonzentrationen von 200 weise mittels Flotation vorbehandelt, über ein Feinsieb bis 4.700 mg/l und CSB-Konzentrationen von 1.800 bis mechanisch gereinigt und in einem Misch- und Speicher- 26.500 mg/l aufweisen [ATV 1986]. becken vergleichmäßigt. Das so vorbehandelte Abwasser wird in ein 4.000 m3 großes Belebungsbecken gefördert, Die SARIA Bio-Industries betreibt in Bayet, Zentralfrank- in dem der Abbau der organischen Substanzen erfolgt reich eine Tierkörperbeseitigungsanlage (TBA). Am Stand- (Abbildung 3-56). Anschließend wird der Belebtschlamm ort Bayet werden jährlich bis zu 240.000 t Schlachtabfälle zum Schutz der Membranen vor Grobstoffen über ein und verendete Tiere verarbeitet. Dabei fallen täglich rund Bogensieb mit einer Lochweite von 750 µm im freien 1.100 m3 Produktionsabwasser mit einer mittleren CSB- Überlauf in die Membranstufe geführt. Die Membranstufe Konzentration von 16.000 mg/l an. Vor dem Hintergrund ist vierstraßig ausgeführt (Abbildung 3-57). Jede Straße ist steigender Anforderungen an die Ablaufqualität und in einem Filtrationscontainer untergebracht und enthält wachsender betrieblicher Kapazitäten musste die Abwas- Kapillarmembranmodule der Firma Zenon (Abbildung serbehandlungsanlage am Standort Bayet an den Stand 3-58). Derzeit sind rund 1.800 m2 Membranfläche in zwei der Technik angepasst werden. Straßen installiert. Dabei besteht Membranstraße 1 aus vier getauchten Modulen des Typs 500a und die Straße 2 Die Entscheidungsträger der TBA entschlossen sich im aus zwei getauchten Modulen des Typs 500c. Jahr 2000 zum Umbau der vorhandenen Kläranlage zur Membranbelebungsanlage und erweiterte diese nach Durch die Behandlung der Abwässer in der Membranbe- erfolgreichem zweijährigen Betrieb bereits im Jahr 2002. lebungsanlage werden CSB-Ablaufkonzentrationen von < 300 mg/l erreicht. Damit wird die CSB-Fracht in der Anlage um 98 % reduziert. 240 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-56 Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei SA-RIA Bio-Industries in Bayet [nach ZENON GMBH 2004] Vorfluter Gebläsestation Belebungsbecken 4.000 m3 Feinsieb 750 µm Zulauf Gebläsestation Rezirkulation (RZ) Abb. 3-57 Abb. 3-58 Gesamtansicht der Membranbelebungsanlage Container mit eingebauten Modulen bei SARIA der TBA in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004] Bio-Industries in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004] Membranbelebungsanlage 241 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 3.6.4.2 Mechanisch biologische Abfallbehandlungsanlage (MBA) Die mechanisch-biologische Abfallbehandlungsanlage Je nach Aufbereitungsverfahren fällt im Mittel rund die (MBA) hat sich in Europa zur Aufbereitung von Sied- Hälfte des behandelten Abfalls als behandlungsbedürftiges lungsabfällen etabliert. Die biologische Umsetzung kann Abwasser an. Die Zusammensetzung des Abwassers hängt in Kompostierungsanlagen (aerob) oder in Vergärungsan- in erster Linie vom Rohabfall (Wassergehalt, organischer lagen (anaerob) erfolgen. Durch den biologischen Abbau Anteil) und vom Vergärungsverfahren (nass, trocken) ab. der organischen Inhaltsstoffe in einer MBA sollen das Die Konzentrationen der einzelnen Parameter weisen da- Abfallvolumen reduziert und ein stabilisiertes Endpro- bei eine hohe Variationsbreite auf. Grundsätzlich folgen dukt erzeugt werden. Bei der biologischen Umsetzung aus einer intensiveren Umsetzung auch höhere Schadstoff- und der Entwässerung entsteht ein komplexes, hoch konzentrationen im Prozessabwasser. belastetes Abwasser. 3.6.4.2.1 UF Abfallentsorgung bei der Firma Tirme, Spanien Membranverfahren Ultrafiltration Inbetriebnahme 2004 Ziele Kreislaufführung von Produktionswasser Membranfläche 100 m2 Module Rohrmodule Permeatvolumenstrom 5 – 6 m3/h Vorbehandlung Feinsieb, Trenngrenze 200 µm Nutzen Einsparung von Frischwasser und Abwasser Die Firma TIRME betreibt auf Mallorca neben einer Ab- besteht aus einer mechanischen Vorreinigung, einer fallverbrennungsanlage auch eine Anlage zur Stofftren- Belebungsstufe und einer Ultrafiltrationsanlage (Abbil- nung und mechanisch-biologischen Abfallbehandlung dung 3-59). 3 (MBA). Jährlich fallen an diesem Standort ca. 45.000 m hoch belastetes Abwasser an, welches hauptsächlich aus Die Abwasserbehandlungsanlage ist für einen Durchsatz der MBA-Anlage stammt. Darüber hinaus fallen auch von rd. 45.000 m3/a bzw. 140 m3/d Abwasser mit einer Abwässer aus der Hof- und Fahrzeugreinigung sowie der CSB-Konzentration von 7.300 mg/l und NH4-N-Konzen- Abluftbehandlung an. Die vielfältige Stoffzusammenset- tration von 2.500 mg/l ausgelegt. Im Ablauf muss die zung des Abwassers erfordert eine Kombination von CSB-Konzentration unter 1.500 mg/l liegen, was einer Reinigungsverfahren. Verringerung von ca. 80 % entspricht. Ammonium wird vollständig abgebaut, um das gereinigte Abwasser als Für das MBA-Verfahren wird verfahrensbedingt stickstoff- Prozesswasser in der MBA wieder einzusetzen. freies Prozesswasser benötigt. Die von der Fa. Wehrle Umwelt GmbH neu installierte Abwasserbehandlungsan- Die mechanische Vorbehandlung des Abwassers erfolgt lage bereitet die Abwässer so auf, dass dafür ein Teil des durch Sedimentation mit anschließender Filtration über gereinigten Abwassers genutzt werden kann. Die Anlage ein Feinsieb mit einer Trenngrenze von 200 µm. Das 242 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung Abb. 3-59 Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Firma TIRME, Spanien [nach WEHRLE UMWELT GMBH 2004] Belebungsbecken Feinstsieb 200 µm Denitrifikation Ultrafiltrationsanlage Nitrifikation Zur MBA Zulauf Rezirkulation (RZ) Vorfluter ÜSS Ultrafiltrationsanlage Abb. 3-60 Abwasserreinigungsanlage bei der Firma Tirme [Fotos: WEHRLE UMWELT GMBH 2004] links: Membrananlage; rechts: Bioreaktoren mechanisch gereinigte Abwasser der MBA-Anlage wird wobei die Membranen mit einer Geschwindigkeit von dann in der Belebungsstufe behandelt, die aus einer vor- 5 m/s überströmt werden. Die gesamte Membranfläche geschalteten Denitrifikation mit anschließender Nitrifika- beträgt ca. 100 m2. Der anfallende Überschussschlamm tion (Abbildung 3-60) besteht. Der Belebtschlamm wird wird über die biologische Stufe der MBA entsorgt. in der anschließenden zweistraßigen Ultrafiltrationsanlage (Abbildung 3-60) abgetrennt. Die Filtrationsstra- Die Investition für die Anlagentechnik betrug 850.000 Euro. ßen bestehen aus je vier Rohrmodulen und können un- Die Betriebskosten sind vom Anlagenlieferanten mit abhängig voneinander betrieben und gereinigt werden. 4 – 5 s/m3 kalkuliert worden, können aber erst nach län- Die Membrananlage wird im Cross-Flow-Verfahren mit gerer Laufzeit der Anlage genauer angegeben werden. einem mittleren Transmembrandruck von 4 bar betrieben, 243 3 3 Membrantechnik in der industriellen Abwasserreinigung 244 Richtlinien und Normen in der Membrantechnik 4 4 Richtlinien und Normen in der Membrantechnik Wie die vorstehenden Kapitel zeigen, sind die Einsatzberei- eingesetzten Membran, sondern auf die Änderung der che der Membrantechnik zur Abwasseraufbereitung und Belebungsbeckendimensionierung gegenüber dem kon- die mit ihr verfolgten Ziele vielfältig (siehe 3.2). Für jeden ventionellen Belebungsverfahren. Die Änderung ergibt Anwendungsfall muss der Einsatz einer Membrananlage sich aus dem möglichen höheren Trockensubstanzgehalt geprüft und der spezifischen Aufgabenstellung angepasst und besteht im Wesentlichen aus einem anderen Berech- werden, wodurch das Fehlen von DIN-Normen und die nungsansatz für die Überschussschlammproduktion und geringe Anzahl vorhandener Richtlinien erklärt werden den Sauerstoffverbrauch sowie in der Definition eines kann. Eine Standardlösung für die Anwendung der Mem- minimalen Schlammalters und einer minimalen Über- brantechnik und die Auslegung einer Membrananlage schussschlammproduktion. existiert nicht, es kann aber für einzelne Anwendungen bereits auf viele Erfahrungen zurückgegriffen werden. Die DWA-Arbeitsgruppe IG 5.5 „Membrantechnik“ hat einen Arbeitsbericht unter dem Titel „Aufbereitung von Die baulichen Anforderungen an Membrananlagen sind Industrieabwässern und Prozesswasser mit Membranver- durch Richtlinien aus dem Anlagenbau festgelegt. Die fahren und Membranbelebungsverfahren“ erarbeitet Bemessung von Anlagen mit einer bestimmten Leistungs- [ATV-DVWK 2002]. Dieser Arbeitsbericht besteht aus zwei fähigkeit und die Anforderungen an eine Membran rich- Teilen. Teil 1 befasst sich mit Membranverfahren zur Ab- ten sich nach dem jeweils definierten Ziel und den Rah- trennung von ungelösten, kolloidalen oder gelösten Stof- menbedingungen. fen. In Teil 2 wird speziell auf das Membranbelebungsverfahren eingegangen. Hier wird insbesondere auf die Unter- Das vorrangige Ziel in der Abwasseraufbereitung bzw. schiede hingewiesen, die sich bei der Anwendung des -behandlung besteht in der Einhaltung vorgegebener Membranbelebungsverfahrens zur Reinigung industrieller Grenzwerte, die in den Bedingungen für die Einleitung in Abwässer gegenüber kommunalen Abwässern ergeben. Gewässer [ABWV 2002] und in das öffentliche Kanalnetz Wegen der Vielfalt der Anwendungsfälle und der Unter- (Indirekteinleiterverordnungen der Länder und Satzungs- schiedlichkeit der Abwässer werden diese Arbeitsberichte rechte) definiert sind und auf § 7a des Wasserhaushalts- keine Bemessungsrichtlinien enthalten können. Sie geben gesetzes [WHG 1996] basieren. Es gibt Merkblätter mit jedoch Hinweise auf besonders geeignete und auch auf Empfehlungen für die Behandlungsmöglichkeiten der eher ungeeignete Anwendungsfälle und listen Einsatz- charakteristischen Emissionen einzelner Industriezweige, beispiele auf. um diese Grenzwerte einhalten zu können. In einigen Merkblättern wird auch der Einsatz von Membranverfah- Weitere Richtlinien, die den Einsatz der Membrantechnik ren genannt, so z. B. zur Behandlung von Emissionen aus in der Abwasser- und Wasserbehandlung betreffen, werden der metallverarbeitenden Industrie [ATV-DVWK 2000b]. im Folgenden kurz beschrieben. Bemessungshinweise sind jedoch nicht vorhanden. Für den Einsatz der Membrantechnik in der DeponieZum Thema der Membrantechnik in der Abwasserbe- sickerwasserbehandlung hat der Verband Deutscher handlung haben sich bei der DWA der Fachausschuss Maschinen- und Anlagenbau e.V. ein Einheitsblatt heraus- KA-7 „Membranbelebungsverfahren“ und die gegeben [VDMA 1994]. Dieses Einheitsblatt versteht sich Arbeitsgruppe IG-5.5 „Membrantechnik“ gebildet. als vorläufige Richtlinie, die bei Beratungen zur Normung oder zur Präzisierung europäischer Normen herangezogen Der erstgenannte Fachausschuss hat für das Membranbe- werden kann. Die darin enthaltenen Hinweise zur lebungsverfahren bereits zwei Arbeitsberichte „Membran- Dimensionierung von Membrananlagen sind qualitativer belebungsverfahren“ veröffentlicht [ATV-DVWK 2000a; Art. Zum einen werden die zu bestimmenden Größen DWA 2005]. Die Berichte enthalten Grundlagen zum genannt (erforderliche Membranfläche, mengenmäßige Membranbelebungsverfahren, Bemessungsansätze und Abschätzung der Volumenströme für Permeat und Reten- notwendige Vorbehandlungsmaßnahmen. Die Bemes- tat bzw. Konzentrat) und zum anderen die notwendigen sungsansätze beziehen sich nicht auf die Auslegung der Planungsschritte (Laborversuche, Pilotanlage und Techni- 246 Richtlinien und Normen in der Membrantechnik kumversuche vor Ort, siehe auch 3.3). Besonders betont wird, dass zur Ermittlung der Betriebsparameter (z. B. Betriebsdruck, Überströmgeschwindigkeit, Prozesstemperatur, spezifischer Permeatfluss) aus der Praxis bekannte oder in Versuchen ermittelte Werte herangezogen werden sollen, wobei die Randbedingungen sorgfältig zu prüfen sind, unter denen diese Werte zustande gekommen sind [VDMA 1994]. Diese Vorgehensweise bei der Planung von Membrananlagen kann auf alle anderen Einsatzbereiche übertragen werden. Des Weiteren hat der Arbeitskreis „Membrantechnik“ der Bundesvereinigung der Firmen im Gas und Wasserfach e. V. (FIGAWA)1) einige Merkblätter sowie Technische Mitteilungen zum Thema der Membrantechnik in der Wasserund Abwasseraufbereitung herausgegeben. In verschiedenen Mitteilungen werden die elektrochemische Entsalzung [FIGAWA 1999], die Umkehrosmose [FIGAWA 1996a; FIGAWA 1996b; FIGAWA 1985], die CrossflowMikrofiltration [FIGAWA 1992], die Elektrodialyse und Diffusionsdialyse [FIGAWA 1991] und Membranprozesse (RO, UF, Elektrodialyse) in der Frisch- und Abwasseraufbereitung [MARQUARDT 1988] erläutert. In allen Technischen Mitteilungen und Merkblättern werden neben der Funktionsweise des jeweiligen Verfahrens die Einsatzmöglichkeiten genannt, wobei auch hier keine konkreten Dimensionierungshinweise enthalten sind. 1) FIGAWA: unabhängiger technisch-wissenschaftlicher Fachverband, 1926 gegründet. Hauptaufgabe ist die Förderung der Technik und Wissenschaft im Gas- und Wasserfach. Der Arbeitskreis „Membrantechnik“ wurde 1975 innerhalb der Fachgruppe „Wasseraufbereitung“ gegründet und begleitet im Fach kontinuierlich die einschlägige Regelwerksgebung sowie die technische Weiterentwicklung der entsprechenden Anlagen und Geräte [FIGAWA 1999]. 247 4 4 Richtlinien und Normen in der Membrantechnik 248 Zusammenfassung und Ausblick 5 5 Zusammenfassung und Ausblick Die Membrantechnik stellt heute für viele Bereiche eine industriellen Abwasseraufbereitung steht der Einsatz der bewährte Alternative zu klassischen Verfahren in der kom- Membrantechnik oft im Zusammenhang mit produk- munalen und industriellen Abwasserreinigung dar und tionsintegriertem Umweltschutz (PIUS). Da Wasser das kann zur Reduzierung der Ver- und Entsorgungs- sowie meistgenutzte Lösemittel darstellt, ist es Ziel des PIUS, die Produktionskosten und Minderung von Umweltbelastun- z. T. gelösten Stoffe zu vermeiden oder, sofern dies nicht gen beitragen. Die vorliegende Publikation gibt eine Ein- möglich ist, wieder aus dem Wasser herauszutrennen und führung in die Membrantechnik und ihren Einsatz in der auf diese Weise eine Kreislaufführung des Wassers zu er- kommunalen und industriellen Abwasserreinigung in möglichen. Selbst wenn sich kein vollständig geschlosse- Deutschland gemäß dem Stand der Technik und der ner Kreislauf realisieren lässt, kann eine geschickte Mehr- Wissenschaft. Die Einsatzfähigkeit und Leistungsfähigkeit fachnutzung die Abwassermenge deutlich reduzieren. von Membrananlagen wird an großtechnisch realisierten Anlagen aus dem kommunalen und industriellen Bereich Neben den in dieser Publikation gezeigten Beispielen exis- beispielhaft gezeigt. tieren weitere Einsatzgebiete für die Membrantechnik. Aufgrund der großen Auswahl an verfügbaren Memb- Der Anteil der kommunalen an den weltweit zur Abwas- ranen und Modulen lässt sich für fast jede Aufgabenstel- serbehandlung eingesetzten Membrananlagen ist derzeit lung ein technisch geeignetes System finden, das dann aufgrund wirtschaftlicher Aspekte, insbesondere was den auch unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichts- Membranersatz und den Energiebedarf betrifft, noch punkten zu prüfen ist. Unabhängig vom Einsatzbereich gering. Bei bestimmten Randbedingungen kann sich der eines Membranverfahrens sollten der Auswahl stets eine Einsatz von Membranverfahren bei der kommunalen genaue Bestandsaufnahme der vorhandenen Rahmenbe- Abwasserreinigung jedoch als wirtschaftlich erweisen: dingungen und ein Wirtschaftlichkeitsvergleich zu alter- Dazu gehören weitergehende oder zusätzliche Anforde- nativen Verfahren vorausgehen. Zu betonen ist aber, dass rungen an die Ablaufqualität, ein geringes Flächenange- in der Mehrheit der Fälle keine Standardlösung existiert, bot für den Anlagenneubau bzw. die Anlagenerweiterung so dass für den erfolgreichen Betrieb einer Membranan- und Möglichkeiten zur anschließenden Verwendung des lage immer eine ausführliche Pilotierung und Planung gereinigten Abwassers. unter Berücksichtigung der gegebenen Randbedingungen durch Fachleute erforderlich ist. Versuche im labor- und Die Anwendung der Niederdruck-Verfahren hat gezeigt, halbtechnischen Maßstab tragen dazu bei, ein praktika- dass Abwasserreinigung mit Membrantechnik mit hoher bles System mit mehr Sicherheit zu planen. Besonderes Biomassenkonzentration im Belebungsbecken technisch Augenmerk gilt dem Bedarf an Energie und Reinigungs- möglich und wirtschaftlich sein kann. Die mit einer chemikalien sowie der Standzeit der Membranen. Stei- modernen konventionellen Anlage verbundenen Investi- gende Wasser- und Abwasserkosten sowie fallende Mem- tionen und die einer Membranbelebungsanlage liegen branpreise führen allerdings zu einer stetigen Verbesse- heute bereits in gleicher Größenordnung, wobei die rung der wirtschaftlichen Situation von Membranverfah- Behandlungskosten bei einer Membrananlage derzeit ren im Vergleich zu anderen Abwasserbehandlungs- bzw. noch etwas höher veranschlagt werden müssen. Zur -aufbereitungsverfahren. Reduzierung dieser Kosten, die eine Membranbelebungsanlage auch in wirtschaftlicher Hinsicht mit einer kon- Die Entwicklung der Membrantechnik im Bereich der ventionellen Anlage konkurrieren lässt, müssen sich For- Wasser- und Abwasseraufbereitung ist nicht abgeschlos- schung und Entwicklung auf die Steigerung des Permeat- sen. Der Ausblick für die nahe Zukunft lässt ein noch flusses, die Senkung des spezifischen Energieverbrauchs breiter gefächertes Anwendungsspektrum erwarten. Auf- und die Erhöhung der Membranstandzeit konzentrieren. gabenstellungen, die in der Vergangenheit aufgrund der Beschaffenheit der aufzubereitenden Flüssigkeiten dem Im Gegensatz zum kommunalen Bereich ist die Anwen- Einsatz von Membranverfahren entzogen waren, können dung der Membrantechnik in der Industrie äußerst viel- durch die fortlaufende Entwicklung von Membranmateri- fältig und durch zahlreiche Referenzen belegt. In der alien und Modulkonstruktionen einerseits und von Pro- 250 Zusammenfassung und Ausblick zessgestaltung und Verfahrenstechnik andererseits gelöst werden. Es ist daher wichtig, neben der Beurteilung laufender Anlagen stets auch technische Neuentwicklungen aufmerksam zu verfolgen und zu prüfen. Forschungsbedarf besteht bei der Anlagenauslegung und den betriebsbestimmenden Parametern sowie bei der Kontrolle von Foulingeffekten. 251 5 5 Zusammenfassung und Ausblick 252 Literaturverzeichnis 6 6 Literaturverzeichnis A3 GmbH (2004): Informationen und Fotos der Firma ATV-DVWK (Abwassertechnische Vereinigung A3-Abfall-Abwasser-Anlagentechnik GmbH, Gelsenkirchen. – Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.) (2002): Aufbereitung von AbwV (2002): Verordnung über Anforderungen an das Industrieabwasser und Prozesswasser mit Membranver- Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserverordnung fahren und Membranbelebungsverfahren, Arbeitsbericht – AbwV), Fassung vom 15. Oktober 2002, BGBl. Nr. I vom der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe IG 5.5 „Membrantechnik“. 23.10.2002; S. 4047. Teil 1, Korrespondenz Abwasser, Jg. 49, Nr. 10, S. 1.423 – 1.431; Teil 2, Korrespondenz Abwasser, Jg. 49, Nr. 11, Aggerverband (2002): persönliche Mitteilung von S. 1.563 – 1.571. Herrn Wozniak, Aggerverband, Gummersbach. ATV-DVWK (Abwassertechnische Vereinigung Aggerverband (2004): persönliche Mitteilung von – Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Herrn Dr. Scheuer, Aggerverband, Gummersbach. Abwasser und Abfall e.V.) (2000 a): Membranbelebungsverfahren, Arbeitsbericht des Fachausschusses KA-7, Aggerwasser GmbH (2001): persönliche Mitteilung Korrespondenz Abwasser, Jg. 47, Nr. 10, S. 1.547 – 1.553. von Herrn Wozniak, Aggerwasser GmbH, Gummersbach. ATV-DVWK (Abwassertechnische Vereinigung Aggerwasser GmbH (2004): persönliche Mitteilung – Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, von Herrn Wozniak, Aggerwasser GmbH, Gummersbach. Abwasser und Abfall e.V.) (2000b): Emissionen aus der metallverarbeitenden Industrie, Merkblatt ATV- Amanda, A. et al. (2000): Semicristalline Polyvinyl DVWK-M 765, Teil 1: Grundlagen der Behandlung; Teil 2: alcohol ultrafiltration membranes for bioseparation, Galvanisieren und stromlose Metallabscheidung, Teil 4: J. Membrane Sci., Nr. 176, S. 87 – 95. Anodisieren, Teil 5: Mechanische Bearbeitung, ATVDVWK-Regelwerk. Amafilter (2001): verschiedenen Firmeninformationen. ATV-DVWK (Abwassertechnische Vereinigung Amperverband (2002): Fotos des Amperverbands, – Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Geiselbullach. Abwasser und Abfall e.V.) (2000c): Arbeitsblatt ATVDVWK-A 131; Bemessung von einstufigen Belebungsan- Amperverband (2004): Informationen von Herrn lagen; Hennef, GFA. Kopmann, Amperverband, Geiselbullach. Baker, J. S. et al. (1998): Biofouling in membrane ATV (Abwassertechnische Vereinigung) (Hrsg.) systems – A review, Desalination, Nr. 118, S. 81 – 90. (1986): Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik, Bände 1 bis 8, 3. überarbeitete Auflage, Verlag Ernst und Baumgarten, G. (1998): Behandlung von Deponie- Sohn, Berlin. sickerwasser mit Membranverfahren – Umkehrosmose, Nanofiltration, Veröffentlichungen des Institutes für ATV (Abwassertechnische Vereinigung) (1993): Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Uni- Deponiesickerwasserbehandlung, Arbeitsbericht der ATV- versität Hannover, Nr. 99. Arbeitsgruppe 7.2.26 „Abwässer aus Abfalldeponien“ im ATV-Fachausschuss 7.2 „Industrieabwasser mit organischen Baumgarten, S. (2001a): Erfahrungen aus dem Betrieb Inhaltsstoffen, Korrespondenz Abwasser, Jg. 40, Nr. 3, von Membranbelebungsanlagen, 13. Kolloquium und S. 365 – 396. Fortbildungskurs zur Abwasserwirtschaft, Hamburg 13.09.2001, URL: www.isa.rwth- aachen.de/vortraege. 254 Literaturverzeichnis Baumgarten, S. (2001b): Betriebserfahrungen mit Brockmann, M. (1998): Beitrag zur membranunter- getauchten Plattenmembranen auf der KA Büchel. In: stützten biologischen Abwasserreinigung. Veröffentlichun- Tagungsband zum Workshop Angewandte Membranfiltra- gen des Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und tion der Kommunalen Wasserwerke Leipzig, 06.11.2001, Abfalltechnik der Universität Hannover, Nr. 98. Leipzig. Brüß, U.; Richter, S. (2001): Abwasserreinigung an Baumgarten, S. (2005): Simultaner Einsatz pulverisier- Bord von Schiffen, der MEMROD ®-Reaktor. In: Melin, T.; ter Aktivkohle in Membranbioreaktoren; Begleitbuch zur Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur 4. Aachener 6. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Ver- Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. fahrenstechnik, Aachen, Oktober 2005. Busse (2002): URL: Baumgarten, S.; Brands, E. (2002): Erkenntnisse zur www.busse-mbh.de/de/abwasser/biomir/index.html. Leistungsfähigkeit von Membranbelebungsanlagen am Beispiel der Kläranlage Büchel; Vortrag, Abschlusskollo- Busse (2005): persönliche Mitteilung der Fa. Busse GmbH, quium zum Pilotprojekt Membrantechnik Kläranlage Herr C. Belz, Leiter F & E. Büchel, Januar 2002. Churchhouse, S.; Wildgoose, D. (2000): Membrane Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Bioreactors hit the big Time – from Lab to Full Scale (2004): persönliche Mitteilung von Herrn Bleisteiner, Application. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Dohmann, M. München (Hrsg.): Begleitband zur 3. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. Böttger, D. (2001): persönliche Mitteilung, Fotomaterial der Ultrafiltrationsanlage im Unternehmen van Clewe. Cornel, P.; Wagner, M., Krause, S. (2001): Sauerstoffeintrag in Membranbelebungsanlagen. In: Melin, T.; Bohn, T. (1993): Wirtschaftlichkeit und Kostenplanung Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur 4. Aachener von kommunalen Abwasserreinigungsanlagen, Schriften- Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. reihe des Instituts für Baubetriebslehre der Universität Stuttgart, Bd. 34, Expert-Verlag Renningen-Malmsheim. Degebran: Technisches Merkblatt Degebran®-Hydrorec, Wasseraufbereitung im Schwimmbad, degebran® GmbH Brands, E.; Baumgarten, S.; Bruszies, D. (2000): Anlagebau. Entwässerung und Faulverhalten belebter Schlämme aus Membranbelebungsanlagen. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Deutsch, R. (2001): persönliche Mitteilung, Fließschema Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur 3. Aachener Tagung Bilgenentölungsboot. „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. DHV (2004): persönliche Mitteilung von Herrn van Braun, G.; Janitza, J.; Kyburz, M. (1997): Abwasser- Bentem, Fotomaterial der Firma DHV Water DV, Amers- reinigung und -recycling in der Textilindustrie, Betriebs- foort, Niederlande. erfahrungen einer Großanlage und neue Entwicklungen. In: Tagungsband zum Colloquium „Produktionsintegrierter Dichtl, N.; Kopp, J. (1999): Entwässerungsverhalten Umweltschutz“, IUV Institut für Umweltverfahrenstechnik, von Klärschlämmen aus Anlagen mit Membranfiltration, Universität Bremen und GVC -VDI-Gesellschaft Verfah- Wasser Abwasser Praxis, Nr. 1, S. 35 ff. renstechnik und Chemieingenieurwesen. DIN 19643 (1999): Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser, DIN – Deutsches Institut für Normung (Hrsg.). 255 6 6 Literaturverzeichnis Dittrich, J.; Gnirß, R.; Peter-Fröhlich, A.; Sarfert Driesen, A.; Pasel, C.; Herbell, J.-D. (1998): Ultra- (1998): Betriebserfahrungen und Kostenbetrachtungen filtration und Umkehrosmose in der industriellen Ab- für die Mikrofiltration von gereinigtem Abwasser – Ergeb- wasserreinigung, Wasser Abwasser Praxis, Nr. 1, S. 44 – 48. nisse eines BMBF-Forschungsvorhabens. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur Düngeverordnung (1996): Verordnung über die 2. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA Grundsätze der guten fachlichen Praxis beim Düngen RWTH Aachen. (Düngeverordnung) vom 26. Januar 1996, BGBl. Teil I vom 6. Februar 1996, S. 118; geändert durch Artikel 2 Dohmann, M. et al. (1993): Bemessung der Belebungs- der Verordnung vom 16. Juli 1997, BGBl. I, S. 1836. becken nach dem Ansatz der Hochschulgruppe (HSG), Korrespondenz Abwasser, Jg. 40, Nr. 8, S. 1.240 ff. DWA (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.) (2005): Membranbelebungs- Dohmann, M. (1997): Vergangenheit und Zukunft der verfahren, 2. Arbeitsbericht des DWA-Fachausschuss KA-7, weitergehenden Abwasserreinigung, Korrespondenz Abwas- Fassung vom 19.01.2005, abrufbar unter www.dwa.de. ser, Jg. 44, Nr. 5, S. 793 – 800. EFA (Effizienz-Agentur NRW) (2000): MembrantechDohmann, M.; Buer, T.; Vossenkaul, K. (2002): nik: Besser trennen. Besser wirtschaften. Möglichkeiten Stand und weitere Entwicklungen membrantechnischer einer jungen Technologie. Effizienz-Agentur NRW. Anlagen im Bereich der Wasserversorgung und Abwasserentsorgung. Vortrag, Abschlusskolloquium zum Pilot- Eisele, G (2003): Untersuchung der weitergehenden projekt Membrantechnik Kläranlage Büchel, Januar 2002. Abwasserreinigung im Verbandsgebiet des Abwasserzweckverband Bondorf-Hailfingen. In: Melin, T.; Dohmann, M. Dorau, W. (1999): Fragen zur Abwasserhygiene – (Hrsg.): Begleitband zur 5. Aachener Tagung „Membran- Lösungsmöglichkeiten mit der Bio - Membran -Technik, technik“, IVT und ISA RWTH Aachen. Wasser & Boden, Jg. 51, Nr. 10, S. 6 – 10. Engelhardt, N.; Drensla, K.; Brepols, C.; Janot, A. DPC – Dr.-Ing. Peters Consulting für Membran- (2001): Weitergehende Optimierung einer Belebungsan- technologie und Umwelttechnik (1997): persönliche lage mit Membranfiltration, Zwischenbericht des Erftver- Mitteilung Dr.-Ing. Peters. bandes zum gleichnamigen Forschungsvorhaben im Auftrag des MUNLV. Drensla, K.; Firk, W.; Janot, A. (2001): Entwässerungsverhalten des Klärschlammes der Membranbelebungs- Engelhardt, N. (2002): Wirtschaftlichkeit einer groß- anlage Rödingen des Erftverbandes. In: GWA, Bd. 184 zur technischen kommunalen Membranbelebungsanlage am 34. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft. Beispiel der Kläranlage Nordkanal (80.000 EW) des Erftverbandes. In: GWA, Bd. 188 zur 35. Essener Tagung für Drensla, K. (2001): Betrieberfahrungen mit der Mem- Wasser- und Abfallwirtschaft. branbelebungsanlage Rödingen des Erftverbandes. In: Tagungsband zum Workshop Angewandte Membranfiltra- EnviCare (2004): tion der Kommunalen Wasserwerke Leipzig, 06.11.2001, http://www.envicare.at/ger/memjet.php, Leipzig. Stand: 16.12.2004. Drensla, K., Schaule, G. (2004): Definition, Notwen- Erftverband (2002): Informationen des Erftverbands digkeit, Verfahren und Erfahrungen mit der chemischen zur Planung der Kläranlage Nordkanal, Bergheim. Membranreinigung. In: Tagungsband zur Gemeinschaftstagung Membrantage von ATV-DVWK und DVGW, Erftverband (2004): Informationen des Erftverbands, 22. – 24.06.2004, Kassel. Bergheim. 256 Literaturverzeichnis FIGAWA (1985): Umkehrosmose in der Wasseraufberei- Furtmann, K.; Lokotsch, R.; Zimmermann, K. tung, Technische Mitteilungen der FIGAWA Nr. 4, aus bbr (2001): Qualifizierte Umwelt-Analytik als Basis-Instru- Wasser und Rohrbau, Nr. 4, S. 126 – 132. ment fachlicher Entscheidungsfindung – dargestellt am Beispiel der Bilgenöl-Problematik. In: Jahresbericht 2000 FIGAWA (1991): Elektrodialyse und Diffusionsdialyse, des Landesumweltamtes Nordrhein-Westfalen, Essen Technische Mitteilung Nr. 4 der FIGAWA, Arbeitskreis 2001, S. 101-105. „Membrantechnik“, 3. überarbeitete Neuauflage, Galvanotechnik 82, Nr. 7, S. 2.298 – 2.306 und Oberfläche surface, Gemeindewerke Eitorf (2004): persönliche Mittei- Nr. 3, S. 8 – 13. lung von Herrn Neulen, Eitorf. FIGAWA (1992): Crossflow-Mikrofiltration, Technische Gesamttextil (Hrsg.) 2004: Jahrbuch der Textilindustrie, Mitteilung Nr. 16 der FIGAWA, Arbeitskreis „Membran- Gesamttextil – Gesamtverband der Textilindustrie in der technik“, Sonderdruck aus bbr Wasser und Rohrbau, Nr. 2. Bundesrepublik Deutschland. Eschborn: Textil-Serviceund Verl.-Ges.; Frankfurt, M. FIGAWA (1996a): Umkehrosmose, Merkblatt des FIGAWA-Arbeitskreises „Membrantechnik“, Bundesvereinigung Günder, B. (1999): Das Membranbelebungsverfahren der Firmen im Gas- und Wasserfach. in der kommunalen Abwasserreinigung; Dissertation, Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 153. FIGAWA (1996b): Voraufbereitungsmaßnahmen (Konditionierung) für den Betrieb von Umkehrosmose-Anlagen, Günthert, F. W.; Reicherter, E. (2001): Investitions- Technische Mitteilung Nr. 17/96 des FIGAWA-Arbeitskreises kosten der Abwasserentsorgung, Oldenburg Industrieverlag Membrantechnik, Sonderdruck aus bbr Wasser und Rohr- GmbH, München. bau, Nr. 7/1996. Gutsch, A.; Heidenreich, F.-P. (Hrsg.) (2001): InnoFIGAWA (1999): Kontinuierliche elektrochemische Ent- vation Abwasser, Beispielhafte Projekte aus dem Abwasser- salzung, Technische Mitteilung 21/99 des FI-GAWA-Arbeits- bereich. Initiativen zum Umweltschutz, Bd. 24, Erich kreises Membrantechnik, Sonderdruck aus bbr Wasser Schmidt Verlag, Berlin. und Rohrbau, Ausgabe 2/1999. Harmel, K. (2001): persönliche Mitteilung, Fotomaterial Flemming, H.C. (1995): Biofouling bei Membranpro- der Ultrafiltrationsanlage bei Daimler Chrysler, Düsseldorf. zessen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Hartmann, L. (1983): Biologische Abwasserreinigung. Flemming, H.C. (2000): Membrane and Microorga- Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York. nisms – Love at First Sight and the Consequences. In: Hills P. (Hrsg.): Membrane Technology in Water and Henß, T.; Opitzer, R. (1995): Betriebsergebnisse zweier Wastewater Treatment, GB-Lancaster. Deponiesickerwasser-Aufbereitungsanlagen, Entsorgungspraxis, Nr. 6, S. 72 – 76. Frimmel, F.H.; Gorenflo, A. (2000): Aufbereitung wässriger Lösungen durch Membranverfahren. Skript der Huber (2002): persönliche Mitteilung von Herrn Dr. Christ, Universität Karlsruhe zur gleichnamigen Vorlesung. URL: Huber AG, Berching. www.wasserchemie.uni-karlsruhe.de/Lehre/Membranscript.pdf. Huber AG (2004): persönliche Mitteilung von Herrn Hackner, Huber AG, Berching. 257 6 6 Literaturverzeichnis imb+frings watersystems gmbh (2004): persönliche Kriebitzsch, K.- J. (1999): Ursachenanalyse und Be- Informationen von Herrn Dr. Lindemann und Fotos der kämpfung von Schwebschlamm am Beispiel der Behand- Firma imb + frings watersystems gmbh, Köln. lung von Papierfabrikabwasser in SBR-Anlagen. Dissertation an der TU-München. ISA (2002): Eigene Erhebung zur Entwicklung der Membranersatzkosten, Aachen. Lindau, J.; Jönsson, A.-S.; Bottino, A. (1998): Flux reduction of ultrafiltration membranes with different Kasten, K. (2001): persönliche Mitteilung, Fotomaterial cutt-off due to adsorption of a low-molecular-weight der Ultrafiltrationsanlage bei Faurecia, Bertrand Faure hydrophobic solute-correlation between flux decline and Sitztechnik GmbH & Co. KG, Stadthagen. pore size, J. Membrane Sci., Nr. 149, S. 11 – 20. Kazner, C. (2003): Erweiterung der Kläranlage Eitorf Lindau, J.; Jönsson, A.-S. (1999): Adsorptive fouling – Untersuchungen zur Dosierung von Pulveraktivkohle; of modified and unmodified commercial polymeric ultra- Abschlussbericht der Dr. Dahlem B. I. im Auftrag der filtration membranes, J. Membrane Sci., Nr. 160, S. 65 – 76. Gemeindewerke Eitorf, November 2003. Lindemann, J. (2001): persönliche Mitteilung, FotoKlemens, S. (2002): Radikal dezentral, Umweltmagazin, material, Köln. März 2002, S. 50 ff. LINEG (2004): persönliche Mitteilung von Herrn Dr. Kühn, Koch-Glitsch GmbH (2001): persönliche Mitteilung Kamp-Lintfort. und Firmeninformationen. Lotz, M. (2000): persönliche Mitteilung, Fließschema Koppe, P., Stozek, A. (1999): Kommunales Abwasser. zum Konzept 2000 der Emsland-Stärke GbmH, Emlichheim. Vulkan-Verlag, Essen. L.V. H. T. – Lehr- und Versuchsgesellschaft für Kraft, A.; Mende, U. (1997): Das WABAG Submerget innovative Hygiene -Technik mbH (2001): Schema Membrane System für Prozesswasserreinigung und des Betriebswasser-Recycling-Systems AquaREC ® Herten, -recycling am Beispiel von Mälzereiprozesswasser-Auf- persönliche Mitteilung. bereitung. In: Tagungsband zum Colloquium „Produktionsintegrierter Umweltschutz“, IUV Institut für Umwelt- Machenbach, I. (1998): Membrane Technology for verfahrenstechnik, Universität Bremen und GVC-VDI- Dyehouse Effluent Treatment, Membrane Technology, Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieur- Nr. 96, 1998, S. 7 – 10. wesen. Maier, W., Vogel, H.-J. (2003): Pilotprojekt Kläranlage Kramer, J. F.; Koppers, H. (2000): Verschmutzung von Merklingen – Bau von Anlagen zur Keimreduzierung: In Membranen bei der weitergehenden Behandlung von Begleitband zur Tagung „Abwasserdesinfektion und ener- Abläufen von Kläranlagen. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; getische Optimierung als zukünftige Aufgabe der Sied- Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur 3. Aachener lungswasserwirtschaft“. Stuttgarter Berichte zur Sied- Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. lungswasserwirtschaft, Oldenburg Industrieverlag GmbH, München. Kraume, M.; Rosenberger, S.; Szewyk, U. (2000): Begutachtung der Hauskläranlage BioMIR ®, TU-Berlin, Mall (2002): Produktinformationen zu Kleinkläranlagen Juni 2000. des Typs UltraSept; URL: www.mallbeton.de 258 Literaturverzeichnis MARPOL: Änderungen des Protokolls von 1978 zu dem MUNLV – Ministerium für Umwelt und Natur- Internationalen Übereinkommen von 1973 zur Verhütung schutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des der Meeresverschmutzung durch Schiffe (Änderungen der Landes Nordrhein-Westfalen (2004): Untersuchungen Anlage IV zu MARPOL 73/78). zum Eintrag und zur Elimination von gefährlichen Stoffen in kommunalen Kläranlagen. Düsseldorf. Marquardt, K. (1988): Membranprozesse in der Frischund Abwasseraufbereitung, Umkehrosmose, Ultrafiltration, MUNLV – Ministerium für Umwelt und Natur- Elektrodialyse, Merkblätter der FIGAWA, Sonderdruck aus schutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz Galvanotechnik Nr. 2/87, 5/87, 8/87 und 3/88. des Landes Nordrhein-Westfalen (2005): Entwicklung und Stand der Abwasserbeseitigung in Nordrhein- Marzinkowski, J. (1999): Schließung von Wasserkreis- Westfalen, 11. Auflage. Düsseldorf. läufen bei der Textilveredlung. In Fritz Brickwedde (Hrsg.): Stoffstrommanagement – Herausforderung für eine nach- MURL – Ministerium für Umwelt, Raumordnung haltige Entwicklung, 4. Internationale Sommerakademie und Landwirtschaft NRW (1996): Wasserrundbrief 1. St. Marienthal, Steinbacher Druck GmbH, Osnabrück. N. N. (1992): Demonstration of Memtec Microfiltration Maurer, C. (2001): persönliche Mitteilung, Fotomaterial for Desinfection of Secondary Treatead Sewage, Water der Firma Pall von der Deponie Alsdorf-Warden, Dreieich. Board, Memtec Ltd., Dept. Of Industry. Technology and Commerce, Vol. 1, NSW, Australia. Menge, D. (2001): Membrantechnik in der Wasserkreislaufführung – ein Beispiel aus dem Förderprogramm PIUS. N. N. (1996): Microfiltration of Sewage Effluent, Aber- In: Jahresbericht 2000, Landesumweltamt Nordrhein- porth, Wales UK; Life 92-1/UK/004; B4-3200/92/12560 Westfalen, Essen, S. 193 – 199. (Final Report). Melin, T. (1999): Vorlesungsskript zur Vorlesung Mem- N. N. (2001): Zusammenstellung weltweit installierter branverfahren, Institut für Verfahrenstechnik der RWTH Mikro- und Ultrafiltrationsanlagen mit Behandlungskapa- Aachen. zitäten > 500 m 3/d. URL: www.fluidknowledge.com/start.html. Melin, T., Rautenbach, R. (2004): Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung. Springer Verlag Berlin. N. N. (2001a): REM-Aufnahme, Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen, 2001. Meyer, J. (2001): Bedienungserfahrungen der KA Markranstädt. In: Tagungsband zum Workshop Angewandte N. N. (2002a): Abbildung aus Internetquelle, URL: Membranfiltration der Kommunalen Wasserwerke Leip- www.tu-berlin.de/~itc/reichert/rem.jpg; 2002. zig, 6.11.2001, Leipzig. N. N. (2002c): Ertüchtigung der Kläranlage Büchel unter MUNLV – Ministerium für Umwelt und Natur- Einsatz der Membrantechnologie; Abschlussbericht zum schutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des gleichnamigen Forschungsvorhaben des MUNLV- NRW, Landes Nordrhein-Westfalen (2001): Produktions- in Vorbereitung. integrierter Umweltschutz (PIUS), Förderprojekte aus der „Initiative ökologische und nachhaltige Wasserwirtschaft N. N. (2002d): Grenzwerte für Kleinkläranlagen mit Nitri- NRW", MUNLV, Düsseldorf. fikation, Mitteilung des Sachverständigenausschusses für Kleinklärtechnik des Deutschen Instituts für Bautechnik. 259 6 6 Literaturverzeichnis Nolting, B.; Kazner, C. (2005): Erweiterung von be- PURON AG (2003): persönliche Mitteilung von Herrn stehenden Kläranlagen durch den Einsatz von Membran- Dr. Voßenkaul und Fotomaterial der Firma PURON AG, technologie, Dokumentationsband, 13. Europäisches Aachen. Wasser-, Abwasser- und Abfallsymposium, München, April 2005. Quaiser, J. (2001): persönliche Mitteilung, Fotomaterial der Enviro-Chemie GmbH, Roßdorf. Ohle, P. (2001): Bemessung von Membranbioreaktoren für die kommunale Abwasserreinigung, Dissertation Rautenbach, R. (1997): Membranverfahren – Grund- RWTH Aachen, GWA, Bd. 187, Aachen. lagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Otto, U. (2000): Entwicklungen beim Einsatz von Kleinkläranlagen; Dissertation. GWA, Bd. 175, Aachen. Rautenbach, R.; Voßenkaul, K.; Melin, T. (2000): Perspektiven der Membrantechnik bei der Abwasserbe- Pall (2001): Verschiedene Informationen der Firma Pall, handlung. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Dohmann, M. Dreieich. (Hrsg.): Begleitband zur 3. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. Panglisch, S.; Hagmeyer, G.; Gimbel, R. (1996): Fouling – Ursachen und Gegenmaßnahmen. In: Berichte Resch, H. (2002): Angaben zu Planungsdaten der Klär- aus dem Rheinisch-Westfälischen Institut für Wasserchemie anlage Monheim, persönliche Mitteilung, Januar 2002, und Wassertechnologie GmbH (IWW), Bd. 16, S. 37 – 61, Weißenburg. Eigenverlag, Mülheim. Rochem UF (2004): persönliche Mitteilung und Fotos Peters, T. (1996): Reinigung von Deponiesickerwasser der Firma Rochem UF-Systeme GmbH, Hamburg durch Membranfiltration mit Permeatausbeuten über 95 %, UTA Umwelttechnologie Aktuell, Nr. 2. Roest, H. van der (2001): Membranbioreaktor-Technologie beim Einsatz zur Reinigung kommunaler Abwässer. Peters, T. (1998): Wasseraufbereitung mit Membranfil- In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur 4. trations-Verfahren. In: Umwelt, Bd. 28, Nr. 4, S. 34 – 39. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. Peters, T. (2000): Kontrollierte Infiltration von Sickerwasser und Sickerwasserkonzentrat in den Deponiekörper. Roest, H. van der; Lawrence, D.; Bentem, A. van In W. Lukas (Hrsg.): Abfall – Deponie-Sickerwasser – De- (2002): Membrane Bioreactors for Municipal Wastewater ponie-Gas, Wirtschaftliche Alternativen und Perspektiven Treatment. STOWA Report, Nov. 2002. für die umweltgerechte Verwertung und Entsorgung, Vulkan-Verlag, Essen. Rosenwinkel, K.-H.; Gigerl, T.; Baumgarten, G. (1997): Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Membran- Peters, T. (2001): persönliche Mitteilung, Neuss. technik bei der Abwasserbehandlung. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur Pieracci, J.; Crivello, J. V.; Belfort, G. (1998): 1. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA Photochemical modification of 10 kD polyethersulfone RWTH Aachen. ultrafiltration membranes for reduction of biofouling, J. Membrane Sci., Nr. 156, S. 223 – 240. 260 Literaturverzeichnis Rosenwinkel, K.-H.; Baumgarten, G. (1998): Unter- Specht, H. (1997): Wirtschaftlich weil abfallarm, Mem- suchungen zum Betrieb konzentratgestufter Membran- branfiltration und Vakuumverdampfung, mo metallober- trennanlagen zur Abwasseraufbereitung unter besonderer fläche, Jg. 51, Nr. 6, S. 410 – 415. Beachtung der Möglichkeiten zur Konzentratentsorgung, Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben AZ 896/95, Stadt Dormagen (2004): persönliche Mitteilung von Juni 1998. Herrn Wedowski, Stadt Dormagen. Rosenwinkel, K.-H.; Weichgrebe, D.; Brinkmeyer, J. Stadtwerke Schramberg (2004): persönliche Mittei- (2001): Prüfbericht über die praktische Prüfung der Klär- lung von Herrn Rosenboom und Fotos der Stadtwerke anlage des Typs BioMIR ® MF-HKA 4 der Firma Busse GmbH Schramberg, Schramberg. nach DIN 4261 Teil 2, ISAH, Januar 2001. Starr, M. P., Stolp, H., Trüper, H. G., Balows, A. Roth (2001): persönliche Mitteilung, Fotomaterial zur (1981): The Prokaryotes, Vol. 1 and Vol. 2., Springer Membrananlage bei Massop in Kerkrade, Düsseldorf. Verlag, Berlin. RP Tübingen (2004): persönliche Mitteilung von Stein, S. (2002a): Angaben zu Planungsdaten der Klär- Herrn Vogel, Regierungspräsidium Tübingen. anlagen Markranstädt, Knautnaundorf und Markkleeberg, persönliche Mitteilung, Januar 2002, Leipzig. Schäfer, T.; Trauter, J.; Janitza, J. (1997): Aufarbeitung von Färbereiabwässern durch Nanofiltration, Textil- Stein, S. (2002b): Angaben zum Störfall (Herbst 2001) veredlung, Jg. 32, Nr. 3/4, S. 79– 83. auf der Kläranlage Knautnaundorf, persönliche Mitteilung, Juni 2002, Leipzig. Schering AG (2004): persönliche Mitteilung von Herrn Dr. Neuhaus und Fotos des Unternehmens Schering AG, Stein, S.; Walther, H.; Zastrow, P. (2001): Kläranlage Bergkamen. Markranstädt – Betriebsergebnisse einer Membranbelebungsanlage. In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleit- Schirm (2001): persönliche Mitteilung, Eltmann. band zur 4. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. Schilling, S. (2001): Einsatz eines Membranverfahrens zur Aufbereitung des Kläranlagenablaufs zu Brauchwasser. Stroh, N.; Walitza, E.; Brunner, H. (1997): Polymer- In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur membranen versus Keramikmembranen. In: Membran 4. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA HIT 97, 6. Hannoversche Industrieabwasser Tagung, Mem- RWTH Aachen. brantrennverfahren in der Industrieabwasserreinigung, Veröffentlichungen des Instituts für Siedlungswasserwirt- Schlegel, H.-G. (1976): Allgemeine Mikrobiologie. schaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, Nr. 103. Georg Thieme Verlag, Stuttgart. Theilen, U. (2000): Einsatz von Membranverfahren bei Schmidt, R. (2002): persönliche Mitteilung, Vortrags- der Industrieabwasserbehandlung. In: ATV-DVWK Schrif- unterlagen zum Chromdialyzer für die Fa. Atotech, Feucht. tenreihe 20 zur ATV-Bundestagung 2000, S. 273 – 304. Seyfried, A. (2002): Bemessung von Membranbio- Van Houtte, E.; Verbauwhede, J.; Bach, S.; Brock- reaktoren kommunaler Kläranlagen. In: GWA, Bd. 188 mann, M. (2004): Aufbereitung von gereinigtem Ab- zur 35. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft. wasser zu Rohwasser für die Trinkwasserversorgung in Flandern (Belgien), Korrespondenz Abwasser, Jg. 51, Nr. 7, S. 754 – 759. 261 6 6 Literaturverzeichnis VA TECH WABAG (2002): persönliche Mitteilung und Weise Water Systems GmbH (2004): persönliche Fotos der Anlage auf der Transeuropa; Fotograf: Ulrich Mitteilung von Herrn Weise und Fotos der Firma Weise Metelmann. Water Systems GmbH, Langgöns-Oberkleen. VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und An- Wozniak, T.; Baumgarten, S. (2001): Zweijährige lagebau e. V.) (1994): Anlagen zur Reinigung von Betriebserfahrungen mit der Membrantechnik auf der Deponiesickerwasser, VDMA-Einheitsblatt 24439, Oktober Kläranlage Büchel. In: Melin, T.; Dohmann, M. (Hrsg.): 1994. Begleitband zur 4. Aachener Tagung „Membrantechnik“, IVT und ISA RWTH Aachen. VDP (Verband Deutscher Papierfabriken e. V.) (2004): Statistiken der Branche der Papierindustrie, Wozniak, T. (2002): Persönliche Mitteilungen, u. a. Zahlen aus dem Jahr 2004. URL: www.vdp-online.de. zum Störfall auf der Kläranlage Swanage, Juni 2002. Verbandsgemeinde Bondorf (2004): persönliche Mit- WVER (2004): Persönliche Mittelungen von Herrn Rolfs, teilung von Herrn Vogel, Regierungspräsidium Tübingen. Wasserverband Eifel-Rur, Düren. Voßenkaul, K.; Melin, T.; Rautenbach, R. (2000): ZENON (2002): Verschiedene Informationen der Firma Perspektiven der Membrantechnik im Wasserkreislauf ZENON, Hilden. Schwimmbad. In: Melin, T.; Rautenbach, R.; Dohmann, M. (Hrsg.): Begleitband zur 3. Aachener Tagung „Membran- ZENON GmbH (2004): Verschiedene Informationen der technik“, IVT und ISA RWTH Aachen. Firma ZENON GmbH, Hilden. Voßenkaul, K.; Melin, T. (2001): Perspektiven für die ZKR – Zentralkommission für die Rheinschiff- Membrantechnik in der Abwasserbehandlung, UP Umwelt fahrt (2000): Übereinkommen über die Sammlung, Praxis, Nr. 10, S. 36 – 40. Abgabe und Annahme von Abfällen in der Rhein- und Binnenschifffahrt vom 9. September 1996; Straßburg Waizenegger, K.; Marzinkowski, J. M.; Fiedler, P.; Brille, F.; Saier, H.- D.; Pahl, S.; Peters, T. A.; Baum, G. (2000): Recycling von Mischabwasser einer Textilfärberei, Korrespondenz Abwasser, Jg. 47, Nr. 9, S. 1.296 – 1.305. Walther, H. (2001): Berücksichtigung der Membrantechnik im regionalen Abwasserentsorgungskonzept, Korrespondenz Abwasser, Jg. 48, Nr. 8, S. 1.092 – 1097. Wehrle Umwelt GmbH (2004): persönliche Mitteilung von Herrn Wienands und Fotos der Firma Wehrle Umwelt GmbH, Emmendingen. WHG (1996): Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts – Wasserhaushaltsgesetz, Fassung vom 12. November 1996, BGBl I, S. 1.690. 262 2000. Anhang A A Anhang A.1 Adressen (genannt in den Praxisbeispielen) A.1.1 Standorte der Membrananlagen in Deutschland Kommunale Abwasserreinigung KA Büchel Aggerverband KA Seelscheid Postfach 340240 KA Schramberg-Waldmössingen Stadtwerke Schramberg GmbH & Co. KG 51624 Gummersbach Am Hammergraben 8 Herr Dr. Scheuer 78713 Schramberg www.aggerverband.de Herr Rosenbohm www.stadtwerke-schramberg.de KA Kaarst Erftverband KA Rödingen Paffendorfer Weg 42 KA Glessen 50126 Bergheim rungs-Genossenschaft (LINEG) Herr N. Engelhardt Friedrich-Heinrich-Allee 64 Frau K. Drensla 47475 Kamp-Lintfort www.erftverband.de Herr Dr. Kühn KA Xanten-Vynen Linksniederrheinische Entwässe- www.lineg.de KA Knautnaundorf KW Leipzig GmbH KA Markranstädt Johannisgasse 7 – 9 KA Eitorf Gemeindewerke Eitorf 04103 Leipzig Ver- und Entsorgungsbetriebe Frau S. Stein Auf dem Erlenberg 3 www.wasser-leipzig.de 53783 Eitorf Herr Neulen KA Simmerath Wasserverband Eifel Rur KA Konzen Eisenbahnstraße 5 KA Rurberg-Woffelsbach 52325 Düren www.eitorf.de KA Kohlfurth Wupperverband Herr T. Rolfs Untere Lichtenplatz Straße 100 www.wver.de 42289 Wuppertal Herr Dr. Erbe KA Geiselbullach Amperverband www.wupperverband.de Verwaltung Eichenau Bahnhofstraße 7 KA Merklingen Gemeinde Merklingen 82223 Eichenau Hauptstraße 31 Herr T. Kopmann 89188 Merklingen www.amperverband.de KA Richtheim KA Monheim Stadt Monheim Rathausstraße 1 Marktplatz 23 92289 Ursensollen 86653 Monheim www.ursensollen.de Herr Wild www.monheim.de 264 Gemeinde Ursensollen Anhang Kommunale Abwasserreinigung (Fortsetzung) KA Hailfingen KA Dormagen KA Piene Abwasserzweckverband KA Golfplatz St. Wendel Stadt St. Wendel Bondorf-Hailfingen Rathaus IV, Abwasserwerk Rathaus Marienstraße 1 Marktplatz 18 66606 St. Wendel 72108 Rottenburg am Neckar Herr Schmidt Stadt Dormagen Bundeswehr Bundesamt für Wehrtechnik Stadtentwässerung und Beschaffung Tiefbauamt Ferdinand-Sauerbruch-Straße 1 Mathias-Giesen-Straße 11 56073 Koblenz 41540 Dormagen www.bwb.org Stadtwerke Gummersbach Rathausplatz 1 51643 Gummersbach Herr Bock Industrielle Abwasserreinigung Industriezweig Unternehmen Industriezweig Unternehmen Lebensmittel Kartoffelstärkeproduktion Druckindustrie Grafische Handelsvertretung Emsland Stärke GmbH Peter Leis Emslandstr. 58 Mühlweg 32 49824 Emlichheim 35606 Solms Herr Dr. M. Lotz Herr P. Leis www.emsland-staerke.de Papierindustrie Papierfabrik Palm „Deutsche See“ GmbH & Co. KG Werk Eltmann BEECK Feinkost – Hamburg Industriestraße 23 Albert-Schweitzer-Ring 35 97483 Eltmann 22045 Hamburg Herr R. Schirm Herr L. Diederichs www.wellenwunder.de/ www.beeck-feinkost.de palm-gruppe/main.htm Mälzerei Heinrich Durst Malz- Faserindustrie Vulkanfiber Ernst Krüger fabriken GmbH & Co. KG, GmbH & Co. KG Betrieb Gernsheim Postfach 1262 Mainzer Staße. 15 – 16 47592 Geldern 64579 Gernsheim Nordwall 39 Herr M. Filip 47608 Geldern www.durst-malz.de Herr Dr. M. Joseph www.hornex.de 265 A A Anhang Industrielle Abwasserreinigung (Fortsetzung) Industriezweig Unternehmen Industriezweig Unternehmen Textilindustrie Gerhard van Clewe Wäscherei (Fortsetzung) Textilservice MEWA GmbH GmbH & Co. KG Hermann-Gebauer-Straße 1 Loikumer Straße 10 15831 Groß Kienitz 46499 Hamminkeln-Dingden Herr Lehmann Herr A. van Clewe www.mewa.de www.van-clewe.de/vanclewe.html Metallverarbeitende Industrie Rasselstein GmbH Drews Meerane GmbH Koblenzer Straße 141 Äußere Crimmitschauer Straße 80 56626 Andernach 08393 Meerane Frau Dr. S. Arnold Herr Ellmer www.rasselstein-hoesch.de/ www.drews-meerane.de deutsch/index.htm Pongs Textil GmbH Faurecia Autositze Boschstraße 2 GmbH & Co. KG 48703 Stadtlohn Werk Stadthagen H. Wening Industriestraße 3 www.pongs.de 31655 Stadthagen Ort Herr K. Kasten Kunststoffindustrie HT Troplast AG www.faurecia.com TROSIFOL Mülheimer Straße 26 Wieland Werke AG 53840 Troisdorf Werk Langenberg Herr U. Offermann Ziegeleiweg 20 www.ht-troplast.de 42555 Velbert Herr H.- U. Koböcken Wäscherei Rentex Fortex B. V. www.wieland.de Locatie Massop Grisenstraat 5 Galvanik Rudolf Jatzke NL-6465 CE Kerkrade Edisonstraße 7 Herr P. Massop 33689 Bielefeld www.fortex.nl Herr K. Wickbold ALSCO Berufskleidungs-Service DaimlerChrysler AG GmbH Werk Düsseldorf Niederlassung Kaiserslautern Ratherstraße 51 Otto-Hahn-Straße 1 40467 Düsseldorf 67661 Kaiserslautern Herr T. Bergmann Herr Winter www.daimlerchrysler.com www.alsco.de 266 Lackaufbereitung Anhang Industrielle Abwasserreinigung (Fortsetzung) Industriezweig Unternehmen Industriezweig Unternehmen Lackaufbereitung (Fortsetzung) Ford-Werke GmbH Schwimmbäder Aquana Freizeitbad Henry-Ford-Straße 1 GmbH & Co. KG 50725 Köln Willy-Brandt- Ring 100 Herr S. Baumeister 52146 Würselen www.ford.de Herr M. Dovermann www.aquana.de Pharmazeutische Industrie Schering AG Ernst-Schering-Str. 14 Hertener Stadtwerke GmbH 59192 Bergkamen Schwimmbad COPA CA BACKUM Herr Dr. Neuhaus Herner Straße 21 45699 Herten Kraftwerke DREWAG Herr H. Kuhlmann Gas- und Dampfturbinen www.freizeitbad.de/deutschland/ Heizkraftwerk Dresden copacabackum.html Rosenstraße 32 01065 Dresden Freizeitbad Bergische Sonne www.drewag.de GmbH & Co. Lichtscheider Straße 90 Deponiesickerwasser Abfallwirtschaft Kreis und Stadt 42285 Wuppertal Aachen (AWA) GmbH Herr G. Geier Deponie Alsdorf-Warden www.bergische-sonne.de Postfach 1459 52243 Eschweiler Fischaufzucht Umweltbundesamt Herr R. Koch Fachgebiet III 3.5 www.awa-gmbh.de Postfach 33 00 22 14191 Berlin Bilgenentölung Bilgenentölungsgesellschaft mbH Herr Dr. Pluta August-Hirsch-Straße 3 www.umweltbundesamt.de 47119 Duisburg Herr R. Deutsch www.bilgenentoelung.de 267 A A Anhang A.1.2 Im Folgenden sind daher nur Adressen der Firmen und Anlagenplaner, Anlagenbauer, Membranhersteller, Büros zusammengestellt, die in den vorangegangenen Beratende Ingenieure Kapiteln ausdrücklich erwähnt wurden und einen größeren Informationsbeitrag, z. B. für die Praxisbeispiele, leis- Die Zahl der auf dem Gebiet der Membrantechnik tätigen teten. Diese Auswahl erhebt daher keinen Anspruch auf Anlagenplaner, Anlagenbauer, Membranhersteller bzw. Vollständigkeit. Weitere Informationsquellen und wichtige der Beratenden Ingenieure ist groß und selbst für Deutsch- Institutionen im Zusammenhang mit dem Thema Mem- land, auch bedingt durch z. T. hohe Fluktuationen kaum brantechnik sind im Anschluss zusammengestellt. vollständig zu erfassen. A3-Abfall-Abwasser- Magdeburger Straße 16 b Anlagentechnik GmbH 45881 Gelsenkirchen ATEMIS GmbH Dennewartstraße 25 – 27 52068 Aachen Herr U. Brüss www.atemis.net www.3a-gmbh.de Atotech Deutschland GmbH Aggerwasser GmbH Industriestraße 69 AV Aggerwasser GmbH 90537 Feucht Sonnenstraße 40 Postfach 12 40 51645 Gummersbach 90532 Feucht www.aggerwasser.de Herr Dr. R. Schmidt www.atotech.com ACO Passavant GmbH Ulsterstraße 3 D-36269 Phillipsthal Berghof Filtrations- und Harretstraße 1 www.aco-passavant.de Anlagentechnik GmbH & Co. KG 72800 Eningen Herr H.- U. Roth Altenburger Elektronic GmbH Schlossweg 2 – 5 www.berghof.com 77960 Seelbach Herr Dr. S. Siegfried BKT Burggräf GmbH www.altenburger.de/index.html Zum alten Zollhaus 20 – 22 42281 Wuppertal Herr H. Burggräf amafilter Deutschland GmbH Am Pferdemarkt 11 30853 Langenhagen BUSSE GmbH Zaucheweg 6 Herr Dr. G. Baumgarten 047316 Leipzig www.amafilter.com Herr R.-P. Busse, Herr C. Belz www.busse-gmbh.de ATEC Automatisierungstechnik Emmi-Noether-Straße 6 GmbH 89231 Neu-Ulm CSM Filtrationssysteme Gewerbestr. 32 Herr G. Enderle GmbH & Co. KG 75015 Bretten-Gölshausen www.atec-nu.de Frau R. Verschaeve www.guthgroup.de atech innovations GmbH Am Wiesenbusch 26 45966 Gladbeck degebran GmbH Anlagenbau Resser Straße 65 Herr P. Bolduan 44653 Herne www.atech.daw.com Herr K. Paulus, Herr H.- J. Krein www.degebran.de 268 Anhang DHV Water BV Postbus 484 Hans Huber AG Maschinen- und Anlagenbau 3800 AL Amersfort Maria-Hilf-Straße 3 – 5 Herr H.F. an der Roest 92334 Berching www.dhv.nl Herr Dr. O. Christ www.huber.de Dr. Dahlem – Bonsiepen 7 Beratende Ingenieure 45136 Essen Hydro-Ingenieure GmbH Stockkampstraße 10 40477 Düsseldorf www.drdahlem.de www.hydro-ingenieure.de Earth-Tech GmbH Forumstraße 24 41468 Neuss HST-Systemtechnik Sophienweg 3 59872 Meschede www.axeljohnson.de www.systemtechnik.net Eisenmann Lacktechnik KG Heinrich-Hertz-Straße 8 74351 Besigheim-Ottmarsheim Herr E. Neubauer iat-Ingenieurberatung für Taubenheimstraße 69 Abwassertechnik GmbH 70372 Stuttgart www.iat-stuttgart.de www.eisenmann.de inge AG EnviCare Wittekeweg 9 86926 Greifenberg A - 8010 Graz Herr M. Hank www.envicare.at ENVIRO-CHEMIE In den Leppsteinswiesen 9 Abwassertechnik GmbH 64380 Roßdorf Flurstraße 17 www.inge-ag.de Ingenieurbüro Dr. Resch Lehenwiesenweg 31 91781 Weißenburg Frau J. Quaiser Herr Dr. H. Resch www.enviro-chemie.de imb + frings water systems gmbh Erftverband Fraunhofer IGB Horbeller Straße 15 Paffendorfer Weg 42 50858 Köln 50126 Bergheim Herr Dr. J. Lindemann www.erftverband.de www.imbfrings.de Nobelstraße 12 I-T-G GmbH, Ingenieurgemein- Buchenstraße 24 70569 Stuttgart schaft für Umwelttechnologie 72810 Gomaringen Frau J. Knödler Henkel-Ecolab GmbH & Co. OHG Henkel-Ecolab Deutschland www.itg-gmbh.de Reisholzer Werftstraße 38 – 42 40554 Düsseldorf Hese Umwelt GmbH/A3 GmbH ItN Nanovation Untertürkheimer Straße 25 Herr R. Krack 66117 Saarbrücken www.ecolab.de www.itn-nanovation.de Magdeburger Straße 16a 45881 Gelsenkirchen www.hese-umwelt.de Keppel Seghers Belgium NV Hoofd 1 B -2830 Willebroek www.segherskeppel.com 269 A A Anhang Klapp-Müller GmbH, Rehwinkel 15 Memcor Australia 40 Blackman Crescent Ingenieurbüro für Umwelt- 51580 Reichshof (siehe Siemens AG) South Windsor, NSW 2576 und Bautechnik Herr Dr. S. Schilling Memtec Mergenthalerallee 45 – 47 www.klapp-mueller.de 65760 Eschborn Herr Baur KOCH-GLITSCH GmbH Membrane Systems Divisions Neusser Straße 33 Membrain Kontakt über ZENON GmbH MDS Prozesstechnik GmbH Bahnhofstraße 315 40219 Düsseldorf Herr J. Hadler www.kochmembrane.com 47447 Moers Herr Dr. D. Böttger KOCH Membrane Systems Krantzstraße 7, Eingang D GmbH 52070 Aachen Herr Dr. S. Schäfer www.mds-prozesstechnik.com MFT www.puron.de Membran-Filtrations-Technik GmbH Eupener Straße 150 50933 Köln Krüger-Wabag Baumeisterallee 13 – 15 Herr H.- U. Hübbel (siehe Veolia Water) 04442 Zwenkau www.mft-koeln.de Standort Ratingen Lise-Meitner-Straße 4a MICRODYN-NADIR Kalle Albert Industriepark 40878 Ratingen Filtration GmbH Rheingaustraße 190 www.wabag.com 65174 Wiesbaden Herr W. Ruppricht Kubota In Lizenz über Aggerwasser GmbH L. V. H. T. Lehr- und Versuchsgesellschaft für www.microdyn-nadir.de NERAtec AG Max-Planck-Straße 7b innovative Hygiene-Technik mbH 52249 Eschweiler Am Zehnthof 191a Herr U. Kolbe 45307 Essen www.neratec.de Herr Dr. D. Pacik www.lvht.de NORIT N. V. P. O. Box 89 7620 AB Borne Mall GmbH Hüfingerstraße 39 – 45 The Netherlands 78166 Donaueschingen www.norit.com Herr S. Klemens www.mallbeton.de OSMONICS 230, rue Robert Schumann Z. A. des Uselles Martin Systems AG 270 Ackerstaße 40 B. P. 85 96515 Sonnenberg 77350 Le Mee sur Seine Herr M. Grigo Frankreich www.Martin-Systems.de www.osmonics.com Anhang Pall GmbH Pall GmbH Toray Deutschland GmbH Philipp-Reis-Straße 6, Hugenottenallee 175 63263 Neu-Isenburg 63303 Dreieich Herr Dr. H. Eipper, Herr C. Maurer Tuttahs & Meyer Bismarckstrasse 2 – 8 www.pall.com Ingenieurgesellschaft 52066 Aachen www.tuttahs-meyer.de PURON AG siehe KOCH Membrane Systems GmbH US-FilterMEMCOR Products 441 Main Streel www.puron.de (siehe Siemens AG) Sturbridge, MA 01566 www.usfilter.com Dr.-Ing. Peters Consulting Dr.-Ing. Peters Consulting für (CMU) Membrantechnologie und VA TECH WABAG AG VA TECH WABAG Umwelttechnik Siemensstraße 89 Broichstraße 91 1210 Vienna 41462 Neuss www.vatechwabag.com Herr Dr. T. A. Peters Veolia Water Deutschland GmbH ROCHEM UF-Systeme GmbH Unter den Linden 21 Stadthausbrücke 1 – 3 10117 Berlin Fleethof www.veoliawater.de 20355 Hamburg www.rochemuf.com WEHRLE-WERK AG Bismarckstraße 1 – 11 79312 Emmendingen Rhodia Stadelstraße 10 Herr G. Streif 60595 Frankfurt www.wehrle-werk.de Herr Hoffmann, Herr Linz www.rhodia.com RWW Wassertechnologie GmbH Weise Water Systems Steinbruchstraße 6b GmbH & Co. KG 35428 Langgöns Heinrich-Haanenstraße 6 www.weise-water-systems.com 41334 Nettetal-Lobberich Herr B. Lang Wientjens b. v. www.rww-wt.de Im Sprokkelveld 9 NL-6596 DH Milsbeek www.wientjens.com Schwander GmbH Theodor-Heuss-Straße 38 61118 Bad Vilbel X-Flow B. V. Bedrijvenpark Twente 289 Herr Dr. T. Jäger (siehe auch NORIT N. V.) NL-7602 KK Almelo www.schwander.de Herr B. Brocades Zaalberg www.xflow.nl Siemens AG Water Technologies Nonnendammallee 101 13569 Berlin www.siemens.com/water ZENON GmbH Nikolaus-Otto-Straße 4 40721 Hilden Herr H. Möslang TAMI Deutschland GmbH Heinrich-Hertz-Strasse 2/4 www.zenonenv.com 07629 Hermsdorf Herr B. Ruschel www.tami-industries.com 271 A A Anhang A.1.3 Wissenschaftliche Begleitung bei der Erstellung dieser Publikation MUNLV LUA NRW Ministerium für Umwelt und Institut für Siedlungswasserwirt- Mies-van-der-Rohe-Str. 1 Naturschutz, Landwirtschaft und schaft der RWTH Aachen (ISA) 52056 Aachen Verbraucherschutz des Landes Herr S. Baumgarten Nordrhein-Westfalen Herr Dr. S. Köster 40190 Düsseldorf Univ. Prof. Dr.-Ing. J. Pinnekamp www.munlv.nrw.de www.isa.rwth-aachen.de Landesumweltamt Gutachter Prof. Dr.- Ing. P. Cornel Nordrhein-Westfalen (Leitung der Arbeitsgruppe Wallneyer Staße. 6 IG-5.5 „Membrantechnik“ 45133 Essen der ATV-DVWK bzw. DWA) www.lua.nrw.de Technische Universität Darmstadt Institut WAR EFA NRW Effizienz- Agentur NRW Petersenstraße 13 Mühlheimer Straße 100 64287 Darmstadt 47057 Duisburg www.iwar.bauing.tu-darmstadt.de www.efanrw.de Herr Prof. Dr.-Ing. F.-B. Frechen BEW Bildungszentrum für die (i. V. für Fachausschuss KA-7 Entsorgungs- und Wasser- „Membranbelebungsverfahren“ wirtschaft GmbH der ATV-DVWK bzw. DWA) Bildungsstätte Essen Universität Kassel Wimberstraße 1 FG Siedlungswasserwirtschaft 45239 Essen Kurt-Wolters-Straße 3 www.bew.de 34125 Kassel www.uni-kassel.de DGMT Deutsche Gesellschaft für Membrantechnik e. V. Herr Dr. Firk Eupener Straße 150 Wasserverband Eifel Rur 50933 Köln Eisenbahnstraße 5 www.dgmt.org 52353 Düren www.wver.de Forschungsinstitut für Wasser- Mies-van-der-Rohe-Straße 17 und Abfallwirtschaft an der 52056 Aachen Herr Dr. J. Oles, RWTH Aachen (FiW) e. V. Frau M. Lange Herr U. Voss Herr Dr. F.-W. Bolle Oswald Schulze GmbH & Co. KG Herr J. Schunicht Krusenkamp 22 – 24 www.fiw.rwth-aachen.de 45964 Gladbeck www.oswald-schulze.de 272 Anhang Herr Dr. T. A. Peters Prof. Dr. rer. nat. W. Schmidt Dr.-Ing. Peters Consulting für Fachbereich Versorgungs- Membrantechnologie und und Entsorgungstechnik Umwelttechnik Fachhochschule Gelsenkirchen Broichstraße 91 45877 Gelsenkirchen 41462 Neuss http://www.fh-gelsenkirchen.de/ fb03/ent/enthf.html Mitglieder der AG Herr Dr. V. Mertsch Membranhandbuch Ministerium für Umwelt, Frau Dr. J. R. Tschesche Naturschutz, Landwirtschaft und Frau I. Dierschke Verbraucherschutz des Landes Effizienz-Agentur NRW (EFA NRW) Nordrhein-Westfalen (MUNLV) Mühlheimer Straße 100 40190 Düsseldorf 47057 Duisburg www.munlv.nrw.de www.efanrw.de Frau K. Drensla Herr T. Wozniak Erftverband Aggerverband Abteilung Abwassertechnik Sonnenstraße 40 Forschung und Entwicklung 51645 Gummersbach Paffendorfer Weg 42 www.aggerverband.de 50126 Bergheim www.erftverband.de Herr S. Tenkamp Staatliches Umweltamt Krefeld Frau A. Kaste (StUA Krefeld) Frau C. Wiedenhöft St. Töniser Straße 60 Frau Dr. K. Dreher 47803 Krefeld Landesumweltamt www.stua-kr.nrw.de Nordrhein-Westfalen (LUA) Wallneyer Straße 6 45133 Essen www.lua.nrw.de Herr RBD A. Schmidt Bezirksregierung Köln Zeughausstraße 2 – 10 50667 Köln www.bezreg-koeln.nrw.de 273 A A Anhang A.1.4 Weitere Institutionen und Personen, die zu den Inhalten beigetragen haben BMU Bundesministerium für Umwelt, Prof. Dr. rer. nat. J. Marzinkowski Bergische Universität, Naturschutz und Reaktorsicherheit Gesamthochschule Wuppertal Alexanderplatz 6 Fachbereich 14, Sicherheitstechnik 10178 Berlin Gaußstraße 20 www.bmu.de 42097 Wuppertal Prof. Dr. rer. nat. J. Marzinkowski DBU Deutsche Bundesstiftung Umwelt www.uni-wuppertal.de/FB14 Postfach 1705 49007 Osnabrück Prof. Dr.-Ing. habil. N. Räbiger www.dbu.de Universität Bremen Institut für Umweltverfahrenstechnik DECHEMA e. V. Gesellschaft für Chemische Postfach 330440 Technik und Biotechnologie e. V. 28334 Bremen Theodor-Heuss-Allee 25 www.fb4.uni-bremen.de 60486 Frankfurt am Main Herr Dr. L. Nick Tuttahs & Meyer www.dechema.de Tuttahs & Meyer Ingenieurgesellschaft mbH Bismarckstraße 2 – 8 FIGAWA FIGAWA Bundesvereinigung 52066 Aachen der Firmen im Gas- und www.tuttahs-meyer.de Wasserfach e. V. Marienburger Straße 15 Universität Wuppertal Fachgebiet Sicherheitstechnik/ 50968 Köln Umweltschutz der Bergischen www.figawa.de Universität Wuppertal Campus Freudenberg, Gebäude FF PIA e. V. Prüf- und Entwicklungsinstitut Rainer-Gruenter-Straße 21 für Abwassertechnik an der 42097 Wuppertal RWTH Aachen (PIA) e. V. Frau D. Kunz Mies-van-der-Rohe Straße 1 www.uws.uni-wuppertal.de 52074 Aachen www.pia.rwth-aachen.de Frau E. Brands Wasserverband Eifel-Rur Eisenbahnstraße 5 52352 Düren www.wver.de 274 Anhang A.1.5 Weitere Informationsquellen zum Thema Membrantechnik • ATV-DVWK-Branchenführer Abwasser-Abfall 2001 Informationen im Internet Hrsg.: Gesellschaft zur Förderung der Abwassertechnik e. V. Das Internet-Portal www.pius-info.de ist ein Kooperationsprojekt der Theodor-Heuss-Allee 17 Länder Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Schleswig-Holstein. 53773 Hennef Das Angebot umfasst u. a. Informationen zu durchgeführten Projekten, www.gfa-verlag.de Literatur, Software und Fördermöglichkeiten und wird kontinuierlich aktualisiert, erweitert und von weiteren Partnern inhaltlich unterstützt. • ENVITEC-Internationale Fachmesse für Ver- und Entsorgung mit Fachkongress Im Januar 2002 erfolgte bereits die erste Auszeichnung durch die Verlei- www.envitec.de hung des Umwelt-Online-Awards in Silber, dem Gütesiegel für moderne Umweltkommunikation. • IFAT Internationale Fachmesse für Wasser – Abwasser – Abfall – Recycling Geschäftsstelle PIUS - Internet-Portal www.ifat.de c/o Die Effizienz-Agentur NRW Mülheimer Straße 100 Tagungen zum Thema Membrantechnik 47057 Duisburg • AMK – Aachener Membran Kolloquium (Institut für Verfahrenstechnik Herr H. H. Sittel, Frau A. Schmitt (IVT) an der RWTH Aachen) www.pius-info.de • ATSV – Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik (Institut für Verfahrenstechnik (IVT) und Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) an der RWTH Aachen) • Bremer Colloquium „Produktionsintegrierte Wasser-/Abwassertechnik“ (IUV – Institut für Umweltverfahrenstechnik, Universität Bremen und GVC – VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik, Düsseldorf) 275 A A Anhang A.2 Investitionen, z. B. in Form von Beteiligungen, Darlehen, Fördermöglichkeiten Zuschüssen. Um den Weg zum richtigen Förderprogramm zu verkürzen und Entscheidungen zu erleichtern, sind Die Planung und Umsetzung von Maßnahmen, die einen nachfolgend einige Förderprogramme zur Thematik Beitrag zum Umweltschutz leisten, wie z. B. der Einsatz „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ einer Membrananlage zur Abwasserreinigung können auf aufgeführt. Die genannten Institutionen und Ansprech- verschiedene Weise gefördert werden. Umfassende Förder- partner erteilen weitere Auskünfte und beraten – über- programme der Länder, des Bundes und der EU fördern wiegend kostenlos – bei der Auswahl eines geeigneten die Beratung, unterstützen finanziell Innovationen und Förderprogramms für den Einzelfall. A.2.1 Förderprogramme und Förderberatung des Bundes Förderprogramme des Bundes Ansprechpartner KfW-Umweltprogramm Kreditanstalt für Wiederaufbau Palmengartenstraße 5 – 9 60325 Frankfurt am Main Informationszentrum: Tel.: 0 18 01/33 55 77 (zum Ortstarif) www.kfw.de ERP – Umwelt- und Energiesparprogramm Deutsche Ausgleichsbank DtA – Umweltprogramm Ludwig-Erhard-Platz 1 – 3 BMU – Programm zur Förderung von Demonstrationsvorhaben 53179 Bonn Info-Line: Tel.: 01 8 01/24 24 00 (zum Ortstarif) www.dta.de Verschiedene Förderbereiche DBU DBU – Deutsche Bundesstiftung Umwelt Postfach 1705 49007 Osnabrück An der Bornau 2 49090 Osnabrück Tel.: 05 41/96 33- 0 Fax: 05 41/96 33- 190 276 Anhang Förderberatung des BMWi Förderdatenbank des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie In der Auskunftsstelle erhalten Ratsuchende schnell und www.bmwi.de unbürokratisch Informationen zu den Förderprogrammen des Bundes, der Länder und der EU für Existenzgründer und kleine und mittlere Unternehmen. Die Auskünfte schließen Angaben zu Verfahrenswegen zur Erlangung Die Nutzung der Förderdatenbank kann immer nur ein von Fördermitteln, Anlaufstellen und Konditionen der erster Schritt sein. Das vielfältige Beratungsangebot der Förderprogramme ein. Kammern und Verbände, der freien Unternehmens- oder Steuerberatung und der Banken hilft, alle konzeptionellen, Nach Terminvereinbarung können Existenzgründer und steuerlichen oder rechtlichen Fragen zu klären. Investoren kostenlose Informationen über die FörderA.2.2 möglichkeiten auch im persönlichen Gespräch erhalten. Förderprogramme der Bundesländer Förderberatung des BMWi Ansprechpartner für die Förderprogramme der Länder Tel.: 0 18 88/6 15-76 49, -76 55 sind jeweils die Umweltministerien bzw. Landesumwelt- Fax: 0 18 88/6 15-70 33 ämter, deren Adressen in Tabelle A-1 zusammengestellt E-Mail: [email protected] sind. Des Weiteren ist dort eine Auswahl bekannter Förderprogramme zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ mit den zugehörigen Ansprechpartnern genannt. Förderdatenbank des Bundeswirtschaftsministeriums Besonders hinzuweisen ist im Bundesland NordrheinDie Förderdatenbank des Bundeswirtschaftsministeriums Westfalen auf die Effizienz-Agentur NRW (EFA) steht als zentrale Informationsquelle für Privatpersonen, – eine Initiative des Ministeriums für Umwelt und Natur- Existenzgründer, Unternehmen und Berater zur Verfügung. schutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW– Sie richtet sich gleichermaßen an Benutzer ohne Vor- welche seit Ende 1998 erste Anlaufstelle für alle Fragen kenntnisse wie an die Kenner der Wirtschaftsförderung rund um den Produktionsintegrierten Umweltschutz und ermöglicht die Recherche nach Fördermitteln und – kurz PIUS – ist. einem geeigneten Förderprogramm. Die EFA berät und unterstützt kleine und mittelständische Die Förderdatenbank des Bundes gibt einen vollständigen Unternehmen bei der Einführung integrierter Umwelt- und aktuellen Überblick über die Förderprogramme des schutzmaßnahmen, vermittelt Kontakte zu Know-how- Bundes, der Länder und der Europäischen Union. Das Trägern und zeigt neue Wege und Möglichkeiten für Fördergeschehen wird unabhängig von der Förderebene zukunftsweisende wirtschaftliche Strukturen auf. Die oder dem Fördergeber nach einheitlichen Kriterien und Erstanalyse der Produktion durch die Ingenieure der EFA in einer konsistenten Darstellung zusammengefasst. zeigt Potenziale auf; die nachfolgende gezielte Beratung Dabei werden auch die Zusammenhänge zwischen den in Zusammenarbeit mit externen Fachleuten hilft den einzelnen Programmen aufgezeigt, die für eine effiziente Unternehmen, sie zu nutzen (PIUS ®-Check). Dabei steht Nutzung der staatlichen Förderung von Bedeutung sind. im Vordergrund, durch eine Effizienzsteigerung der eingesetzten Rohstoffe gleichermaßen die Produktionskosten Die breit angelegte Vernetzung im Internet bietet darüber und die Umweltbelastung zu senken. Darüber hinaus hinaus die Möglichkeit, vertiefende Informationen der unterschiedlichen Anbieter von Förderinformationen bereitzustellen. 1) PIUS® ist ein eingetragenes Warenzeichen der Effizienz-Agentur NRW 277 A A Anhang informiert die EFA über aktuelle Fördermöglichkeiten kleiner und mittlerer Unternehmen und hilft bei der Suche nach dem geeigneten Förderprogramm zur Finanzierung geplanter PIUS-Vorhaben. Sitz der EFA ist das EFA – Die Effizienz-Agentur NRW: „Förderprogramme für den Produktionsintegrierten Umweltschutz“. Zielgerichtet planen. Effizient umsetzen. Umfassend profitieren. Stand 06/2000. Haus der Wirtschaftsförderung in Duisburg, vier Regionalbüros in Aachen, Bielefeld, Münster und Siegen sorgen seit Anfang des Jahres für den direkten Kontakt in den verschiedenen Wirtschaftsregionen NRWs. Neben vielen weiteren Informationen zum Produktionsintegrierten Umweltschutz bietet das Internet-Portal Einen Überblick über verschiedene Förderungsmöglich- www.pius-info.de Informationen über Fördermöglich- keiten gibt außerdem die Broschüre „Förderprogramme keiten zu dieser Thematik. Das Internet-Portal ist ein für den Produktionsintegrierten Umweltschutz“. Kooperationsprojekt der Länder Nordrhein-Westfalen, Rheinland-Pfalz und Schleswig-Holstein und wird kontinuierlich aktualisiert und erweitert. Tab. A-1 Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ Bundesland Ansprechpartner Förderprogramme Baden-Württemberg Landesanstalt für Umweltschutz (LfU) Umweltschutz- und Energiesparförderprogramm Baden-Württemberg Ansprechpartner: Griesbachstraße 1 L-Bank 76185 Karlsruhe Wirtschaftsförderung II Postfach 21 07 52 Friedrichstraße 24 76157 Karlsruhe 70174 Stuttgart Tel.: 07 21/9 83-0 Telefon-Hotline: 07 11/1 22-23 45 Fax: 07 21/9 83-14 56 Faxabruf Konditionen: 07 11/1 22-26 74 www.lfu.baden-wuerttemberg.de www.l-bank.de Bayerisches Staatsministerium für Landesentwick- Zusatzprogramm der LfA-Umweltschutz lung und Umweltfragen Ansprechpartner: Rosenkavalierplatz 2 LfA Förderbank Bayern 81925 München Königinstraße 17 Tel.: 0 89 / 92 14-00 80539 München Fax: 0 89 / 92 14-22 66 Tel.: 01 8 01/21 24 24 (Ortstarif) www.umweltministerium.bayern.de www.lfa.de Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Das Umweltentlastungsprogramm – UEP Brückenstraße 6 Ansprechpartner: 10179 Berlin Beratungs- und Servicegesellschaft Umwelt mbH Bayern Berlin (B & SU) Tel.: 0 30/90 25-0 Hohenzollerndamm 44 Fax: 0 30/90 25-29 20 10713 Berlin www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt Tel: 0 30/3 90 42-84 www.uep-berlin.de 278 Anhang Tab. A-1 (Fortsetzung) Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ Bundesland Ansprechpartner Brandenburg Ministerium für Landwirtschaft, Umweltschutz Förderprogramme und Raumordnung des Landes Brandenburg Heinrich-Mann-Allee 103 14473 Potsdam Tel.: 03 31/8 66-0 Fax: 03 31/8 66-70 68, -70 69, -70 71 www.brandenburg.de/land/mlur Bremen Der Senator für Bau und Umwelt Hanseatenhof 5 28195 Bremen Tel.: 04 21/3 61-21 36 Fax: 04 21/3 61-60 13 www.umwelt.bremen.de Hamburg Freie und Hansestadt Hamburg Förderprogramm für Umwelttechnologie Behörde für Umwelt und Gesundheit Ansprechpartner: Fachamt für Energie und Immissionsschutz (I1) siehe links Billstaße. 84 Freie und Hansestadt Hamburg 20539 Hamburg Behörde für Umwelt und Gesundheit Tel.: 040/4 28 45-0 www.hamburg.de/Behoerden/Umweltbehoerde Innovationsstiftung Hamburg Alter Steinweg 4 20459 Hamburg Tel.: 0 40/4 28 41-17 59 www.hamburg.de/Behoerden/Umweltbehoerde Hessen Hessisches Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft und Forsten Bereich Umwelt und Energie Mainzer Straße 80 65189 Wiesbaden Tel.: 06 11/8 15-0 Fax: 06 11/8 15-19 41 www.mulf.hessen.de Mecklenburg-Vorpommern Umweltministerium Mecklenburg-Vorpommern Allgemeine Information und Koordinierung der Förderprogramme Schlossstraße 6 – 8 19053 Schwerin Tel.: 03 85/5 88-0, -8 20 Fax: 03 85/5 88-87 17 www.um.mv-regierung.de 279 A A Anhang Tab. A-1 (Fortsetzung) Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ Bundesland Ansprechpartner Niedersachsen Niedersächsisches Umweltministerium Förderprogramme Postfach 4107 30041 Hannover Tel.: 05 11/1 20-0 Fax: 05 11/1 20-33 99 www.mu.niedersachsen.de Nordrhein-Westfalen Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Initiative ökologische und nachhaltige Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Wasserwirtschaft in NRW Landes Nordrhein-Westfalen Förderbereich 1 Innovativer bzw. erprobter Schwannstraße 3 produktionsintegrierter Umweltschutz 40 476 Düsseldorf Ansprechpartner: Tel.: 02 11/45 66-0 siehe links, außerdem Fax: 02 11/45 66-3 88 www.munlv.nrw.de Investitions-Bank NRW Zentralbereich der WestLB Landesumweltamt NRW Friedrichstraße 56 Wallneyer Straße 6 40217 Düsseldorf 45133 Essen Tel.: 02 11/8 26-09 Tel.: 02 01/79 95-0 Fax: 02 11/8 26-84 59 Fax: 02 01/79 95-14 48 www.lua.nrw.de Effizienz-Agentur NRW Mülheimer Straße 100 47057 Duisburg Tel.: 02 03/3 78 79-58 Fax: 02 03/3 78 79-44 www.efanrw.de Rheinland-Pfalz Ministerium für Umwelt und Forsten ISB-Mittelstandsdarlehen im Rahmen Kaiser-Friedrich-Straße 1 des Umweltschutzes 55116 Mainz Ansprechpartner: Tel.: 0 61 31/16-0 Investitions- und Strukturbank Rheinland-Pfalz Fax: 0 61 31/16 46 46 (ISB) GmbH www.muf.rlp.de Holzhofstraße 4 55116 Mainz Tel.: 0 61 31/9 85-3 50 www.isb.rlp.de 280 Anhang Tab. A-1 (Fortsetzung) Ansprechpartner für Förderprogramme der Bundesländer und ausgewählte Förderprogramme zur Thematik „Abwasservermeidung, Prozesswasserkreislaufführung“ Bundesland Ansprechpartner Saarland Ministerium für Umwelt Förderprogramme Keplerstraße 18 66117 Saarbrücken Tel.: 06 81/5 01-00 Fax: 06 81/5 01-45 21 www.umwelt.saarland.de Sachsen Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft Archivstraße 1 01097 Dresden Tel.: 03 51/5 64-0 Fax: 03 51/5 64-22 09 www.smul.sachsen.de Sachsen-Anhalt Ministerium für Landwirtschaft und Umwelt des Landes Sachsen-Anhalt Olvenstedter Straße 4 39108 Magdeburg Tel.: 03 91/5 67-01 Fax: 03 91/5 67-17 27 www.mrlu.sachsen-anhalt.de Schleswig-Holstein Landesamt für Natur und Umwelt des Landes Zusammenstellung aktueller Förderprogramme im Schleswig-Holstein (LANU) Bereich Energie und Umwelt Hamburger Chaussee 25 Ansprechpartner: 24220 Flintbek Investitionsbank Schleswig-Holstein Tel.: 0 43 47/7 04-0 Fleethörn 29-31 Tel.: 0 43 47/7 04-12 24103 Kiel www.umwelt.schleswig-holstein.de Tel.: 0431 / 900 3651 www.lanu.landsh.de Thüringen Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt Beethovenplatz 3 99096 Erfurt Tel.: 03 61/37-9 00 Fax: 03 61/37-9 99 50 www.thueringen.de/de/tmlnu 281 A A Anhang A.2.3 Ziel 2 fördert die wirtschaftliche und soziale Umstellung Förderprogramme der EU für den Bereich von Gebieten mit Strukturproblemen. Im Zeitraum 2000- Umweltschutz bzw. den Bereich Wasserwirtschaft 2006 wird zwischen vier Arten von Gebieten mit Strukturproblemen unterschieden: Struktur- und Regionalförderung • Industriegebiete Die Struktur- und Regionalförderung durch die Europäi- • Ländliche Gebiete sche Union wird durch die vier europäischen Struktur- • Städtische Gebiete fonds getragen. Zu nennen sind: Europäische Fonds für • Von der Fischerei abhängige Gebiete regionale Entwicklung (EFRE), Europäische Sozialfonds (ESF), Europäische Ausrichtungs- und Garantiefonds für Die Förderung von Maßnahmen im Rahmen der Ziele 1 die Landwirtschaft (EAGFL) und das Finanzinstrument und 2 erfolgt in der Form der Kofinanzierung, wobei in für die Ausrichtung der Fischerei (FIAF). Der EFRE stellt Deutschland bei Ziel 1 der maximale Anteil der EU 75 % im Hinblick auf umweltschützende Maßnahmen den und bei Ziel 2 maximal 50 % beträgt wichtigsten Strukturfonds der EU dar. Förderprogramme zum Schutze der Umwelt • Strukturfonds Die nachfolgend beschriebenen Förderprogramme sind Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) primär zum Schutze der Umwelt bzw. zur Weiterentwick- fördert Maßnahmen, mit denen die Unterschiede in der lung der gemeinschaftlichen Umweltpolitik gedacht. wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung zwischen den verschiedenen Regionen und Mitgliedstaaten der Union LIFE III Programm ausgeglichen werden sollen. Die EFRE – Mittel werden für Ziel des LIFE-Programms ist die Umsetzung und Weiter- bestimmte benachteiligte Gebiete bereitgestellt und haupt- entwicklung der Umweltpolitik und des Umweltrechts sächlich dazu verwendet, Verbesserungen der Infrastruktur, der Gemeinschaft. der produktiven Investitionen, der lokalen Entwicklung, der Humanresourcen und des Umweltschutzes zu finan- LIFE bietet finanzielle Unterstützung für Maßnahmen zu- zieren. gunsten der Umwelt in der Gemeinschaft und bestimmten Drittländern (Länder, die an das Mittelmeer oder die Bei der Förderung wird in Ziel-1- und Ziel-2-Regionen Ostesee angrenzen, Länder Mittel- und Osteuropas, die unterschieden. Assoziierungsabkommen mit der Europäischen Gemeinschaft abgeschlossen haben). Ziel 1 fördert die Entwicklung und strukturelle Anpassung der Regionen mit Entwicklungsrückstand. Darunter Durch LIFE werden folgende Bereiche gefördert: fallen Regionen, deren Pro-Kopf-Bruttoinlandsprodukt weniger als 75 % des Gemeinschaftsdurchschnitts beträgt. • europäische Gemeinschaft und Mittel- und Osteuropäische Länder (MOEL): Naturschutz, Förderung einer Es sind fünf Aktionsschwerpunkte vorgesehen: nachhaltigen Entwicklung der industriellen Tätigkeiten, Einbeziehung von Umweltaspekten in Raumordnungs- • Förderung der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie und der Klein- und mittelständischen Unternehmen (KMU) politik, Abfallwirtschaft, Luftverschmutzung und Gewässserbewirtschaftung; • Entwicklung von Infrastruktur • Umweltschutz • andere Drittländer: technische Unterstützung bei der • Förderung des Arbeitskräftepotenzials Schaffung administrativer Strukturen, Erhaltung bzw. • Entwicklung des ländlichen Raums Sanierung von Lebensräumen bedrohter Arten, Förderung einer nachhaltigen Entwicklung. 282 Anhang Die Förderfähigkeit hängt vor allem davon ab, ob: Membran-Bioreaktoren“. Dieses Vorhaben wird bis Dezember 2006 unter dem Namen ENREM laufen. Durchführende • die Maßnahmen in der Europäischen Gemeinschaft Institution ist das Kompetenzzentrum Wasser Berlin GmbH. von gemeinschaftlichem Interesse sowie innovativ zuverlässig und durchführbar sind und Kontakt bei der EU: Generaldirektion Umwelt • die Maßnahmen außerhalb der Gemeinschaft technisch LIFE-Programme und finanziell durchführbar sind und zu einer nachhal- Bruno Julien tigen Entwicklung und Zusammenarbeit führen. Generaldirektion Umwelt D. 1 BU 2/01 Die Aktion wird in den betreffenden fünf Jahren (2000- Rue de la Loi 200 2004) auf drei wichtige Bereiche konzentriert: B-1049 Brüssel E-Mail: [email protected] • Naturschutz („LIFE-Natur“): Maßnahmen zum Schutz der natürlichen Lebensräume sowie der wildlebenden Strukturpolitisches Instrument zur Vorbereitung auf Tiere und Pflanzen von gemeinschaftlichem Interesse den Beitritt (ISPA) zur EU (NATURA 2000). Durch die Förderung des Programms sollen die Länder • Umwelt („LIFE-Umwelt“): Beitrag zur Einbeziehung (Estland, Lettland, Litauen, Polen, Tschechien, Slowakei, von Umweltaspekten in den übrigen politischen Berei- Ungarn, Slowenien, Rumänien, Bulgarien) auf den Bei- chen der Union sowie zur Umsetzung und Fortschrei- tritt vorbereitet werden. Es werden Investitionsvorhaben bung der Umweltpolitik bei in den Bereichen Verkehr und Umwelt gefördert. • Drittstaaten („LIFE-Drittländer“): Technische Unterstüt- Die Laufzeit ist von Anfang 2002 bis Ende 2006. Das Ge- zung bei der Schaffung von Verwaltungsstrukturen für samtbudget beträgt 7 Mrd. s. Gefördert bis zu 75 % der den Bereich Umwelt, Maßnahmen zum Gesamtkosten in Form von nicht-rückzahlbaren Beihilfen werden öffentliche Verwaltungen und öffentliche Un- • Schutz der Natur und Demonstrationsmaßnahmen zur ternehmen. Förderung einer nachhaltigen Entwicklung in einigen Drittländern im Mittelmeer- und Ostseeraum. Weitere Informationen: http://www.europa.eu.int/comm/regional_policy/ Bei Maßnahmen, die über das LIFE-Programm finanziert index_en.htm werden, beträgt die Höhe der zuschussfähigen Kosten 50 %. Im Rahmen des LIFE-Umwelt-Programms stehen Mittel Kontakt bei der EU: zur Unterstützung von Demonstrationsvorhaben zur Ver- Generaldirektion Regionalpolitik fügung, die jedoch keine Forschung, Studien oder Inves- Rue de la Loi titionen in die Infrastruktur darstellen dürfen. Die Vor- B-1049 Bruxelles schläge müssen innovative Pilotmaßnahmen oder Maß- E-Mail: [email protected] nahmen der technischen Unterstützung zum Gegenstand haben, durch die eine messbare Verbesserung der Umweltbedingungen erreicht wird und die an anderen Orten der Europäischen Union wiederholbar sind. In Deutschland werden im Jahr 2004 im Rahmen von LIFE-Umwelt acht Projekte gefördert, davon eins im Abwasserbereich zum Thema „Nährstoffentfernung mit 283 A A Anhang A.3 Kurzchecklisten zu Abbildung 2-1 1 Anlass und Zielsetzung Zieldefinition Ausbau/Ertüchtigung von Belebungsstufen Neubau Nachrüstung zur Einhaltung weitergehender Anforderungen … 2 Analyse IST-Zustand Technische Rahmenbedingungen Ablaufanforderungen (Mindest-/weitergehende Anforderungen) Leistungsfähigkeit einer vorhandenen Kläranlage Entwässerungssystem Zulaufcharakteristik Umrüstung/Ergänzung Membranen in bestehende Becken möglich … Wirtschaftliche Rahmenbedingungen Investitionen, insbesondere spezifische Membrankosten Investitionszuschüsse Betriebskosten (Membranersatzkosten, Reinigung, Energieverbrauch) Abwasserabgabe … 3 Variantenbetrachtung Einbeziehung vorhandener Becken Becken- und Membranstufenneubau Auswahl und Anordnung der Membranmodule Notwendige Vorbehandlungsmaßnahmen Gestaltung und Durchführung der Membranreinigung 4 Planung, Bemessung und konstruktive Gestaltung Bemessung Schlammalter, Schlammbelastung, Überschussschlammproduktion Feststoffgehalt im Belebungsbecken Mindestdurchflusszeit, Misch- und Ausgleichsbecken Aufteilung Denitrifikations-, Nitrifikations- und Variobereich Sauerstoffverschleppung durch Rezirkulation Notwendige Membranfläche für dauerhaft stabile Flussraten Temperatureinfluss auf die Permeabilität Zur Verfügung stehende Membranfläche bei Reinigungen Modulbelüftung gemäß Herstelleranforderungen Sauerstoffeintrag in Abhängigkeit des Feststoffgehaltes Phosphorelimination Schlammbehandlung: Entwässerung und Faulbarkeit … 284 Anhang 4 Planung, Bemessung und konstruktive Gestaltung (Fortsetzung) Konstruktive Gestaltung Güte der Vorreinigung (Rechen, Leichtstoffabscheider) Pufferbecken im Zulauf oder auf der Anlage Zwei- oder mehrstraßige Ausführung Hydraulische Entkopplung mehrerer Straßen Kurze Membranaustausch- und Lieferzeiten Einrichtungen für die Reinigung der Membranen Stromversorgung und Einspeisung … 5 Betrieb und Kontrolle Betriebsstabilität Schulung/Einweisung Personal Sicherstellung der Filtrationsleistung Kontrolle der Membranbeschaffenheit (Verzopfung etc.) und der Permeabilität Regelmäßige Membranreinigung (Zwischen-, Intensivreinigungen) Betriebskosten Stromverbrauch von Becken- und Modulbelüftung Membranstandzeit Kosten Reinigungsmittel Regelmäßige Membranreinigung (Zwischen-, Intensivreinigungen) … Arbeitssicherheit Umgang mit Reinigungsmitteln … 285 A A Anhang A.4 Kurzchecklisten zu Abbildung 3-1 1 Anlass und Zielsetzung Anforderungen einhalten Kosten senken Einsparung von Wasser Einsparung von Chemikalien Einsparung von Energie Rückgewinnung von Wertstoffen Reduzierung der Entsorgungskosten Reduzierung der Transportkosten Reduzierung der Abwassergebühren … 2 Analyse IST-Zustand Datenaufnahme Produktionsverfahren Eingehende und ausgehende Ressourcenströme Erfassung der Stoffströme und Ort des Anfalls Abwasserströme Anfallmenge, chemische und physikalische Beschaffenheit Enthaltene Wert- und Störstoffe des zu behandelnden Stroms Prozesslimitierende Prozesse und andere Begrenzungen Kosten für den IST-Zustand, d. h. ohne Rückgewinnung und Recycling unter monetärem und umwelttechnischem Aspekt … Verbesserungsvorschläge/-potenziale Vermeidungsmöglichkeiten in der Produktion Behandlung der Reststoffe Rückgewinnung wertvoller Ressourcen aus dem Stoffstrom möglich? Nutzung/Verbleib der rückgewonnenen Wertstoffe … 3 Verfahrensauswahl Zieldefinition Mögliche Separationsverfahren Änderung Produktionsprozess erforderlich bzw. möglich? Effektivität der Verfahren? Erreichbarkeit der geforderten Ziele mit dem Prozess Wirtschaftlichkeitsvergleich Laborversuche, Pilotversuche 286 Anhang 3 Verfahrensauswahl (Fortsetzung) Wirtschaftlichkeitsvergleich Bestehender Prozess, keine Änderung Wasserversorgungskosten Energiekosten Chemikalienkosten Rohmaterialkosten Entsorgungskosten flüssig Entsorgungskosten fest Laborkosten … Membranverfahren installiert Investitionen für Neuanlage Membranersatzkosten Investitionen für Peripherie, Pumpen, Ausgleichsbecken … Abgetrennter Wertstoff Fördermöglichkeiten … 4 Planung und Pilotierung Versuche auf verschiedenen Maßstabsebenen Vorversuche Laborversuche Membranauswahl Pilotversuche Anlagenplanung … 5 Betrieb und Kontrolle Betreibermodell oder Eigenbetrieb z. B. „BOO Build-Own-Operate“ … Vertragsregelung Vertragslaufzeit Garantiezeit, Standzeit der Membranen Preisregelung … 287 A A Anhang A.5 Unter Mitarbeit von: Arbeitsbericht der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe IG-5.5 „Membrantechnik“: Aufbereitung von Industrie- Dipl.-Biol. Annette Achtabowski, Bergkamen abwasser und Prozesswasser mit Membranverfahren Dipl.-Ing. Stefan Krause, Darmstadt und Membranbelebungsverfahren Prof. Dr. Winfried Schmidt, Gelsenkirchen Dipl.-Ing. Jens Wagner, Hannover Der vorliegende Arbeitsbericht wurde von der ATV-DVWKArbeitsgruppe IG-5.5 „Membrantechnik“ im ATV-DVWK Teil I Fachausschuss IG-5 Industrieabwasserreinigung erstellt. Membranverfahren Der Arbeitsbericht besteht aus mehreren Teilen. A.5.1 Teil 1 befasst sich mit den Membranverfahren an sich, Einleitung d. h. dem Einsatz dieser Verfahrensstufe zur Abtrennung von ungelösten, kolloidalen oder gelösten Stoffen. Membranverfahren sind rein physikalisch arbeitende Verfahren zur Stofftrennung, bei denen das zu behandelnde In Teil 2 wird auf das Membranbelebungsverfahren ein- Abwasser oder Prozesswasser in gereinigtes Wasser (Filtrat- gegangen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Verfah- bzw. Permeat) und eine aufkonzentrierte Phase (Konzen- renseinheit, bestehend aus dem biologischen Abbau im Be- trat) getrennt wird (Abb. A-1). Die Triebkraft für die lebungsbecken und der Abtrennung der Biomasse durch Trennoperationen ist die transmembrane Druckdifferenz. Membranen. Es wird insbesondere auf die Anforderungen Diese druckgetriebenen Verfahren unterscheiden sich in und Besonderheiten der Membranbelebung im Unterschied der Höhe der Druckdifferenz. Membranverfahren mit zum konventionellen Belebungsverfahren eingegangen. anderen Triebkräften, wie z. B. einem elektrischen Feld oder einer Konzentrationsdifferenz, sollen hier aufgrund Es ist geplant, in einem dritten Berichtsteil Praxisbeispiele, der geringen praktischen Bedeutung für die Abwasserbe- Betriebserfahrungen und Bemessungshinweise zusammen- handlung nicht diskutiert werden. Im Gegensatz zu der zustellen. konventionellen Filtrationstechnik erlauben druckgetriebene Membranverfahren eine Trennung bis in den mole- Der ATV-DVWK-Arbeitsgruppe gehören folgende kularen Bereich. Mitglieder an: Für den Erfolg eines Membranverfahrens sind zwei EigenDr.-Ing. Goetz Baumgarten, Langenhagen schaften von zentraler Bedeutung: Dr.-Ing. Martin Brockmann, Hilden Dipl.-Biol. Ulrich Brüß, Herten • Die Selektivität der Membranen, d. h. ihre Fähigkeit, Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel, Darmstadt (Sprecher) zwischen den Komponenten einer Mischung zu unter- Dr.-Ing. Oliver Debus, Hamburg scheiden (z. B. zwischen Öl und Wasser oder zwischen Dipl.-Ing. Michael Kiefer, Stuttgart Ionen und Wasser). Die Membran setzt dabei dem Dr.-Ing. Angelika Kraft, Essen Transport verschiedener Komponenten unterschiedliche Prof. Dr. Peter M. Kunz, Mannheim Widerstände entgegen. Dr.-Ing. Otto Neuhaus, Bergkamen Dr.-Ing. Thomas Peters, Neuss • Die Leistungsfähigkeit der Membranen (oft Membran- Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Rosenwinkel, Hannover flux genannt), d. h. der zu erzielende Permeat- bzw. (stellvertr. Sprecher) Filtratfluss (üblicherweise in l/(m2 h) angegeben) Prof. Dr.-Ing. em. Carl Franz Seyfried, Hannover (Obmann) unter bestimmten Betriebsbedingungen. Dr.-Ing. Jianming Shang, Hamm Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen, Gießen Dr.-Ing. Frieder Wagner, Heuweiler 288 Anhang Abb. A-1 Schematische Darstellung des Grundprinzips eines Membranverfahrens Membranverfahren Abwasser (Feed) 100 % gereinigtes Abwasser (Permeat /Filtrat) z. B. 90 % konzentriertes Abwasser bzw. Wertstoff (Konzentrat) z. B. 10 % Abb. A-2 Zuordnung der Membran- und Filtrationsverfahren Kochsalze Viren Bakterien Metallsalze Farbpigmente 200 100 Druckdifferenz [bar] Umkehrosmose Nanofiltration 10 Ultrafiltration 1 Mikrofiltration Filtration 0,1 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Partikel- bzw. Molekülgröße [µm] Abbildung A-2 zeigt die Einordnung der Membranverfah- Mit Membranverfahren können Inhaltsstoffe wie z. B. ren als Funktion der Partikel- bzw. Molekülgröße und der Druckdifferenz. • Feststoffe, • gelöste Stoffe, • kolloidale Stoffe und • Flüssigkeiten einer zweiten Phase abgetrennt werden. 289 A A Anhang Unabhängig vom Verfahren bzw. der Trennaufgabe können • Die Porenmembranen besitzen eine poröse Struktur mit mit Hilfe der Membrantechnik unterschiedliche Behand- Kanälen. Die Selektivität beruht auf einem Siebeffekt, lungsziele verfolgt werden, die wirtschaftlich interessant der durch die Porengrößenverteilung der Membranen sind. Diese können sein: bestimmt wird. Der Stofftransport erfolgt rein konvektiv nach den Gesetzen der laminaren Kapillarrohrströmung 1. Reinigung des Wassers, z. B. zur (Hagen-Poisseuille-Gesetz) als Resultat der Druckdiffe- • Einhaltung von Einleitgrenzwerten renz zwischen beiden Seiten der Membran. Dieses • Wiederverwendung Modell beschreibt theoretisch die Trennwirkung von Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen. In der Praxis 2. Konzentrierung der Inhaltsstoffe, z. B. zur werden diese Prozesse jedoch in aller Regel von einer • Wertstoffrückgewinnung Deckschicht kontrolliert. Diese Deckschicht („Sekun- • Reduzierung der Entsorgungskosten därmembran“) bildet sich aus den vor der Membran aufkonzentrierten Inhaltsstoffen. Zum Verständnis der Selektivität von Membranen wurden Modelle entwickelt, die sich für einen groben Überblick Bedingt durch die sich beim Betrieb rohwasserseitig vor auf zwei Grenzfälle verdichten lassen. Man unterscheidet der Membran einstellende Aufkonzentrierung der von die so genannten Lösungs-Diffusions-Membranen (Um- der Membran zurückgehaltenen Wasserinhaltsstoffe, kön- kehrosmose, Nanofiltration) und die Porenmembranen nen auf der Membranoberfläche und an den Komponen- (Mikro- und Ultrafiltration). ten der Membranelemente bzw. des Membranmoduls folgende Effekte auftreten, die sich negativ auf die Leis- • Die Lösungs-Diffusions-Membranen besitzen eine ho- tungsfähigkeit einer Membrananlage auswirken: mogene, mit einem Gel vergleichbare Trennschicht. Um die Membran passieren zu können, muss der Stoff Scaling sich im Membranmaterial lösen. Die Selektivität beruht Ablagerung anorganischer Wasser-inhaltsstoffe nach demzufolge auf der unterschiedlichen Löslichkeit und deren Ausfällung durch Übersättigung, Kristallbildung der unterschiedlichen Durchtrittsgeschwindigkeit der zu trennenden Substanzen durch das Membranmaterial. Fouling Der Stofftransport durch die Membran erfolgt nach den Deckschichtbildung durch organische Wasserinhaltsstoffe Gesetzen der Diffusion (Ficksches Gesetz). Triebkraft für die gelösten Stoffe bei allen diffusionskontrollierten Biofouling Membranprozessen ist die Differenz des chemischen Ausbildung eines Biofilms, der u. a. durch Mikroorganis- bzw. elektrochemischen Potenzials zu beiden Seiten der men gebildet wird Membran, während die Triebkraft für das Lösungsmittel, d. h. das Wasser die Druckdifferenz ist. Dieses Modell Diese Effekte können durch entsprechende Maßnahmen beschreibt die Trennwirkung von Umkehrosmosemem- verhindert oder zumindest vermindert werden. Die Ver- branen. Für die Beschreibung der Trenneigenschaften meidung der Ausfällung anorganischer Komponenten von Nanofiltrationsmembranen sind zusätzlich elektro- wie CaSO4 oder CaCO3 gelingt beispielsweise durch Ver- chemische Wechselwirkungen mit der in der Regel schiebung des pH-Wertes – und damit der Löslichkeits- negativ geladenen Membranoberfläche zu berücksich- grenze – und/oder der Dosierung von Antiscalingmitteln tigen. (Komplexbildner, z. B. Phosphonsäure, Polykarbonsäure). Die Verhinderung bzw. Verminderung des Wachstums eines Biofilms kann durch eine entsprechende Voraufbereitung bzw. ein einsatzfallspezifisches Spül- und Reinigungs-Regime erzielt werden. 290 Anhang Tab. A-2 Membranverfahren und deren Einsatzbereiche Abtrennbare Trenngrenze Verfahren Betriebsdruck Wasserinhaltsstoffe (Porengröße) [Membran-Typ] kPa (bar) Partikel > 0,1 µm 0,1 – 1 µm emulgierte Stoffe Mikrofiltration (MF) 50 – 300 kPa [Poren-Membranen] (0,5 – 3 bar) Kolloide, Makromoleküle 2.000 – 200.000 g/mol Ultrafiltration (UF) 50 – 1.000 kPa Molmasse > 2.000 g/mol (0,004 – 0,1 µm) [Poren-Membranen] (0,5 – 10 bar) > 200 g/mol Rückhaltung Nanofiltration (NF) 500 – 4.000 kPa für MgSO4 > 90 % [Lösungs-Diffusions-Membranen (5 – 40 bar) (0,001 – 0,005 µm) mit eingebauten ionogenen emulgierte Stoffe Organische Moleküle mehrwertige, anorganische Ionen Gruppen] organische Moleküle und alle Ionen < 200 g/mol Rückhaltung für NaCl > 95 % Umkehrosmose (UO) 500 – 7.000 kPa Hochdruck-UO (HD-UO) (5 – 70 bar) [Lösungs-Diffusions-Membranen] bis 12.000 kPa (bis 120 bar) A.5.2 grenzen entsprechen den von den Herstellern üblicher- Bestimmung des Membranverfahrens weise verwendeten Begriffen. Die angegebene Einheit (g/mol) für das Molekulargewicht entspricht der an ande- Bei der Auswahl eines Membranverfahrens sind zunächst ren Stellen verwendeten Einheit Dalton. vier wesentliche Festlegungen zu treffen: A.5.2.2 • Bestimmung der erforderlichen Trenngrenze einer Bestimmung des Membranmaterials auszuwählenden Membran • Bestimmung des Membranmaterials Heute stützt sich nahezu die gesamte Membrantechnik im • Festlegung des Modultyps Bereich der Wasser- und Abwasserbehandlung auf synthe- • Festlegung des Verfahrens tische Polymermembranen über die nachfolgend ein kurzer Überblick gegeben wird. In jüngster Zeit haben sich dabei Die Kriterien für diese Auswahl werden im Folgenden trotz der hohen Investitionskosten auch keramische Mem- beschrieben. branen im Bereich spezieller Anwendungsgebiete (hohe Temperaturen, aggressive Medien, Lösemittel) etabliert. A.5.2.1 Bestimmung der erforderlichen Trenngrenzen Aus den allgemeinen Stofftransportgesetzen (Konvektion, Diffusion) ist bekannt, dass der Permeatfluss [in l/(m2 h)] Die Art der aus einem Abwasser oder Prozesswasser abzu- umgekehrt proportional zur Länge der Transportstrecke trennenden Komponenten bzw. die erforderliche Selekti- ist. Aus diesem Grund hat man sich bei der Membran- vität bestimmt die Art der einzusetzenden Membran. Ein- herstellung bemüht, Trennschichten geringer Dicke zur zelne Beispiele in Tabelle A-2 verdeutlichen die Zuord- Verfügung zu stellen. Dennoch muss die mechanische nung der Abtrennung von Wasserinhaltsstoffen zu den Festigkeit der Membran gewährleistet sein. Membranarten. Bei den porösen Membranen ist dabei die in der Praxis mehrheitlich verwendete Porengröße ange- Während bei der Mikrofiltration in der Regel symmetri- geben. Die in der Tabelle benutzten Einheiten und Trenn- sche Membranen eingesetzt werden, haben sich für die 291 A A Anhang Ultra- und Nanofiltration sowie für die Umkehrosmose Abb. A-3 vor allem die asymmetrischen Membranen durchgesetzt. Querschnitt durch eine Phaseninversionsmembran Hier kann je nach Herstellungsverfahren zwischen Phasen- am Beispiel einer UF-Hohlfasermembran inversions- und Kompositmembranen unterschieden werden. Während bei einer Phaseninversionsmembran die aktive Schicht und die Unterstruktur aus dem gleichen Material hergestellt sind, wird bei den Kompositmembranen auf die Stützstruktur eine homogene, möglichst dünne Polymerschicht aufgebracht, weshalb eine getrennte Optimierung der Schichten möglich ist. Die Abbildungen A-3 und A-4 zeigen den prinzipiellen Aufbau von Phaseninversions- und Kompositmembranen. Die früher häufig eingesetzten Membranen aus Cellulosederivaten sind heute weitgehend durch Membranen aus vollsynthetischen Polymeren (Polysulfon, Polyethersulfon, Polyamid, Polypropylen, Polyacrylnitril, etc.) ersetzt worden. Diese weisen insbesondere den Vorteil der besseren Medienbeständigkeit auf. Tabelle A-3 ist eine Übersicht der gängigsten Membranmaterialien für die verschiedenen Membranverfahren. Abb. A-4 Kompositmembran, Links: Prinzipieller Aufbau einer Kompositmembran, Rechts: Schnitt durch eine Kompositmembran mikroporöses Trägermaterial bis zu 50 µm Dicke poröses Polyesternetz bis zu 125 µm Dicke aktive Schicht bis zu 2500 Å Barriereschicht = 1/4000 mm Dicke 2500 Å 292 Anhang Tab. A-3 Übersicht der gängigsten Membranmaterialien für die verschiedenen Membranverfahren Verfahren Aktive Schicht Mikrofiltration Polypropylen (PP) Polyvinylidenfluorid (PVDF) Polysulfon (PSU) -Aluminiumoxid Edelstahl, Titandioxid Zirkonoxid Ultrafiltration Polysulfon (PSU) reg. Cellulose Polyacrylnitril (PAN) Polyethersulfon (PES) Titanoxid, Zirkonoxid Polyvinylidenfluorid (PVDF) Nanofiltration Polyamid (PA) (Zirkonoxid), PES, Celluloseacetat (CA) Umkehrosmose Polyamid (95 %) Celluloseacetat (5 %) A.5.2.3 Da kein Modul aufgrund dieser in sich widersprüchlichen Bestimmung des Membranmoduls Anforderungen alle Aspekte optimal erfüllt, gibt es verschiedene Modulbauarten, die teilweise gezielt für be- Das Kernstück jeder Membrananlage bildet das Modul, stimmte Anwendungen entwickelt worden sind. Die ver- in dem die Membranfläche in einer technisch nutzbaren schiedenen Module lassen sich, sieht man von konstruk- Einheit angeordnet ist. Das ideale Modul gewährleistet tiven Einzelheiten ab, in zwei Gruppen aufteilen: die folgenden Aspekte: Module mit rohrförmigen Membranen • gute und gleichmäßige Überströmung der Membranen ohne Totwasserzonen, • mechanische, chemische und thermische Stabilität, • Rohrmodul • Kapillarmodul • Hohlfasermodul • geringe Druckverluste, • große Packungsdichte, Module mit flachen Membranen • kostengünstige Fertigung, • Plattenmodul • gute Reinigungsmöglichkeit, • Wickelmodul • gute Membranwechselmöglichkeit, • Kissenmodul • geringe Verblockungsneigung. • Rotationsmodul 293 A A Anhang Tab. A-4 Eigenschaften und Anwendungsgebiete verschiedener Modulformen Bauform (Beispiele) Packungsdichte [m2/m3] Spez. Kosten pro m2 Deckschichtkontrolle Einsatzgebiete Rotationsmodul 10 – 50 ––– +++ MF und UF Rohrmodul 20 – 90 –– ++ MF, UF, NF, RO Platten- bzw. Kissenmodul 100 – 250 – ++ MF, UF, NF, RO Kapillarmodul 600 – 1.200 0 + MF, UF, NF Wickelmodul 700 – 1.000 + – RO, NF, UF Hohlfasermodul > 1.000 ++ –– RO, UF – negativ 0 durchschnittlich + positiv Die Größe und damit die Investitions- und Betriebskosten Dies bedeutet für abwassertechnische Anwendungen, dass einer Membrananlage sind eng mit der spezifischen Per- Art und Konzentration der einer Membrananlage zuge- meatleistung und der zu installierenden Membranfläche führten Feststoffe bzw. die während des Prozesses gebilde- verbunden. Diese gilt es so günstig und damit so kompakt ten Feststoffe das zu wählende Modulsystem maßgeblich wie möglich anzuordnen, ohne jedoch die Betriebssicher- mit beeinflussen. Die Tabelle A-4 gibt einen Überblick heit zu gefährden. über die Eigenschaften und Einsatzgebiete der verschiedenen Modulformen. Der Aufbau der verschiedenen Module ist in den Abbildungen A-5 bis A-7 dargestellt. Abb. A-5 Abb. A-6 Stirnseitige Ansicht eines Rohrmoduls mit Abbildung eines Kissenmoduls [Typ ROCHEM FM] 5,5 mm-Rohrmembranen [Foto: X-FLOW] 294 Anhang Abb. A-7 Prinzipieller Aufbau eines Spiral-Wickelmoduls wird aufgerollt PermeatSammelrohr Rohrwasserseitiges Distanzgeflecht (Feed-Spacer) Rohrwasser Rohrwasserseitiges Distanzgeflecht Konzentrat Permeat Permeatseitiges Drainagevlies Permeatseitiges Drainagevlies Rohrwasserseitiges Drainagevlies Abfließen des Permeats nach Durchtritt durch die Membran Membran Membran Verklebung der Membrantaschen A.5.2.4 Im Gegensatz hierzu steht die „Dead-End“-Betriebsweise. Bestimmung der Betriebsweise von Membran- Wie bei der klassischen kuchenbildenden statischen Fil- anlagen tration nimmt die Filtratleistung mit zunehmender Deckschichtdicke ab. Kombiniert mit einer effizienten Rück- Die Art der Betriebsweise eines Membranverfahrens wird spültechnik wird diese Betriebsweise erfolgreich bei ent- – wie die Auswahl des Moduls – von der Belastung bzw. sprechenden Anwendungen der Mikrofiltration und der Konzentration der gelösten und/oder ungelösten Ultrafiltration eingesetzt. Verfahren mit einer Kombina- Inhaltsstoffe des jeweiligen Abwassers oder Prozesswassers tion von Merkmalen aus beiden Verfahren werden Semi- bestimmt. Sie beeinflusst über den spezifischen Energie- Crossflow-Verfahren genannt. bedarf die Wirtschaftlichkeit und damit die Realisierbarkeit der einzelnen Anwendungen. Die beiden Betriebsweisen Dead-End und Crossflow unterscheiden sich wesentlich hinsichtlich des Energiebe- Membranverfahren werden in der Regel im „Crossflow“ darfs. Reine Crossflow-Verfahren benötigen einen Ener- betrieben, auch als Tangentialstrom- oder Querstrom-Fil- giebedarf in der Größenordnung zwischen 2 kWh/m3 tration bezeichnet. Durch tangentiale Anströmung der und 10 kWh/m3 (für MF und UF) bzw. zwischen 0,5 retentat- bzw. konzentratseitigen Membranoberfläche und 5 kWh/m3 (für NF und RO), während reine Dead- wird versucht, die Deckschichtbildung auf der Membran End-Verfahren mit einem Energieeinsatz zwischen 0,1 zu begrenzen und damit den Permeatfluss auf einem und 0,3 kWh/m3 auskommen. möglichst hohen Niveau konstant zu halten. 295 A A Anhang A.5.3 A.5.4 Einsatzbeispiele Projektierung von Membrananlagen Im Folgenden sind Einsatzgebiete, in denen sich druckge- A.5.4.1 triebene Membranverfahren bewährt haben, aufgelistet. Grundlagenermittlung Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Als Grundlage für die Konzeptionierung und Planung • Filtration von Beizsäuren (MF, UF) einer membrantechnischen Anlage sind für das aufzube- • Aufbereitung von Abwasser aus CP-Anlage in der reitende Abwasser bzw. Prozesswasser alle relevanten Galvanotechnik (RO) Daten bezüglich Volumenstrom bzw. Chargenmenge, • Reinigung von Deponie-Sickerwasser (NF, RO) chemisch/physikalischer Parameter sowie sonstiger pro- • Standzeitverlängerung von Entfettungsbädern (MF, RO) zessspezifischer gelöster und ungelöster Wasserinhaltsstoffe • Rückgewinnung von Wertstoffen aus Farbabwässern (UF) (siehe Kapitel A.5.6 „Fragebogen Prozessdatenerhebung“) • Reinigung von Flexofarbabwasser (MF) für einen möglichst langen Zeitraum zu erfassen und ent- • Reinigung von Funkenerodier-Abwasser (MF) sprechend zu dokumentieren. • Reinigung von Gleitschleif-Abwasser (MF) • Aufbereitung von Grauwasser auf Schiffen (RO) Neben der Abwassersituation beim aktuellen Betriebszu- • Wasserrecycling von feststoffhaltigen Abwässern aus stand muss dabei auch der Wasserhaushalt des gesamten der Herstellung von Halbleiterbauelementen Betriebes erfasst werden, um Grundlagen für die Spezifi- (CMP, Schleifen, Sägen) (UF) kation der Zielvorstellung und die überschlägige Bewer- • Wiederverwendung in der Halbleiterindustrie (RO) tung der Auswirkungen eines neuen Verfahrenskonzeptes • Ölabtrennung aus Kompressor-Kondensaten (MF) auf den Betriebsablauf zu erhalten. Die Abschätzung des • Aufkonzentrierung von Kühlschmieremulsionen (UF) Einsparpotenzials bzw. der erwarteten Ergebnisse sollte • Aufbereitung von Laugen (MF, UF, NF) dabei durch Teilstrombetrachtungen sowie die Überprü- • Wiederverwendung in der Lebensmittelindustrie (RO) fung von Änderungen bei vorgeschalteten Prozessschritten • Aufbereitung von Spülwasser aus der Entfettung ergänzt werden. in der Metallverarbeitung (RO) • Reinigung von Kreislaufwasser in der NE-MetallVerarbeitung (UF) A.5.4.2 Projektierung und Bemessung • Abtrennung von biologisch schwer abbaubaren organischen Komponenten (NF) Nachdem die Grundlagenermittlung ergeben hat, dass ein • Reinigung von Rauchgaswäsche-Abwasser (MF) bestimmtes Membranverfahren einsetzbar ist, hat sich das • Aufbereitung von Säure (NF) nachfolgend beschriebene Vorgehen zur Projektierung • Aufbereitung von Schlammwasser (Filterrückspülwasser) solcher Anlagen in der Praxis bewährt. Der erfolgreiche (UF) • Aufbereitung von Schlammwasser im Schwimmbad- Betrieb kann in der Regel nur durch die beschriebene Vorgehensweise sichergestellt werden. Bereich (RO) • Aufkonzentrierung vor thermischen Verfahren (RO) A.5.4.2.1 • Voraufbereitung von Abwässern für die Weiterbehand- Vorversuche im Labormaßstab lung in einer Umkehrosmose (MF, UF) • Schließung von Wasserkreisläufen (UF, NF, RO) Die Vorversuche dienen der ersten Orientierung und wer- • Rückgewinnung von Wertstoffen aus Wasserlacken (UF) den in der Regel unter folgenden Gesichtspunkten durch- • Keimreduktion von Kläranlagen-Ablauf (MF, UF), geführt: siehe Teil 2 des Arbeitsberichtes • Schlammrückhaltung bei Membran-Bioreaktoren (MF, UF), siehe Teil 2 des Arbeitsberichtes 296 Anhang • Membran- und Modulauswahl mit Feststellung der Die optimale chemische Reinigung der Membranen ist grundsätzlichen Eignung eines Mediums für die wesentlich für die dauerhafte Funktion der Membranen. Behandlung mit dem gewählten Membranverfahren Je nach Art der Verschmutzung sind unterschiedliche Chemikalien anzuwenden. Auch wenn die Reinigungs- • Vorauswahl ggf. erforderlicher Vorbehandlungsmaß- strategie in jedem Einzelfall ausgearbeitet werden muss, nahmen mit Abschätzung des Scaling-, Fouling- und um optimale Ergebnisse zu erhalten, so kommen für die Biofoulingpotenzials und Vorversuchen zur Membran- verschiedenen Verschmutzungsarten doch prinzipiell fol- reinigung gende Chemikalienarten zum Einsatz: • Näherungsweise Bestimmung der wichtigsten Prozess- bei Membranverschmutzung durch Scaling: parameter wie z. B. Druck, Temperatur, Überströmungs- Membranreinigung durch Säure, z. B. Zitronensäure, geschwindigkeit und erzielbare Ausbeute Salzsäure, ggf. Komplexbildner A.5.4.2.2 bei Membranverschmutzung durch Fouling: Pilotversuche vor Ort Membranreinigung durch Oxidationsmittel, z. B. Wasserstoffperoxid, Peressigsäure, Natriumhypochlorit Die auf der Basis der Ergebnisse der Laborversuche zu entwerfenden Pilotversuche dienen der Ermittlung der bei Membranverschmutzung durch Biofouling: eigentlichen Auslegungsbasis, der Reinigungsstrategien Membranreinigung durch Oxidationsmittel oder durch und sonstiger verfahrenstechnischer und anlagenspezifi- Lauge, z. B. Natronlauge scher Randbedingungen. Dabei ist die Pilotanlage so zu konzipieren, dass die hydraulischen Randbedingungen Zwischen den einzelnen Reinigungsstufen muss die Anlage (Überströmbedingungen der Membran, Modulverschal- jeweils mit Wasser ausgespült werden, damit Wechselwir- tung) der Membranelemente bzw. der Module auf die der kungen zwischen den einzelnen Chemikalien vermieden geplanten Betriebsanlage übertragbar sind. Nur damit werden. Beispielhaft kann folgende Reinigungsstrategie wird das Up-Scaling problemlos möglich. Anwendung finden: Die Pilotversuche sollten unter folgenden Gesichtspunkten 1. Verdrängung des Prozesswassers aus der Anlage durchgeführt werden: 2. Reinigug mit Zitronensäure/Salzsäure bei pH 3 zur Ablösung anorganischer Beläge, Dauer ca. 1 – 4 Stunden • Betrieb einer halbtechnischen Pilotanlage im Dauerbetrieb unter Praxisbedingungen vor Ort mit Aufnahme aller bemessungsrelevanten Daten einschließlich der Vorbehandlung bei leicht erhöhter Temperatur 3. Zwischenspülung mit Wasser, d. h. Verdrängung der vorigen Reinigungslösung 4. Behandlung mit NaOCl/NaOH bei pH 11 zur Oxidation bakterieller Ablagerungen, Dauer ca. 5 – 8 Stunden bei • Bestimmung der Permeatleistung als Funktion der Prozessstrecke und der Zeit leicht erhöhter Temperatur 5. Schlussspülung mit Wasser zur vollständigen Verdrängung aller Chemikalien aus dem System • Sicherstellung der Reinigbarkeit der Membranen, Be- 6. Wiederanfahren der Anlage mit Prozessabwasser stimmung der Reinigungsintervalle, Optimierung der Reinigungsoperationen, Bestimmung des Chemikalien- Je nach Verschmutzungsgrad kann die Zeitdauer der ein- bedarfes zelnen Schritte variieren oder es kann notwendig sein, einen dieser Schritte mehrfach durchzuführen. 297 A A Anhang Abb. A-8 Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage Chemikalien für Betrieb Chemikalien für chemische Reinigungen Betriebsmittel (Elektrische Energie, Druckluft) Sonstige Verbrauchsstoffe (Ersatzfilter etc.) gereinigtes Wasser (Permeat bzw. Filtrat) Abwasserzulauf Membrananlage Konzentrat Abwasser aus Spülungen Abwasser aus chemischen Reinigungen A.5.4.2.3 Die folgende Checkliste soll für den künftigen Anlagen- Anlagenplanung betreiber als Checkliste für seine eigenen Arbeiten bzw. für die Bewertung von Angeboten dienen. Auf der Basis der Ergebnisse der Pilotierung kann die Anlagenplanung durchgeführt werden. Folgende Punkte A.5.5.1 sind hierbei abzuarbeiten: Technische Bewertung eines Membranverfahrens hinsichtlich Einsatz und Vollständigkeit • Versuchsdatenauswertung mit der Bestimmung der am Ende der erwarteten Membranlebensdauer noch vor- A.5.5.1.1 handenen Permeabilität [definiert als l/(m h bar)] Definition der Aufgabenstellung 2 an jeder Stelle im Membranprozess als wesentlichste Bemessungsgröße • Anlagenentwurf unter Beachtung der sich tatsächlich ergebenden Betriebsbedingungen der eingesetzten Membranen und Module • Einbindung des Membranverfahrens in den Gesamtprozess • Sind die im Abwasser enthaltenen Inhaltsstoffe ausreichend spezifiziert und dokumentiert? • Sind Schwankungen des Abwassers hinsichtlich Qualität und Quantität definiert? • Wurden bei der Angabe der Abwasserdaten auch im Herstellungsprozess seltene, zyklisch auftretende Bedingungen berücksichtigt? A.5.5 Bewertungskriterien zur Auswahl einer A.5.5.1.2 Membrananlage Material- und Stoffströme beim Betrieb einer Membrananlage Nach der Durchführung der beschriebenen Vorgehensweise sollte vor der endgültigen Realisierung nochmals • Sind die genannten Mengenströme schlüssig, d. h. geht eine Bilanzierung der durchgeführten Auswahlverfahren die Gesamtbilanz auf? (Summe Zuläufe = Summe Ab- erfolgen. läufe! Abb. A-8) 298 Anhang • Sind die notwendigen Messgeräte für die Bilanzierung des Anlagenbetriebes enthalten? A.5.5.1.5 Technische Ausführung • Können Zeiträume für chemische Reinigungen durch innerbetriebliche Maßnahmen oder Pufferbehälter • Wie hoch ist der Automatisierungsgrad der Anlage? überbrückt werden? • Ist dieser für die betrieblichen Belange ausreichend? • Ist die Anlagenauslegung so gewählt, dass der durch • Ist die angebotene Anlage konzeptionell in der Lage, diese Reinigungen entstehende Mehranfall an Abwasser auf die zu erwartenden Schwankungen im Abwasser in vernünftigen Zeiträumen abgearbeitet werden kann? zu reagieren? • Ist die Entsorgung von Abfällen (getauschte Membranen, Vorfilter) problematisch? • Wenn ja, wie hoch sind die Kosten hierfür? A.5.5.1.3 A.5.5.1.6 Redundanzen • Welche Folgen hat ein Ausfall der Gesamtanlage über Verwendung bzw. Entsorgung der entstehenden einige Stunden/einige Tage für den Betrieb? (Entsorgungs- Produkte kosten/Entsorgungssicherheit/Produktionsausfall/Folgekosten) • Entspricht das erzeugte gereinigte Wasser (Permeat bzw. • Sind die in der Anlage berücksichtigten Redundanzen Filtrat) den Anforderungen an die Einleitung in die im Hinblick auf die ggf. entstehenden Kosten bei Anla- Kanalisation oder den Vorfluter bzw. den Qualitätsan- genausfall ausreichend? forderungen zur Wiederverwendung? • Erfolgt diesbezüglich eine kontinuierliche Kontrolle der Qualität? A.5.5.1.7 Referenzen/Ähnliche Anwendungen • Kann das erzeugte Konzentrat innerbetrieblich verwendet werden bzw. entspricht dieses Konzentrat den Anforderungen an die Einleitung in die Kanalisation oder den Vorfluter? • Hat das Recycling von Abwasser Auswirkungen auf die bestehende Abwassereinleitung bzw. auf die bestehende • Gibt es für den Anwendungsfall bereits realisierte Beispiele? • Hat das anbietende Unternehmen Referenzen für die gewählte Membrantechnik, ggf. in ähnlichen Anwendungen? Abwasseranlage (Konzentrationserhöhung)? • Wie werden entstehende Abwässer aus der chemischen Reinigung der Anlage entsorgt? A.5.5.2 Betriebskosten A.5.5.1.4 A.5.5.2.1 Vorreinigung Betriebsmittel • Benötigen die eingesetzten Membranmodule bzw. Membranen eine Vorreinigung? • Ist diese Vorreinigung technisch und preislich berücksichtigt? • Was passiert bei Ausfall der Vorreinigung (Notmaßnahmen zur Absicherung der Membranen)? • Sind Sicherheitsmaßnahmen (Messtechnik, Sicherheitsfilter) bei unzureichender Vorreinigung getroffen? • Wie hoch ist der Anschlusswert/der Verbrauch an elektrischer Energie? • Wie hoch ist der Verbrauch/sind die Kosten für Druckluft? • Wie hoch ist der Verbrauch von zusätzlich benötigtem Wasser (z. B. für chemische Reinigungen, Rückspülungen)? • Reicht das zur Verfügung stehende Wasser für diese Maßnahmen hinsichtlich Quantität und Qualität aus? • Welche Chemikalien sind für den normalen Anlagenbetrieb erforderlich? 299 A A Anhang • Sind diese Chemikalien im Betrieb vorhanden? Wie werden sie bereitgestellt? • Sind die Verbräuche dieser Chemikalien bekannt? Jährliche Kosten? • Wie hoch sind die jährlichen Analysenkosten? • Hydraulische Veränderungen im Zulauf oder innerhalb der Anlage, z. B. durch nachlassende Pumpenleistung • Veränderung der Zulaufqualität, z. B. durch Veränderung der Fracht oder durch zusätzliche Inhaltsstoffe (Einsatz von Prozesschemikalien anderer Lieferanten oder Wechsel des Produktionsprozesses) A.5.5.2.2 Betriebshilfsmittel • Membranwechsel (Wechsel zu einem anderen Membranlieferanten) • Unzureichende Wartung der Mess- bzw. Analysentech- • Standzeit/jährliche Kosten für eventuelle Vorfilter? nik (z. B. pH-Elektroden) (Verschleißteilangebot vorhanden?) Diese Auflistung von in der Vergangenheit beobachteten A.5.5.2.3 Betriebsproblemen zeigt deutlich, dass der Wartung einer Personalkosten Membrananlage wesentliche Bedeutung zukommt. Sicherlich lassen sich Änderungen der Zulaufqualität des zu rei- • Welcher tägliche/wöchentliche Personalaufwand ist für den Betrieb der Anlage erforderlich? nigenden Abwassers nicht vermeiden, da Änderungen im Produktionsprozess immer möglich sind. Üblicherweise werden geringfügige Änderungen keinen Einfluss auf die A.5.5.2.4 Reinigungsanlage haben. Trotzdem ist dringend anzura- Lebensdauer und Membranersatz ten, dass bei wesentlichen Änderungen ein enger Kontakt zum Anlagenhersteller gehalten wird, da oftmals auch • Wie hoch ist die Standzeit der eingesetzten Membranen? wesentliche Veränderungen im zulaufenden Wasser durch Erwartete Lebensdauer/garantierte Lebensdauer (garan- geringfügige Modifikationen der Membrananlage gut ver- tierter Wert mindestens zwei Drittel des Erwartungs- kraftet werden können. Voraussetzung hierfür ist aber werts)? auch, dass der Anlagenbetreiber durch innerbetriebliche • Liegt ein langfristiges Angebot für Ersatzmembranen vor? Maßnahmen von diesen Änderungen rechtzeitig unter- • Ist der Arbeitsaufwand für den Austausch der Membra- richtet wird. nen enthalten? Ein Literaturverzeichnis des Anhangs A.5 finden Sie auf A.5.5.3 den Seiten 316 – 317. Änderungen der Bedingungen bei Betrieb der Anlage A.5.5.4 Sonstige Punkte Neben der Bewertung eines Membranverfahrens hinsichtlich Vollständigkeit, Kosten und Verfahrenssicherheit sind A.5.5.4.1 beim Betrieb der Anlage verschiedene Randparameter ein- Störungen zuhalten, die bei Nichtbeachtung teilweise zu Betriebsproblemen bzw. Schäden führen können. Bei ausgeführten Anlagen wurden beispielsweise folgende Punkte beobachtet: • Sind im Notfall Ersatzmembranen bzw. -module in der erforderlichen Menge kurzfristig verfügbar? • Ist diese Zeit für den Betrieb akzeptabel (ggf. Ausfall • Korrosion einzelner Anlagenteile durch Veränderung der Reinigungschemikalien • Änderung der Inhaltsstoffe von Reinigungschemikalien, beispielsweise durch Veränderung der Bezugsquelle • Veränderung der Abfolge von Reinigungsschritten • Änderung der Temperatur während der Reinigung 300 der Anlage für diesen Zeitraum)? Anhang A.5.5.4.2 A.5.6.3 Vorversuche Fragen zur Anlagenauslegung • Wurden für den Anwendungsfall Vorversuche durchgeführt? • Wenn ja, stimmen die Angaben des Angebotes mit den Daten der Vorversuche überein? • Welche Verarbeitungsmenge ist zu erwarten? Wie fällt diese an? Gibt es ggf. Misch- und Ausgleichsmöglichkeiten? Zukünftige Entwicklung? (Ganglinien der Mengen und Inhaltsstoffkonzentrationen, Angaben in m3/h, m3/d und m3/a) A.5.6 Fragebogen Prozessdatenerhebung • Welche Permeatausbeute (= %, bezogen auf Verarbeitungsmenge) soll mindestens erreicht werden? • Gibt es Möglichkeiten, die Prozesstemperatur zu be- A.5.6.1 einflussen? Beschreibung der Trennaufgabe, die mit einem Membranverfahren gelöst werden soll A.5.6.4 Anforderungen an Ausführung und Bau der • Um was für ein Abwasser handelt es sich? Herkunft? Membrananlage Zusammensetzung? Physikalische und chemische Analysendaten (u. a. Temperatur, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, Härte, Foulingneigung, Feststoffgehalt, Art der Feststoffe) • Welche Komponenten sollen aus dem Medium entfernt werden? • Welche Anforderungen werden an die Permeatqualität gestellt? • Sind im Medium membranschädigende Substanzen enthalten? (Orientierung an Substanzliste im Anhang). Wenn ja, welche? • Welche Anforderungen werden an die einzusetzenden Werkstoffe gestellt? Gibt es Werkstoffe, die nicht eingesetzt werden können oder dürfen? • Welche sonstigen Anforderungen werden an die Membrananlage gestellt? (z. B. Ex-Schutz, Sanitärausführung, Betrieb unter Lebensmittelbedingungen, CIP-Fähigkeit) • Gibt es Vorgaben zum Automatisierungsgrad der Anlage bzw. zur Art der Anlagensteuerung? • Welcher Platz steht für eine mögliche Membrananlage zur Verfügung? • Handelt es sich um ein mikrobiologisch auffälliges Medium? Anhang A.5.6.2 In Abhängigkeit von der Konzentration und der Betriebs- Zur Bewertung bzw. zur Integration eines Mem- weise können sich folgende Stoffe und Substanzen negativ branverfahrens in ein Gesamtbehandlungskonzept auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems auswirken und sind deshalb auch genauer zu überprüfen: Oxidations- • Gibt es sowohl für das Permeat bzw. Filtrat, als auch für mittel [z. B. Chlor, Peroxyd, Chrom (VI)], kationische das Konzentrat eine Verwertung? (z. B. Wiedereinsatz Tenside, Flockungsmittel, Entschäumer, Polymere, Silikone, im Betrieb, Wertstoffrückgewinnung) organische Lösemittel, Silikate, Calcium, Barium, Stron- • Falls eine Konzentratbehandlung erforderlich ist, welche Möglichkeiten gibt es? Wie sind ggf. Entsorgungs- tium, Eisen/Mangan, Zinn, Säuren/Laugen (pH-Wert), Gips, Kalk, abrasive Stoffe. wege und -kosten zu bewerten? • Wie hoch sind die durch den Einsatz eines Membranverfahrens ggf. erreichbaren Kosteneinsparungen? (Chemikalien, Wasser- und Abwassergebühren etc.) • Welche (zum Membranprozess) konkurrierenden Verfahren sind zu beachten? 301 A A Anhang Abb. A-9 Schematischer Vergleich des konventionellen Belebungsverfahrens mit dem Membranbelebungsverfahren Membran Zulauf BB NK Zulauf Ablauf ÜSS BB Ablauf ÜSS Teil II Der vorliegende Arbeitsbericht gliedert sich in die Be- Aerobe Membranbelebungsverfahren schreibung des konstruktiven Aufbaus von Membranbelebungsanlagen (Kapitel A.5.8) und die Anforderungen an A.5.7 den Zulauf (Kapitel A.5.9). Im Kapitel A.5.10 werden Allgemeines Bemessungshinweise gegeben und im Kapitel A.5.11 auf einige Besonderheiten von Membranbelebungsanlagen Der vorliegende Arbeitsbericht richtet sich an Betreiber, im Vergleich zu konventionellen Belebungsverfahren ein- Planer und Anlagenbauer, die sich mit der Industrieab- gegangen. Das Kapitel A.5.12 enthält Hinweise zur Wirt- wasserreinigung befassen. Er ist der zweite Teil des Arbeits- schaftlichkeit von Membranbelebungsanlagen. Eine Liste berichtes „Aufbereitung von Industrieabwasser und Pro- von Beispielanlagen im Bereich der Industrieabwasserrei- zesswasser mit Membranverfahren und Membranbele- nigung im europäischen Raum schließt den Bericht ab. bungsverfahren“ und baut auf dem vom Fachausschuss 2.7 erarbeiteten Arbeitsbericht „Membranbelebungsverfahren“ A.5.8 für kommunale Anlagen auf, in dem die wesentlichen Konstruktiver Aufbau Grundlagen und Definitionen dargestellt sind. Membranbelebungsanlagen bestehen aus dem BelebungsIn Membranbelebungsanlagen wird die Nachklärung becken, in dem mittels belebtem Schlamm die biologi- durch eine Mikrofiltration bzw. Ultrafiltration ersetzt. sche Behandlung des Abwassers durchgeführt wird, und Hierdurch ergeben sich zwei wesentliche Vorteile: der Filtrationseinheit, in der mittels den in Modulen eingebauten Membranen der belebte Schlamm zurückgehal- • ein feststofffreier Ablauf ten und ein feststofffreier Ablauf ermöglicht wird. • die Unabhängigkeit der Biomassekonzentration vom Sedimentierverhalten A.5.8.1 Anordnung In Membranbelebungsanlagen können daher im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen wesentlich Es sind eine Reihe verschiedener Membranen und Mem- höhere Trockensubstanzgehalte erreicht werden. Um den branmodule am Markt, die sich hinsichtlich der Modul- gleichen Faktor ist eine Beckenvolumeneinsparung reali- konstruktion, der Trenngrenze (Mikro- oder Ultrafiltrations- sierbar, sofern nach den gleichen Bemessungsansätzen membran), des Membranaufbaus (Flach-, Rohr- und vorgegangen wird. Kapillarmembranen), der Filtrationsrichtung (von innen nach außen oder umgekehrt), des Aufstellungsorts (tro- In Abbildung A-9 ist schematisch eine Membranbelebungs- cken aufgestellte und getauchte Systeme) und der Be- anlage im Vergleich zu einer konventionellen Belebungs- triebsweise unterscheiden. Wegen der hohen Feststoffge- anlage dargestellt. halte belebter Schlämme wird die Filtrationseinheit der Membranbelebungsanlagen in der Regel als Crossflow- 302 Anhang Abb. A-10 Abb. A-11 Anordnung der getauchten Membranmodule im Anordnung der getauchten Membranmodule in aeroben Teil des Belebungsbeckens einem externen Filtrationsbecken Abb. A-12 Anordnung der trocken aufgestellten Membranmodule Modus betrieben, d. h. das Schlamm-Wasser-Gemisch A.5.8.1.2 wird tangential über die Membranoberfläche gefördert, Trocken aufgestellte Membranmodule wobei ein Teilstrom die Membran durchdringt und als Filtrat abgezogen wird. Der Deckschichtaufbau kann Bei trocken aufgestellten Anordnungen wird das Schlamm- durch Variation der Bedingungen bei der Überströmung Wasser-Gemisch dem Belebungsbecken entnommen und beeinflusst werden. durch das Modul gepumpt. Die Crossflow-Strömung wird durch eine Pumpe erzeugt. Aufgrund des hohen Strö- Im Vergleich zu trocken aufgestellten Membranmodulen mungsdruckverlustes in den heute üblichen Modulen ist ist der spezifische Energiebedarf zur Erzeugung der Cross- der Energiebedarf höher als bei getauchten Systemen. Die flow-Strömung bei getauchten Systemen geringer, es sind sehr wirksame Deckschichtkontrolle führt allerdings auch aber größere Membranflächen vorzuhalten, da auch der zu einem höheren spezifischen Fluss. Folgende Abbildung Fluss [l/(m h)] geringer ist. A-12 zeigt die Anordnung schematisch. 2 A.5.8.1.1 A.5.8.2 Getauchte Membranmodule Deckschichtkontrolle Die getauchten Membranmodule werden im aeroben Teil A.5.8.2.1 des Belebungsbeckens oder in einem separaten „Filtra- Deckschichtkontrolle bei getauchten Systemen tionsbecken“ installiert (Abb. A-10 und A-11). Eine unter den Membranen angeordnete grobblasige Belüftung und/ Getauchte Systeme werden direkt in die Belebung oder in oder eine mechanische Bewegung erzeugt die erforderliche ein externes Filtrationsbecken eingehängt (vgl. Abb. A-10 Querströmung (Crossflow). Das Filtrat wird mittels eines und A-11). Die Kontrolle der Deckschicht erfolgt durch Unterdrucks von ca. 0,05 bis 0,6 bar (möglichst gering) Lufteintrag im Fußbereich der Module. Die aufsteigenden abgezogen. Luftblasen erzeugen an der Membranoberfläche unzäh- 303 A Anhang lige kleine Wirbel. Die Druckunterschiede in den Wirbeln Abb. A-13 lösen anhaftende Partikel von der Membranoberfläche. Qualitativer Zusammenhang zwischen erforderlicher Membranfläche, Energiebedarf und Fluss Bei Hohlfasermembranen werden durch die Vielzahl der Wirbel großflächige Bewegungen der Hohlfasern zueinanrende Belüftung unterstützt werden, dabei entsteht ein Pumpeffekt der eine Querströmung innerhalb der Faserbündel induziert. Diese verbesserte Deckschichtkontrolle hat den weiteren Vorteil, dass der Energieverbrauch für den Lufteintrag vermindert wird. Bei Flachmembranen kann durch einen Einbau (Kastenstruktur um die Membran herum) oder eine mechanische Bewegung eine Zwangsströmung entlang der Membran erzeugt werden. Der resultierende Druckluftheber fördert Fluss flow [l /(m2·h)] der erzeugt. Diese Bewegung kann durch eine intermittie- Spezifische Membranfläche [m2/(m3·h)] A Fläche Energiebedarf (kWh/m3) Getauchte Membranmodule Trocken aufgestellte Membranmodule den belebten Schlamm bei manchen Systemen, z. B. bei Plattenmembranen, erst dann in effektiver Weise, wenn unterhalb der Membran ein freier Aufströmkanal zur Beschleunigung des Luft-Schlamm-Gemisches angeordnet A.5.8.2.3 ist. Generell A.5.8.2.2 Die Erzeugung dieses „Crossflows“ trägt wesentlich zum Deckschichtkontrolle bei trocken aufgestellten spezifischen Energiebedarf der Membranfiltration bei. Systemen Ziel zahlreicher Verfahrensentwicklungen ist die Minimierung des Energieeinsatzes durch Reduzierung des Die Membranfiltration beim Membranbelebungsverfahren Cross-flows bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines wird bei trocken aufgestellten Systemen im „Crossflow“ hohen Flusses. Damit werden die erforderlichen Membran- betrieben. Durch tangentiale Anströmung der Membran- flächen und somit die Investitions- und Membranersatz- oberfläche auf der feststoffhaltigen Seite wird die Deck- kosten minimiert. schichtbildung durch Ablagerung abfiltrierter Partikel begrenzt, um einen konstanten Filtratfluss auf hohem Abbildung A-13 stellt den theoretischen Zusammenhang Niveau zu erreichen. Der Fluss ist um so höher, je durch- zwischen Membranfläche, Energiebedarf und Fluss für die lässiger, d. h. in der Regel auch je dünner, die filtrierende Membranbelebungsverfahren dar. Deckschicht auf der Membran ist. Um eine wirksame Deckschichtkontrolle zu erzielen, wird ein mehrfaches A.5.8.3 des Zuflusses (Feed) rezirkuliert. Übliche Geschwindigkeit Reinigungsstrategien für die Querstrom- oder Crossflow-Filtration betragen je nach Modulaufbau ca. 1 bis 4 m/s. Eine Reinigung der Membranen ist erforderlich, um dem Rückgang des Flusses [genauer: der Permeabilität, ausgedrückt in l/(m2 h bar)], vorbeugend entgegenzuwirken bzw. bei zurückgegangenem Durchsatz die Permeabilität wieder zu erhöhen. Ursachen für Permeabilitätsverluste können sein: 304 Anhang • Ablagerung von (kolloidalen) organischen und anorganischen Partikeln der Filtrationsphase) und dem Nettofluss, d. h. dem über eine komplette Sequenz aus Filtration und Rückspülung • Ablagerung und Ausfällung von Salzen (siehe Scaling) unter Berücksichtigung der Rückspülmenge erzielten Fluss • Ablagerung von organischen Makromolekülen zu unterscheiden. • Biofouling, d. h. Penetration und Aufwuchs von Mikroorganismen und/oder deren Ausscheidungen wie En- Unter Spülung versteht man in der Regel den kurzzeitigen zyme, EPS (extrazelluläre polymere Substanzen) in und Betrieb mit klarem Wasser ohne Umkehrung der Permea- an der Membran tionsrichtung, um die Deckschicht abzuschwemmen und auszutragen. Dies wird üblicherweise bei trocken aufge- Entsprechend der Verschiedenartigkeit der Ursachen sind stellten Membranmodulen angewandt. die Reinigungsstrategien an die Abwasserzusammensetzung, an die Betriebsweise der Belebungsstufe und an die Zwischenreinigung eingesetzten Membranen und Membranmodule anzupas- (maintenance cleaning; chemical enhanced backwash) sen. Bei der (Zwischen-)Reinigung werden dem (Rück-)SpülwasDabei ist zu unterscheiden zwischen prozessgesteuerten ser Chemikalien wie z. B. Zitronensäure oder oxidierende integrierten Spülungen, periodischen in situ-Zwischenrei- Chemikalien (z. B. Hypochlorit) zugesetzt. Die Reinigung nigungen z. B. durch Rückspülung mit Chemikalienzusatz erfolgt in situ, d. h. die Membrane bleibt in der Regel in und unregelmäßig durchgeführten diskontinuierlichen Kontakt zum Schlamm-Wasser-Gemisch (das Schlamm- Hauptreinigungen mit Chemikalien unter Außerbetrieb- Wasser-Gemisch kann auch abgelassen werden). Das Zeit- nahme der Filtrationseinheit. intervall zwischen zwei Spülungen, die Art der Chemikalien und deren Konzentration sind anwendungsspezifisch. Alle Reinigungsvorgänge laufen bei erhöhten Temperaturen schneller ab. Zudem wird die gleiche Wirkung mit gerin- Typische Zwischenreinigungsintervalle, z. B. mit Natrium- gerer Chemikalienkonzentration erzielt, d. h. die Reinigung Hypochlorit (NaOCl) oder Säure, betragen wenige Tage erfolgt schonender. Für organische Membranen liegen bis mehrere Wochen. Die Spülung erfolgt mit sehr gerin- großtechnische Erfahrungen bis ca. 35 – 40 °C vor. gem Rückspülfluss – häufig in einem mehrfach durchlaufenen Zyklus von kurzzeitigem Spülen – Einwirken lassen Da Reinigungsprozeduren stark von dem Membran- und – Spülen – um den Chemikalieneintrag und die uner- Modultyp abhängen und einer raschen Weiterentwick- wünschte Schadstoffneubildung (AOX) zu minimieren. lung unterliegen, können hier nur generelle Hinweise von exemplarischem Charakter gegeben werden. Hauptreinigung (intensive cleaning) Spülung/Rückspülung In größeren Abständen – je nach Anwendung ca. einmal monatlich bis zweimal jährlich – kann es erforderlich sein, Unter Rückspülung versteht man eine intervallweise, eine intensive Reinigung durchzuführen. Dazu werden kurzfristige Umkehrung der Strömungsrichtung in den entweder die Membranmodule in ein separates Reini- Membranen zur Ablösung der beim Filtrationsvorgang gungsbecken gegeben oder es wird das Schlamm-Wasser- angelagerten „Partikel“ (Deckschicht). Diese Rückspülung Gemisch abgezogen und gegen Reinigungslösungen aus- erfolgt in der Regel mit Filtrat. getauscht. Ein typisches Beispiel für ein am Markt befindliches Hohl- Die Reinigungschemikalien hängen naturgemäß vom fasermodul ist eine Filtration von 5 – 8 Minuten Dauer, Anwendungsfall ab. Es ist zweckmäßig, die Reinigung mit gefolgt von einen Rücklspül intervall von ca. 30 – 40 s. warmem Wasser durchzuführen. Eine typische Reinigungs- Anmerkung: Bei einer solchen Betriebsweise ist bei der sequenz kann z. B. aus folgenden Schritten bestehen: Angabe des Flusses, zwischen Bruttofluss (Fluss während 305 A A Anhang • Spülen/Abspülen der Membranen mit Wasser Je aggressiver die Chemikalie, je höher die Konzentra- • Behandlung mit Säure, z. B. Zitronensäure (250 – 2.000 tion und je länger die Einwirkzeit, umso größer ist die ppm) unter Zusatz von Salz- oder Schwefelsäure zur Membranschädigung. Einige Membranhersteller geben Einstellung des pH-Wertes auf 2 – 3, zur Ablösung/ chemikalienspezifische Maximalwerte für das Produkt Entfernung anorganischer Beläge Einwirkzeit 0,5 h bis aus Chemikalienkonzentration und Einwirkzeit an. Bei- ca. 4 h, Wechsel zwischen Rückspülung und Einwirkzeit spiel: 250.000 ppmh freies Chlor bedeuten 500 h mit • Zwischenspülung (Neutralisation) um Salzablagerungen 500 ppm Lösung, oder 100 h mit 2.500 ppm Lösung. und Wärmeentwicklung in der Membran (Neutralisa- • Reinigungschemikalien können durch chemische Reak- tionswärme) zu vermeiden, wenn nachfolgend bei alka- tionen ihrerseits Störungen hervorrufen oder Schad- lischen pH-Werten gereinigt wird stoffe bilden. Als Beispiele seien genannt: • Reinigung mit oxidativen Chemikalien zur Oxidation – Verseifung durch Reaktion von NaOH mit Fetten und von organischen und bakteriellen Ablagerungen, z. B. Ölen " starke Schaumbildung. Maßnahme: gutes 0,05 %ige Lösung (Gew. %) (= 500 ppm (500 mg/l) Nachspülen mit Wasser bezogen auf aktives Chlor), d. h. ca. 0,4 %ige NaOCl- – Salzablagerungen in der Membran durch Neutralisa- Lösung (= 4.000 ppm NaOCl) bei pH 11 für 5 bis 20 h tionsreaktionen. Maßnahme: ausreichend Zwischen- Einwirkzeit ggf. bei erhöhter Temperatur • Schlussspülung mit Wasser zum Auswaschen der Natron- spülung mit Wasser – – AOX-Bildung durch Reaktion von OCl mit organi- lauge (NaOH). Dadurch wird das Scalingpotenzial ver- schen Inhaltsstoffen. Maßnahmen: Verwendung von ringert und die Gefahr einer Verseifung (Reaktion der Trinkwasser (statt Filtrat) zum Ansetzen der Reini- NaOH mit Fett und Öl zu Glycerin und Na-Salzen der gungslösung; Verwendung halogenfreier Oxidations- Fettsäuren), durch die eine unerwünschte Schaument- mittel wie z. B. H2O2, Peressigsäure (Reinigungswir- wicklung auftreten kann, vermindert. kung prüfen!) • Reinigungslösungen sind ordnungsgemäß zu lagern Generell ist zu beachten, dass die Reinigungslösung je nach und können ggf. aufbereitet und mehrfach eingesetzt Verschmutzungsgrad der Membranen nachgeschärft oder werden. Alle Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit ausgetauscht wird. Chemikalien sind zwingend einzuhalten. • Die Reinigungslösungen sind ordnungsgemäß zu ent- Hinweise und Erfahrungen zur Reinigung sorgen. (In der Regel können sie der Belebungsanlage zugeführt werden – prüfen!) Der Vielzahl der Anwendungsfälle und der Verschieden- • Bereits bei der Planung ist zu berücksichtigen, ob die artigkeit der Membranen und Membranmodule entspre- meist notwendigen Hauptreinigungen in situ oder in chend sind Reinigungskonzepte und Erfahrungen nicht einem externen Reinigungsbecken erfolgen sollen. Dies beliebig übertragbar. Allgemein ist jedoch zu beachten: hat kostenrelevante Konsequenzen bezüglich der Materialwahl (z. B. Behälterbeschichtungen, Armaturen), • Reinigungschemikalien können – vor allem in konzen- sowie hinsichtlich der Logistik von Entnahme und trierter Form – Membranen, Stützgewebe der Membra- Transport der Membranen, Durchführbarkeit einer Rei- nen, Komponenten der Membranmodule, aber auch nigung bei erhöhter Temperatur, Flexibilität bezüglich Behälterwandungen und Armaturen angreifen. – Dies gilt insbesondere bei niedrigen (hohen) pH-Wer- der Chemikalienauswahl etc. • Bei der Konzentrationsangabe von Reinigungslösungen ten, wobei zu beachten ist, dass z. B. durch chemi- sind präzise Angaben von Nöten. Insbesondere bei der sche Reaktionen lokal deutlich höhere pH-Werte auf- Verwendung von Hypochlorit ist anzugeben, ob sich treten können als im Reaktor gemessen/berechnet die Konzentrationsangabe auf NaOCl, HOCl, OCl , das (Beispiel: pH-Anstieg durch die Oxidation von orga- rechnerisch enthaltene Cl oder das freie (aktive) Chlor nischen Stoffen mit Na-Hypochlorit). bezieht. Bei der Umrechnung von Liter auf kg, Gew-% – • Oxidierende Chemikalien greifen organische Membra- oder ppm ist die Dichte der handelsüblichen NaOCl- nen an und führen zu einer beschleunigten Alterung. Lösung (Chlorbleichlauge) von = 1,2 kg/l zu berück- 306 Anhang sichtigen. Die Lösung enthält maximal 12 – 13 % wirk- chend. Ist eine Vorklärung vorgeschaltet, so übt eine sames (freies, aktives) Chlor. Siebanlage vorrangig eine Sicherheitsaufgabe aus. • Es ist sinnvoll, die Reinigungsprozeduren mit dem Membranlieferanten/-hersteller detailliert abzusprechen und Fett- und Leichtstoffabscheidung die Durchführung der Reinigungen genau zu protokollieren. Insbesondere bezüglich der Garantieleistungen Ungelöste, schwer abbaubare Fette und Öle sind vor der sollten Vereinbarungen über Reinigungskonzepte, Beschickung der Membranbelebungsanlage aus dem -intervalle und zu protokollierende Parameter getroffen Abwasser zu entfernen, da diese die Filtratleistung beein- werden. trächtigen können. Gut abbaubare Fett- und Leichtstoffe stellen in der Regel kein Problem dar. A.5.9 Anforderungen an den Zulauf Vorklärung A.5.9.1 Eine Vorklärung sollte bei hohen Konzentrationen an Allgemeines Feststoffen vorgesehen werden, um den aktiven Anteil des belebten Schlamms nicht so stark abzusenken, dass Bevor das Abwasser einer Membranbelebungsanlage zuge- die biologische Reinigungsleistung negativ beeinflusst führt wird, müssen störende Stoffe, wie z. B. langfaserige, wird. fädige oder stark abrasive, scharfkantige Stoffe, die je nach Aufbau die Module verstopfen oder die Membranen A.5.9.3 mechanisch zerstören können, entfernt werden. Misch- und Ausgleichsbecken Darüber hinaus ist zu beachten, dass auch gelöste Abwas- Der hydraulische Ausgleich ist bei Membranbelebungsan- serinhaltsstoffe Membranen schädigen können. Gegebe- lagen von großer Bedeutung. Die Membranfläche muss nenfalls sind membrantypische Spezifikationen (Grenz- äquivalent zur Nachklärung auf die maximale Wasser- werte) zu beachten. Dies betrifft einerseits die im Abwas- menge bemessen werden. Da die Bereitstellung großer ser enthaltenen (nicht abbaubaren) organischen Lösemit- Membranflächen kostenintensiv ist und eine Durchsatz- tel, aber auch Stoffe, die bei der Abwasserbehandlung erhöhung bei starkem Abwasseranfall nur sehr begrenzt zugesetzt werden, wie z. B. Entschäumer (muss silikonfrei möglich wäre, ist der Abwasserzufluss zweckmäßigerweise sein!) und organische Polymere. Im spezifischen Anwen- zu vergleichmäßigen. Hierzu eignen sich Mengenaus- dungsfall sollten die Erfahrungen der Hersteller und Lie- gleichsbecken, unabhängig von Erwägungen zum Kon- feranten genutzt werden. zentrationsausgleich. A.5.9.2 Wenn der Abwasseranfall nur geringen Schwankungen Mechanische Vorbehandlung unterliegt, kann das notwendige Speichervolumen im Becken selbst bereit gestellt werden, da das Belebungs- Siebe becken in begrenztem Umfang aufgestaut werden kann. Bei allen Membranbelebungsanlagen sind verzopfende, A.5.9.4 scharfkantige und verklumpende Stoffe sicher zurückzu- Calcium-Gehalt halten. Die verschiedenen Industriezweige zeigen in ihrer Abwasserzusammensetzung große Unterschiede in diesem Höhere Ca 2+ -Konzentrationen (> 200 mg/l) im Bereich der Bereich. Fasermengen, wie sie im kommunalen Abwasser Membranen, sei es aus dem Einsatz in der Produktion, enthalten sind, kommen nur in wenigen Branchen vor. vorgeschalteten Fällungsverfahren oder aus der Neutrali- Siebanlagen mit 0,5 – 2 mm Lochweite bzw. Spaltsiebe sation von sauren Abwässern mit Kalkmilch, können pro- mit 0,5 – 1,0 mm Spaltweite sind im Allgemeinen ausrei- blematisch sein. Durch den hohen Lufteintrag, der bei 307 A A Anhang getauchten Membranen für ausreichend turbulente Strö- Membranbelebungsanlagen unterscheiden sich jedoch mung an den Membranen sorgt, wird ein großer Teil des von konventionellen Anlagen insbesondere durch den im Belebungsbecken gebildeten CO2 ausgetrieben. Die hohen TS-Gehalt im Belebungsbecken (üblicherweise damit verbundene pH-Wert-Erhöhung (Stichwort: Kalk- 10 bis 20 g/l, konventionell 3 bis 5 g/l) und die dadurch Kohlensäure-Gleichgewicht, Löslichkeitsprodukt) kann bedingten veränderten Schlammeigenschaften. Während ebenso wie eine mögliche Freisetzung von CO2 bei Passage Belebungsbecken nach der abzubauenden Fracht bemessen durch die Membran – bei großem Druckgefälle über die werden, bestimmt sich die Membranfläche entsprechend Membran – zum Ausfallen von CaCO3 (= Scaling) auf der dem Nachklärbecken nach dem hydraulischen Durchsatz. Membran und damit zum Rückgang der Filtrationsleis- Wegen der höheren Kostenrelevanz der Filtrationseinheit tung führen. Als Folge können vermehrt Reinigungen der ist auf die hydraulische Dimensionierung besondere Sorg- Membranen mit Säure erforderlich sein. falt zu legen (vgl. Kapitel A.5.12). A.5.9.5 Vergleiche von Betriebsergebnissen von Membranbele- Eisen- und Aluminiumgehalt bungsanlagen mit theoretischen Modellen haben ergeben, dass der Schlammertrag relativ gut abgebildet werden Industrielle Teilströme verschiedener Branchen können kann, besonders mit detaillierteren Modellen, wie dem Eisen- und Aluminiumsalze enthalten. Häufig werden sie Activated Sludge Model der International Water Associa- als Fällmittel zur Unterstützung einer Vorklärung einge- tion, aber auch mit einfacheren Ansätzen, sofern die spe- setzt, teilweise sind sie schon im Teilstrom selbst enthalten. zifischen Randbedingungen des jeweiligen industriellen Oxidierte Formen und partikuläre Verbindungen sind Abwassers ausreichend berücksichtigt werden; bei hohen ohne Einfluss auf die Membran und die Filtrationseigen- Schlammaltern empfiehlt es sich gegebenenfalls die schaften. Gelöste Verbindungen, die unter den aeroben Berechnung auf Erhaltungsstoffwechselbasis durchzufüh- Bedingungen in einer Belebung oxidiert werden, können ren [WICHERN UND ROSENWINKEL 2002]. eine Belagbildung bewirken. Die Oxidation erfolgt zum Teil direkt auf der Membran, so dass die dann ungelöste Die Referenzlage zeigt insgesamt, dass die aktuelle inge- Ausfällung an der Oberfläche haftet. Die resultierende nieurmäßige Bemessung auf der Grundlage halbtechni- sichtbare Färbung kann bei Bedarf durch eine gezielte scher Vorversuche die Basis für viele gut funktionierende Säuerung entfernt werden. Anlagen ist. A.5.10 A.5.10.2 Bemessungshinweise für Membranbelebungs- Flächenbedarf anlagen Bei der industriellen Abwasserreinigung ist der FlächenA.5.10.1 bedarf der Anlage häufig ein entscheidendes Kriterium. Allgemeines Bei Neuansiedlungen kann dies meist noch berücksichtigt werden, bei über Jahrzehnten gewachsenen Industriebe- Der biologische Abbau organischer Stoffe in Membranbe- trieben ist eine Abwasserbehandlung auf dem Betriebs- lebungsanlagen unterscheidet sich nicht grundsätzlich gelände oft nur schwer oder gar nicht möglich. von dem in konventionellen Anlagen, d. h. diese werden unter Energiegewinn zu CO2 oxidiert und zum Zellaufbau Durch die Reduktion der erforderlichen Belebungsbe- genutzt. Die gebildete Biomasse fällt – gemeinsam mit ckengröße auf ca. die Hälfte bis ein Viertel gegenüber den eingetragenen nicht abbaubaren und unlöslichen einer konventionellen Belebungsanlage und den Wegfall partikulären Substanzen – als Überschussschlamm an der Nachklärung wird der Flächenbedarf der Kläranlage (Kapitel A.5.11.1.3.). stark reduziert. Dies ist häufig für Industriebetriebe ein entscheidender Vorteil, bzw. ermöglicht erst eine Abwasseraufbereitung vor Ort. 308 Anhang A.5.10.3 Im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen wir- Eliminationsraten ken sich Frachtstöße aufgrund der geringeren Verdünnung, bedingt durch das geringere Belebungsbeckenvolu- Bei einer Betriebsweise mit geringem Überschussschlamm- men bei gleicher Schlammbelastung, stärker auf die Ab- anfall sind der stark erhöhte Sauerstoffverbrauch, die laufkonzentration aus. Generell gilt, dass bei sehr geringer Ablaufqualität und die potenziell mögliche Akkumulation Schlammbelastung [BTS < 0,03 kg BSB5/(kg TS d)] auf- von Schad- und Hemmstoffen am belebten Schlamm zu grund der geringeren Aktivität der Biomasse Frachtstöße beachten. schlechter abgebaut werden können. Der spezifische Sauerstoffverbrauch steigt mit sinkender Ein gehemmter Abbau durch die Akkumulation von Schlammbelastung, d. h. mit abnehmendem spezifi- Schwermetallen im belebtem Schlamm ist aus einzelnen schem Überschussschlammanfall, da die organische Subs- Industriebranchen bekannt. Bei erhöhten Schwermetall- tanz dann weitgehend zu CO2 oxidiert werden muss konzentrationen im Abwasser ist bei Membranbelebungs- [CORNEL 2000]. anlagen in besonderem Maße auf die Kontrolle des Schlammalters zu achten. Im Einzelfall ist – im Vergleich zu einer konventionellen Belebung – zwischen den folgenden zwei Grenzfällen zu Die Phosphorelimination in Membranbelebungsanlagen entscheiden, die eine Membranbelebungsanlage durch ist in einfacher Weise durch eine Simultanfällung mit die erhöhten TS-Gehalte potenziell bietet: Eisensalzen möglich. Da die Ultrafiltration auch sehr kleine Flocken schon sicher zurückhält, sind insgesamt bessere • Kleinere Belebungsvolumina bei gleicher Schlammbelastung und gleichem Überschussschlammanfall oder Ablaufwerte zu erreichen. Das Mol-Verhältnis kann dabei sogar etwas günstiger eingestellt werden. Durch die Anpassung der Reinigungsstrategien und der Reinigungs- • gleiche Belebungsbeckenvolumen und geringere mittel kann der Anlagerung von Fällmittelresten an der Schlammbelastung bei geringerem Schlammanfall aber Membranoberfläche sicher entgegengewirkt werden. Die den damit verbundenen deutlich höheren Energiekosten. Membranfiltration selbst wird in in der Regel nicht durch eine regelmäßige Fällmitteldosierung beeinflusst. Bei ent- Eine Realisierung sämtlicher „positiven“ Eigenschaften – sprechender Auslegung der Anlage ist die biologische wenig Energie, wenig Überschussschlamm und kleine Phosphorelimination auch bei Einstellung des Schlamm- Belebungsbecken – ist in einer Anlage nicht möglich, da alters im Stabilisierungsbereich möglich. sie sich zum Teil gegenseitig ausschließen. Eine Membranfiltration erzeugt feststofffreies Abwasser, Wie sich eine Betriebsweise mit geringem Überschuss- welches weitestgehend entkeimt ist. Vergleichbare Ab- schlammanfall, d. h. bei niedriger Schlammbelastung, auf laufwerte sind mit herkömmlichen mechanisch-biologi- die Ablaufqualität („refraktäre Stoffe“) auswirkt, ist im schen Verfahren nicht zu erreichen, selbst wenn eine Einzelfall zu klären und hängt von den Inhaltsstoffen konventionelle Filtration, beispielsweise ein Sandfilter, und den Betriebsbedingungen (Schlammalter) ab. Ultra- nachgeschaltet wird. und Mikrofiltrationsmembranen selbst halten praktisch keine niedermolekularen Substanzen zurück, jedoch ist A.5.10.4 ein verstärkter Abbau von sehr langsam abbaubaren Stof- Belüftung fen bei hohen Schlammaltern möglich, gegebenenfalls auch ein Rückhalt von Makromolekülen durch die Deck- Der Stoffübergang des Sauerstoffs aus der Gasblase in die schicht. An Partikeln gebundene Inhaltsstoffe, z. B. adsor- wässrige Phase wird u. a. durch die Parameter Salzkonzen- bierte AOX–Verbindungen, werden von der Membranan- tration, Viskosität des Mediums, grenzflächenaktive Stoffe, lage zurückgehalten. Oberflächenspannung, Feststoffgehalt, Belüftungssystem, Turbulenz und Druck (Wassertiefe) beeinflusst. Ein gene- 309 A A Anhang reller Richtwert von Sauerstoffeinträgen und -Werten dauerhafter Erhöhung der Abwassermenge ermöglicht der kann für industrielle (Membran-)Belebungsanlagen nicht modulare Aufbau eine einfache Nachrüstung und Anpas- angegeben werden. In Industriekläranlagen mit konven- sung an die Erfordernisse. Auf eine möglichst gleiche Be- tioneller Verfahrenstechnik können sich aufgrund ver- aufschlagung der einzelnen Module sollte sowohl plane- schiedener Abwasserinhaltsstoffe und vor allem durch risch als auch betrieblich Wert gelegt werden. hohe Salzkonzentrationen (> 5 g/l) auch -Werte > 1 einstellen. Diese wirken über ihre koaleszenzmindernde Wir- A.5.10.5.2 kung positiv auf den Sauerstoffübergang. Da der Sauer- Rezirkulation stoffeintrag jedoch von der dynamischen Viskosität und diese wiederum auch stark von der Schlammkonzentration Der belebte Schlamm dickt an der Membran durch den abhängt, ist bei höheren TS-Gehalten mit niedrigeren - Abzug von Filtrat ein. Werden getauchte Membranen Werten als in konventionellen Belebungen, bei erhöhten direkt in die Belebung eingehängt, so ist die gezielte Strö- Salzgehalten jedoch mit relativ höheren -Werten als im mungsführung durch ein Mischaggregat als Ausgleichs- kommunalen Bereich zu rechnen. maßnahme ausreichend. Der Eintrag von Luft bzw. Reinsauerstoff ist auch mit In- Sind die Membranen in separaten Tanks eingebaut oder jektorsystemen möglich. Im Fall von Abwässern, die zu trocken aufgestellt, so ist eine ausreichende Rezirkulation Ausfällungen neigen, sollte berücksichtigt werden, dass sicherzustellen. Die Rezirkulationsmenge ist im Allgemei- in intensiv belüfteten Zonen ein Anstieg des pH-Wertes nen im Bereich des mindestens Vier- bis Fünffachen der eintreten wird. Bedingt ist dies durch die Strippung des aktuell abgezogenen Filtratmenge zu wählen. CO2, welches sich umgekehrt bei der Belüftung mit Reinsauerstoff und folglich geringem CO2-Austrag, anreichern In Filtrationstanks mit getauchten Modulen sollte der kann. Ablauf dem Zulauf gegenüberliegen, um Kurzschlussströmungen zu vermeiden. Bei der Übertragbarkeit der Ergebnisse von Sauerstoffeintragsmessungen im halbtechnischen- oder Labormaßstab Der Rezirkulationsstrom ist im Falle der getauchten Mem- auf großtechnische Anlagen ist zu beachten, dass die fluid- branen mit Sauerstoff angereichert. Diese Tatsache ist zu dynamischen Kenngrößen nur bedingt abgebildet und berücksichtigen, falls dieser Strom direkt in die Denitrifi- übertragen werden können. Sauerstoffeintragsmessungen kation zurückgeführt werden soll. sollten an Versuchsanlagen mit dem zu behandelnden Abwasser und den angestrebten Schlammkonzentrationen A.5.10.6 durchgeführt werden, möglichst bei gleicher Einblastiefe. Temperatureinfluss Bei der Behandlung von Abwasser tritt als Folge des bio- A.5.10.5 logischen Abbaus je abgebautem g/l CSB ein Temperatur- Hydraulik anstieg von ca. 2 – 3 °C auf. Dieser Temperaturanstieg muss bei der Behandlung hochbelasteter industrieller A.5.10.5.1 Abwässer gegebenenfalls berücksichtigt werden, bei nie- Flexibilität drigen Temperaturen ist dies jedoch unproblematisch. Für trocken aufgestellte Systeme ist zu prüfen, ob auch Der modulare Aufbau von Membrananlagen erlaubt die durch den Energieeintrag der elektrischen Aggregate, Anpassung an Durchsatzschwankungen durch An- und z. B. der Pumpen zur Erzeugung des Crossflow, mit einem Abschalten einzelner Module. Insbesondere bei niedri- Temperaturanstieg in der Belebung zu rechnen ist. gem Durchsatz ist die Abschaltung einzelner Module in der Regel energieeffizienter als die Durchsetzung des Flusses bei Nutzung der kompletten Membranfläche. Bei 310 Anhang Bezüglich der Flusseigenschaften erweisen sich erhöhte gesamt sowie dem organischen Anteil im TS-Gehalt und Temperaturen beim Einsatz von Membranen durchaus als der physiologischen Beschaffenheit der Biologie [z. B. vorteilhaft. Bei Belebungsanlagen ist die Temperatur auf Ausbildung von extrazellulären polymeren Substanzen 37 – 39°C zu begrenzen. (EPS) unter bestimmten Betriebsbedingungen], z. B. Flockenstress durch Umpumpen. Eine einfache Korrelation A.5.11 zwischen Viskosität und TS-Gehalt von belebten Schläm- Besonderheiten von Membranbelebungsanlagen men aus unterschiedlichen Anlagen ist deshalb nicht möglich. A.5.11.1 Schlammeigenschaften Soll als Hilfsparameter zur Beschreibung des Stoffübergangs (d. h. des Sauerstoffeintrags) der Zusammenhang zwischen A.5.11.1.1 der Viskosität und dem TS-Gehalt der Biologie ermittelt Schlammcharakterisierung werden, so muss das für jede Anlage/jedes Abwasser gegebenenfalls auch jeden Belastungszustand individuell Die Schlammeigenschaften unterscheiden sich aufgrund erfolgen. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass es auf- des erhöhten Feststoffgehalts deutlich von belebten grund des mehr oder weniger stark ausgeprägten struktur- Schlämmen aus konventionellen Anlagen. Insbesondere viskosen Fließverhaltens des belebten Schlamms keine die in Crossflow-Anlagen auftretenden hohen Scherbe- einheitliche Viskosität im gesamten Klärbecken gibt, son- anspruchungen tragen mit dazu bei, dass sich im mikros- dern diese sich abhängig von der lokalen Scherbeanspru- kopischen Bild vermehrt Einzelbakterien finden lassen. chung einstellt. Somit ist jede Aussage über „die“ Visko- Der Schlamm kann je nach Biozönose in Abhängigkeit sität eines belebten Schlamms nur sinnvoll, wenn gleich- von der Abwasserqualität zäh, dickflüssig und auch gelartig zeitig die zugehörige Scherbeanspruchung (Schergefälle sein. Bei entsprechend hohen Feststoffgehalten kann es D in s-1) mit angegeben wird. zum Einschluss von Sauerstoffbläschen kommen. Die Viskosität ist in der Regel gegenüber konventionellem Die Konsistenz, Anzahl freier Bakterien, Flockenstruktur, belebten Schlamm deutlich erhöht. Die Feststoffgehalte inerte Anteile etc. haben naturgemäß großen Einfluss auf betragen die Filtrierbarkeit des belebten Schlamms. Obschon innerhalb einer Anlage die Filtrierbarkeit ggf. mit dem TS- • bei getauchten Modulen: 10 – 15 g TS/l und Gehalt korreliert, ist dieser Parameter zur Bemessung der • bei trocken aufgestellten Modulen: bis zu 30 g TS/l. erforderlichen Membranfläche zu ungenau. Hier sind Versuche durchzuführen. Der Trockensubstanzgehalt ist nicht direkt korrelierbar mit der Viskosität und der Filtrierbarkeit. Innerhalb einer Die betriebsmäßige Erfassung der rheologischen Eigen- Anlage kann dieser jedoch als Indikator verwendet wer- schaften, z. B. durch kontinuierliche Messung der Viskosi- den. tät bei einem bestimmten Schergefälle bzw. die Messung von Fließkurven, kann für Membranbelebungsanlagen A.5.11.1.2 – in Verbindung mit der TS-Bestimmung sowie der regel- Rheologische Eigenschaften mäßigen optischen Beurteilung der Biozönose im mikroskopischen Bild – eine sinnvolle Ergänzung der Prozess- Belebte Schlämme zeigen ein mehr oder weniger stark parameter zur Steuerung der Belebungsanlage darstellen ausgeprägtes strukturviskoses Fließverhalten, d. h. mit (vgl. hierzu GÜNDER 1999; KRAUSE ET AL. 2001). steigender Scherbeanspruchung nimmt die Viskosität ab. Die Viskosität des sich in der Membranbelebung entwickelnden belebten Schlamms ist von vielen Faktoren abhängig, z. B. von Größe und Struktur der Schlammflocken, der Zusammensetzung des Abwassers, dem TS-Gehalt ins- 311 A A Anhang A.5.11.1.3 A.5.11.1.4 Überschussschlammproduktion Schlammbehandlung Die Schlammproduktion ergibt sich aus dem Wachstum Grundsätzlich können sämtliche auf dem Markt einge- der heterotrophen und autotrophen Biomasse sowie dem setzten Systeme zur Entwässerung verwendet werden. Auf biologisch inerten Anteil der zufließenden Feststoffe und eine optimale Einmischung der Polymere ist aufgrund dem durch Absterben der Biomasse gebildeten inerten der bei höheren TS-Gehalten höheren Viskosität des Material. Während der organische Anteil bei unendlich Überschussschlammes zu achten. hohem Schlammalter zumindest theoretisch nahezu vollständig biologisch abgebaut werden kann, verbleibt der Je nach Abwassersituation kann es sinnvoll sein, den bio- unlösliche partikuläre mineralische Anteil in der Bele- logischen Überschussschlamm nicht separat zu behan- bung und muss als Überschussschlamm abgezogen wer- deln, sondern in Mischung mit gegebenenfalls anfallen- den. Da die Wachstumsraten bei üblichen Systemeinstel- dem Primärschlamm aus einer Vorklärstufe zu entwäs- lungen stets größer sind als die Sterberaten, entsteht sern. Damit kann unter Umständen der Verbrauch an auch ein organischer Anteil am Überschussschlamm. Konditionierungsmitteln reduziert werden. Es wurde festgestellt, dass sich die Beimischung von z. B. verbrauchter Es gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei allen und daher ohnehin zu entsorgender Aktivkohle positiv Belebungsverfahren, d. h. der Schlammertrag sinkt bei auf das Entwässerungsverhalten auswirken kann. Dies dürfte auch für andere strukturbildende Zusatzstoffe gelten. • sinkender Schlammbelastung, d. h. steigendem Schlammalter, In jedem Einzelfall sollte darauf geachtet werden, dass • sinkendem Feststoffeintrag und membranverträgliche Polymere zur Schlammentwässe- • steigender Temperatur. rung eingesetzt werden. Diese sollten durch Labor- oder Technikumversuche geprüft werden. Industrielle Abwässer zeichnen sich häufig durch hohe Temperaturen und geringe Feststoffgehalte aus. Dies A.5.11.1.5 begründet, warum bei industriellen Abwässern der Über- Schaumbildung schussschlammanfall, bezogen auf die behandelte Fracht, häufig niedriger ist als im kommunalen Bereich. Diese Die bei trocken aufgestellten Membranen erforderlichen Tendenz wird durch den Einsatz einer niedrig belasteten Druckunterschiede sowie Anströmbedingungen können Membranbelebung noch verstärkt. zu einem erheblichen Stress der Biozönose und damit zu erhöhter EPS-Bildung führen, was wiederum insbesonde- Der abgezogene Überschussschlamm stellt beim Bele- re im Zusammenhang mit der intensiven Belüftung zur bungsverfahren die Senke für viele nicht abbaubare, aber erheblichen Schaumbildung führen kann. sorbierbare Substanzen dar. Entfällt diese Ausschleusung, so finden sich die Stoffe entweder im Filtrat wieder oder Konstruktive Möglichkeiten sind z. B. flache Behälter mit sie akkumulieren – sofern sie nicht membrangängig sind großer Oberfläche (vorteilhaft gegenüber schlanken – im System. Da etliche nicht abbaubare Stoffe oberhalb Behältern) oder mechanische oder physikalische Schaum- bestimmter Schwellenkonzentrationen biologisch hem- zerstörung. Bei Verwendung von Entschäumern ist auf mend oder bakterientoxisch wirken, sollte auch aus die- deren Membranverträglichkeit zu achten. sem Grund in jedem Einzelfall ein regelmäßiger Überschussschlammabzug erwogen werden. 312 Anhang A.5.12 Die gewählte Membranfläche, die Anzahl der Module Wirtschaftlichkeit (und der Reserven), das resultierend benötigte Volumen an Reaktoren bestimmt die Höhe der Investition, die A.5.12.1 Betriebsweise die Höhe der Energie-, Personal- und Reini- Definition der Wirtschaftlichkeit gungskosten. Aspekte, die sich auf die Kosten auswirken, sind: Obwohl der Begriff Wirtschaftlichkeit ständig in Technik und Wirtschaft verwendet wird, gibt es keine generelle A.5.12.2 Definition als Maßstab für die Angabe einer Wirtschaft- Investition/Kapitalkosten lichkeit. Man muss für jeden Einzelfall Wirtschaftlichkeit definieren. Da Membranbelebungsverfahren mit großer Wesentlich auf die Höhe der Kapitalkosten bei Membran- Wahrscheinlichkeit bei entsprechenden Anforderungen belebungsverfahren wirken sich die angesetzten Nutzungs- an die Ablaufqualität des gereinigten Abwassers zum Ein- und Abschreibungsdauern der einzelnen Komponenten satz gelangen werden, kann man eine Vergleichsgröße zu aus. Hier muss der Planer nach Angaben der Membran- anderen Abwasserreinigungsverfahren definieren: „Das hersteller Vorschläge erarbeiten und der Auftraggeber die Membranbelebungsverfahren ist wirtschaftlicher als ein Festlegungen treffen. konventionelles Verfahren, wenn der Barwert (oder Kapitalwert) der abgezinsten Ausgaben nach X Jahren gleich Größten Einfluss auf die Kapitalkosten haben die erfor- oder größer ist als der Barwert für die alternativen Verfah- derlichen Beckenvolumina und die notwendigen Mem- ren bei vergleichbaren Reinigungsergebnissen“. Die Be- brantrennflächen, wobei die benötigte (und in Reserve rechnung des Barwertes wird von der ATV–DVWK emp- gehaltene) Membranfläche durch die Wahl des Verfah- fohlen, die Berechnung des Kapitalwertes wird in der rens bestimmt wird (Wahl kleinerer Trennflächen führt industriellen Praxis häufiger angewendet – sie unterschei- im Allgemeinen zu größeren Energie- und Reinigungskos- den sich jedoch nur dadurch, dass man im einen Fall auf ten; siehe dazu auch Abbildung A-13). Bei getauchten den Anfangszeitpunkt und im anderen auf den Wert am Modulen sind größere Membranflächen vorzuhalten als Ende des Betrachtungszeitraumes abstellt. bei trocken aufgestellten, da der Fluss [l/(m2 h)] geringer ist. Die Berechnung des Barwertes setzt voraus, dass die Aufwendungen für die Finanzierung der Investition (Zins Während bei Belebungs- und Nachklärbecken die spezifi- und Tilgung) sowie die Betriebskosten eines Jahres und schen Kosten mit steigender Anlagengröße nur degressiv für die kommenden Jahre bekannt sind. Die Art der ansteigen, steigen die Kosten für die Filtrationseinheit der Finanzierung der Anschaffung und die angesetzte Lebens- Membranverfahren hingegen nahezu linear (Kosten pro dauer (von Anlagen, Maschinen und Ersatzteilen) wirken Modul). sich auf den Anteil der fixen Kosten aus. Die Betriebskosten setzen sich im Wesentlichen aus den Energie- und Häufig ist der Flächenbedarf ein entscheidendes Krite- Reinigungskosten, den Ersatzkosten für die Membranen rium für die Überprüfung des Einsatzes einer Membran- sowie für Personal, Hilfsstoffe usw. zusammen. Eventuell belebungsanlage. Durch die Reduktion der erforderlichen können die vermiedenen Kosten (beispielsweise für ein- Belebungsbeckengröße auf ca. die Hälfte bis ein Viertel gesparte Flächen, weitergehende Reinigungsschritte, gegenüber einer konventionellen Belebungsanlage und erhöhte Ablaufqualität etc.) in die Betrachtung einbezogen den Wegfall der Nachklärung können der Flächenbedarf werden. und damit die Kapitalkosten stark reduziert werden. Gegenüber der Flächeneinsparung bei der Belebung darf Das verfahrenstechnische Konzept bestimmt sowohl die allerdings nicht außer Acht gelassen werden, dass fall- Höhe der fixen Kosten, da die Art und Größe der Anlage weise Fläche für Misch- und Ausgleichsbecken und gege- das Investitionsvolumen und damit die Höhe der jähr- benenfalls für Reinigungsbecken benötigt wird. lichen Belastungen festlegt, als auch die variablen Kosten. 313 A A Anhang A.5.12.3 Membranersatz- und Membranentsorgungskosten Betriebskosten Die Lebensdauer der Membranen hängt von verschiedeEnergiekosten nen Faktoren ab, wie z. B.: Die Erzeugung einer Überströmung über die Membran • Art des Abwassers trägt wesentlich zum spezifischen Energiebedarf der • Art und Häufigkeit der Reinigung Membranfiltrationsanlagen bei. Ziel zahlreicher Verfahrensentwicklungen ist die Minimierung der Energie durch Generelle Standzeiten und pauschalisierte Entsorgungs- Reduzierung der Energiemenge für die Deckschichtkon- kosten können nicht angegeben werden. Membranersatz- trolle (Überströmung der Membran) bei gleichzeitiger Auf- und Membranentsorgungskosten sind jedoch zu berück- rechterhaltung hoher Flussleistungen zur Minimierung sichtigen. der notwendigen Membranfläche (Beispiele: drehende Module, pendelnde Module usw.). A.5.12.4 Kostenrelevante Faktoren im Vergleich Die Erzeugung einer Crossflow-Strömung bei getauchten Systemen benötigt im Vergleich zu trocken aufgestellten Folgende Faktoren verbessern die Wirtschaftlichkeit 3 Membranmodulen weniger Energie; ca. 0,5 bis 1,5 kWh/m gegenüber konventionellen Anlagen: werden für die Deckschichtkontrolle bei getauchten und 1 bis 4 kWh/m3 für die trocken aufgestellten Anlagen • hohe Zulaufkonzentrationen genannt. • geringe Konzentration an Scaling und/oder Fouling Reinigungskosten • hohe Grundstückskosten verursachenden Inhaltsstoffen • gleichmäßige hydraulische Belastung Die Art der Reinigung und die Reinigungsintervalle hän- • hohe Ansprüche an die Ablaufqualität gen stark von der Abwasserqualität, aber auch von der • Wiedereinsatz des gereinigten Abwassers Art der Membran und der Module ab. Insofern können auch keine verallgemeinerbaren spezifischen Kosten Membranbelebungsverfahren können im Vergleich zu angegeben werden. Außer den benötigten Chemikalien herkömmlichen Belebungsverfahren wirtschaftlicher sein, inklusive deren Lagerung, sind insbesondere auch die wenn die Zulaufkonzentration hoch und der Volumen- Personalkosten, gegebenenfalls die Energiekosten zur Auf- strom klein und insbesondere sehr gleichmäßig ist. heizung der Reinigungslösungen und gegebenenfalls auch die Entsorgungskosten zu berücksichtigen. Je nach Ein Membranbelebungsverfahren wird sicherlich immer Art der Reinigung, können auch zusätzliche Investitionen dann in Betracht gezogen werden, wenn die Ansprüche für separate Reinigungsbecken inklusive der notwendigen an die Ablaufqualität hoch sind oder ein Wiedereinsatz Hebe- und Transporteinrichtungen oder spezielle chemi- des Wassers vorgesehen ist, beispielsweise als Betriebswas- kalienbeständige Beschichtungen der Filtrationsbecken ser. anfallen. Wenn das Filtrat wieder eingesetzt werden kann, sind in die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vermiedene Abwasserabgabe – für Indirekteinleiter vermiedene Abwassergebühren – nach Abwassersatzung und vermiedene Frischwasserkosten einzubeziehen. 314 Anhang Tab. A-5 Membrananlagen in der westeuropäischen Industrie Branche/Anwendung Anzahl trocken Durchsatz m3/d Anzahl gesamt Anzahl getaucht Abfallbehandlung ≥1 ≥1 – Automobil ≥1 ≥1 – Chemie ≥ 15 ≥7 ≥8 Deponie Hausmüll ≥ 48 ≥9 ≥ 39 Druckerei ≥1 – ≥1 Grundwassersanierung ≥1 – ≥1 Kosmetik ≥3 ≥3 - Laborwasser ≥1 – ≥1 10 Lebensmittel ≥9 ≥4 ≥5 100 – 480 Lederherstellung/Gerberei ≥5 ≥3 ≥2 30 – 820 Mälzerei ≥1 ≥1 ≥1 100 Pharma ≥ 15 ≥ 14 ≥1 50 – 1.500 Schiffsabwässer ≥ 15 ≥5 ≥ 10 Tankreinigung ≥1 ≥1 – Textil ≥5 ≥3 ≥2 100 – 1.500 Tierkörperverwertung ≥4 ≥3 ≥1 427 – 960 Wäscherei ≥5 ≥1 ≥4 30 – 820 140 230 50 – 1.400 10 – 900 25 20 120 – 700 4 – 740 200 A.5.13 Beispiele im Bereich Industrieabwasser (Europa) Ohne Anspruch auf Vollständigkeit sind in der Tabelle A-5 beispielhafte Anwendungen aus dem westeuropäischen Raum aufgelistet. Die Beispiele entstammen den Referenzlisten der Hersteller und Anlagenbauer, ergänzt durch Kenntnisse der Arbeitsgruppenmitglieder. In zahlreichen weiteren Branchen wurden und werden Versuchsanlagen betrieben. Ein Literaturverzeichnis des Anhangs A.5 finden Sie auf den Seiten 316 – 317. 315 A A Anhang A.5.14 Literaturverzeichnis Baumgarten, G. (1998): Behandlung von Deponiesicker- Henze et al. (1987): Activated Sludge Model No. 1, wasser mit Membranverfahren – Umkehrosmose, Nano- Scientific and technical report No. 1, IAWPRC (jetzt IWA), filtration – Veröffentlichungen des Institutes für Sied- London. lungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, Heft 99. Irmler, H. W. (2001): Dynamische Filtration mit keramischen Membranen, Vulkan-Verlag Essen. Brockmann, M. (1998): Beitrag zur membranunterstützten biologischen Abwasserreinigung. Veröffentlichungen des Kiefer, M. (1995): Prozessnahe Aufbereitung von Abwasser Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, aus der Chemie und Halbleiterindustrie und Rückgewin- Universität Hannover, Heft 98. nung von Einsatzchemikalien mit Ionenaustausch und Membrantechnik. Handbuch Fachveranstaltung „Aufbe- Cornel, P. (2000): Membranbelebung: biologische Ab- reitung und Entsorgung von Industrieabwässern und Pro- wasserreinigung ohne Anfall von Überschussschlamm? zesswässern mit Kombinationsverfahren“, VDI Bildungs- 61. Darmstädter Seminar Abwassertechnik, Schriftenreihe werk, 25./26.10.1995, Düsseldorf. WAR, Bd. 128. Kraft, A. (2000): Abwasserbehandlungskonzepte in der Diverse Autoren (1997, 1998, 2000, 2001): Membran- chemischen und pharmazeutischen Industrie unter Einbe- technik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehand- ziehung der Membranbioreaktoren – Technik – Beispiele, lung, Begleitbücher zur 1. bis 4. Aachener Tagung Sied- 6. VDMA-Abwassertagung in der chemischen und phar- lungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, IVT der mazeutischen Industrie. RWTH Aachen. Krause, S.; Cornel, P.; Wagner, M. (2001): Grundsätzliche Diverse Autoren: Preprints zum 1. bis 8. Aachener Mem- Überlegungen zur Messung des Sauerstoffeintrags in bran Kolloquium, GVT, VDI-GVC Düsseldorf und IVT, Membranbelebungsanlagen; 64. Darmstädter Seminar Aachen. Abwassertechnik, Schriftenreihe WAR, Bd. 134. Flemming, H.- C. (1995): Biofouling bei Membran- Lonsdale, H. K. (1972): Theory and practice of reverse prozessen, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg. osmosis and ultrafiltration; in: R. E. Lacey, S. Lacey (Hrsg.): Industrial processing with membranes, Wiley-Interscience, Gröschel, A. (1991): Umkehrosmose organisch/wässriger New York, S. 123-178. Systeme – Stofftransport in Membranen und Verfahrensentwicklung; Dissertation RWTH Aachen. Melin, T.; Dohmann, M. (2001): Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung – Pers- Günder, B. (1999): Das Membranbelebungsverfahren in pektiven, Neuentwicklungen und Betriebserfahrungen im der kommunalen Abwasserreinigung, Stuttgarter Berichte In- und Ausland, Begleitbuch zur 4. Aachener Tagung zur Siedlungswasserwirtschaft, Band 153. Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik. Peters, Th. (1998): Wasseraufbereitung mit Membranfiltrations-Verfahren. Umwelt Bd. 28, Nr. 4, S. 34 – 39. 316 Anhang Peters, Th. (2001): Möglichkeiten und Grenzen der Membranverfahren aufgezeigt an internationalen Beispielen. Handbuch Fachveranstaltung „Membranverfahren in der industriellen und kommunalen Abwassertechnik“, Haus der Technik, 22. – 23. November, Berlin. Rautenbach, R.; Melin, T.; Dohmann, M. (1997): Möglichkeiten und Perspektiven der Membrantechnik bei der kommunalen Abwasserbehandlung und Trinkwasseraufbereitung, Begleitbuch zur 1. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik. Rautenbach, R.; Melin, T.; Dohmann, M. (1998): Membrantechnik in der öffentlichen Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung – Bemessung, Umsetzung, Kosten, Begleitbuch zur 2. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik. Rautenbach, R.; Melin, T.; Dohmann, M. (2000): Membrantechnik in der Wasseraufbereitung und Abwasserbehandlung, Begleitbuch zur 3. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik. Rautenbach, R. (1997): Membranverfahren – Grundlagen der Modul- und Anlagenauslegung, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg. Wagner, J.; Rosenwinkel, K.-H. (1999): Sludge production in membrane bioreactors under different conditions, International Specialized Conference on Membrane Technology in Environment Management, Tokyo, 1. – 4. November 1999. Wichern, M.; Rosenwinkel, K.-H. (2002): Bemessung von Sauerstoffbedarf und Überschussschlammanfall für die Membranbelebung auf Basis des ATV-DVWK-A 131 (2000); KA (49) Nr. 5, Mai 2002. 317 A A Anhang A.6 A.6.1 2. Arbeitsbericht des DWA Fachausschusses KA-7 Einführung „Membranbelebungsverfahren“ vom 19.01.2005 Seit dem 1. Arbeitsbericht Membranbelebungsverfahren Der vorliegende zweite Arbeitsbericht wurde von dem [ATV-DVWK, 2000b] haben sich durch Betriebserfahrungen DWA-Fachausschuss KA-7 „Membranbelebungsverfahren“ mit großtechnischen Anlagen und Forschungsprojekte erarbeitet. Diesem Fachausschuss gehören folgende die Erkenntnisse vertieft. Der vorliegende 2. Arbeitsbe- Personen an: richt greift die Inhalte des ersten auf, ergänzt diese und beschreibt die Erkenntnisse aus dem Betrieb der groß- Dipl.-Ing. Eberhard Back, Ulm technischen Anlagen. Bemessungsparameter wie der Dipl.-Biol. Evelyn Brands, Düren Sauerstoffeintrag können nun mit Daten aus der Groß- Dr.-Ing. Elmar Dorgeloh, Aachen technik präzisiert werden. Behandelt werden die Themen: Dipl.-Ing. Kinga Drensla, Bergheim Prof. Dr.-Ing. Franz-Bernd Frechen, Kassel (Obmann) • Vorbehandlung des Rohabwassers Dr.-Ing. Werner Fuchs, Tulln • Chemische Reinigung Dipl.-Ing. Regina Gnirß, Berlin • Schlammbehandlung Dipl.-Ing. Karl-Heinz Greil, Kundl • Energieverbrauch Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Rosenwinkel, Hannover • Inbetriebnahme Dr.-Ing. Wernfried Schier, Kassel • Membranbelebungsverfahren zur Kläranlagen- Prof. Dr. rer. nat. Dirk Schoenen, Bonn Dipl.-Chem. Simone Stein, Leipzig Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen, Gießen ertüchtigung • Orientierende Kostenangaben für Membranbelebungsanlagen Dipl.-Ing. Helle van der Roest, Amersfort Dr.-Ing. Klaus Voßenkaul, Aachen Zu beachten ist, dass die Membrantechnologie sich der- Dipl.-Ing. Detlef Wedi, Braunschweig zeit insbesondere in dem hier betrachteten Bereich der Dipl.-Ing. Thomas Wozniak, Gummersbach kommunalen Anwendung mit einem erheblichen Tempo Dipl.-Ing. Petra Zastrow, Merseburg weiterentwickelt, was sich nicht zuletzt in einer hohen Frequenz an Sitzungen des Fachausschusses ablesen lässt. und Gäste. Daher wird auch der Inhalt dieses zweiten Arbeitsberichtes in einigen Punkten sicher recht bald durch neue Erkenntnisse ergänzt worden sein. Als nächstes Schriftstück des Fachausschusses wird nun ein Merkblatt erstellt, welches voraussichtlich in 2006 erscheinen wird. 318 Anhang A.6.2 Mikrofiltrationsmembranen mit einer Trenngrenze von Beschreibung des Membranbelebungsverfahrens maximal 0,4 µm eingesetzt. Hinsichtlich der Anordnung der Module lassen sich beim Prinzip Membranbelebungsverfahren zwei Varianten unterscheiDie Kombination aus einem Belebungsbecken und einer den. Membranfiltration zur Abtrennung des belebten Schlammes wird als Membranbelebungsverfahren bezeichnet. Die Membranfiltration übernimmt anstelle der konven- • Membranbelebungsverfahren mit trocken aufgestellter Membranfiltration tionellen Nachklärung die Abtrennung des belebten Schlammes. Während in den Nachklärbecken nur der Die Membranfiltration wird im Anschluss an das Bele- Anteil vom belebten Schlamm abgeschieden werden bungsbecken in einer externen geschlossenen Filtrations- kann, der auch sedimentiert, d. h. absetzbare Flocken bil- einheit durchgeführt. Die Module (z. B. Rohrmodule) sind det, werden bei der Membranfiltration alle Anteile des trocken aufgestellt (siehe Abbildung A-14). Der belebte belebten Schlammes abgeschieden, die größer als die Schlamm wird hindurchgepumpt, wodurch bei diesem Trenngrenze der Membran sind. Dadurch wird die Verfahren auch höhere Drücke (über 1 bar) möglich sind. Abtrennung des belebten Schlammes vom gereinigten Abwasser unabhängig von den Sedimentationseigen- Diese externe Membranfiltration ist bisher auf kommu- schaften des belebten Schlammes und ist nur von der nalen Anlagen noch nicht zu finden und ist daher auch eingesetzten Membran abhängig. noch nicht Gegenstand dieses Arbeitsberichtes. Informationen finden sich in Arbeitsbericht IG 5.5 Teil 2 [ATV- Um den belebten Schlamm mit seinen Mikroorganismen DVWK, 2002]. und Partikeln vom gereinigten Abwasser abzutrennen, werden beim Membranbelebungsverfahren üblicherweise Abb. A-14 Trocken aufgestellte Membranfiltration Belebungsbecken trocken aufgestellte Membranfiltration Zulauf Permeat Konzentrat (Rücklaufschlamm) Überschussschlamm 319 A A Anhang Abb. A-15 Einbaumöglichkeiten einer getauchten Membranfiltration A) getauchte Membranfiltration im Belebungsbecken B) getauchte Membranfiltration im separaten Filtrationsbecken Belebungsbecken Zulauf Belebungsbecken Permeat Konzentrat (Rücklaufschlamm) Überschussschlamm Zulauf Permeat Überschussschlamm Membranfiltration CrossflowBelüftung • Membranbelebungsverfahren mit getauchter Membranfiltration Filtrationsbecken Membranfiltration CrossflowBelüftung Bei der getauchten Anordnung wird die zur Deckschichtkontrolle erforderliche Überströmung üblicherweise durch grobblasige Belüftung erzeugt. Hierzu ist ein entsprech- Bei dieser Variante befinden sich die Membranmodule im endes Gebläse mit Luftzufuhreinrichtungen unter den Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch. Die Membranmodule getauchten Membranmodulen sowie eine geeignete Strö- können entweder im Belebungsbecken selbst oder in einem mungsführung zur Erzeugung der Überströmung erforder- separaten Filtrationsbecken untergebracht sein. Abbildung lich. Neben der Modulbelüftung ist üblicherweise auch A-15 zeigt beide Einbaumöglichkeiten. eine separate Belüftung im Belebungsbecken notwendig. Für die Funktion des Membranbelebungsverfahrens sind Die transmembrane Druckdifferenz kann durch eine Per- folgende Grundvoraussetzungen zu erfüllen: meatpumpe oder hydrostatisch erzeugt werden. Grundsätzlich ist ein möglichst niedriger Transmembrandruck • Sauerstoffversorgung des belebten Schlammes, • Umwälzung und Durchmischung des Belebungsbeckens, • transmembrane Druckdifferenz als Triebkraft für den Filtrationsvorgang, • Kontrolle der Deckschichtbildung. 320 im laufenden Betrieb günstig. Anhang Bauformen und Betriebsweisen Hohlfasermodule bestehen aus Membran-Hohlfasern, die mit einem innenliegenden Stützgewebe verstärkt sein Beim Membranbelebungsverfahren werden bisher in der können. Die Filtration erfolgt von außen nach innen. Für Großtechnik ein Modul wird eine größere Anzahl von Fasern zu einem Bündel zusammengefasst und an einem oder beiden • Plattenmembrane und Enden eingeharzt und an eine Permeatsammelleitung • Hohlfasermembrane angeschlossen. Die Hohlfasermembranen werden je nach Anbieter in horizontaler oder vertikaler Ausrichtung in verwendet. Membrane werden modular in verschiedenen das Modul eingebaut. Bauformen eingesetzt. Die Modulbelüftung ist zumeist in das Modul integriert. Plattenmodule werden aus parallel angeordneten Mem- Weitere Modulbauweisen befinden sich in einem unter- branplatten konfektioniert. Diese bestehen aus einer Stütz- schiedlichen Erprobungsstadium. platte mit Drainageeinrichtung, auf die die Flachmembran meist beidseitig aufgebracht ist. Die Flachmembranen werden von dem Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch überströmt und die Filtration erfolgt von außen nach innen. Der Permeatabzug aus dem Inneren der Platte erfolgt durch eine Absaugleitung. Abb. A-16 Beispielhafte schematische Darstellung verschiedener Module A) Plattenmodul B) Hohlfasermodul vertikal ausgerichtet Permeat Permeat horizontal ausgerichtet seitliche Einharzungen Permeat obere Einharzung (anbieterabhängig) flexible Hohlfasermembran Flachmembran auf Stützplatte Modulbelüftung untere Einharzung Modulbelüftung 321 A Anhang Abb. A-17 Übliche Betriebsweisen der Membranmodule Zyklus Membranmodule werden diskontinuierlich betrieben. In Rückspülung ux Bru tto fl flu N et to flu x to ut Br Zeit Filtration Permeatvolumen Pause x Filtration N et to flu x Zyklus Permeatvolumen A Zeit • Es werden so viele Module abgeschaltet, dass die noch Abhängigkeit von der Modulkonstruktion werden zur in Betrieb befindlichen Module mit dem für den Dauer- Minimierung der Deckschicht periodische Filtrationspau- betrieb zulässigen Fluss arbeiten. Es ist auf eine gleich- sen oder eine Rückspülung mit Permeat eingesetzt. Des- mäßige Betriebszeit der einzelnen Module zu achten. wegen müssen Brutto- und Nettopermeatfluss voneinan- Diese Betriebsweise stellt zudem sicher, dass für die ein- der unterschieden werden (siehe Abbildung A-17). zelnen Module ausreichende Erholungsphasen (Phasen ohne Betrieb) eingehalten werden. Diese Betriebsweise Zur weitgehenden Regeneration der Module und zur Entfernung von Membranfouling ist eine zusätzliche chemische Reinigung erforderlich (siehe Kapitel A.6.5). Zur Anpassung der Filtrationsleistung an die Zuflussganglinie kommen prinzipiell zwei Betriebsweisen in Frage: • Der Permeatfluss aller Module wird gleichermaßen verändert. 322 ist i. d. R. energetisch sinnvoller als die erstgenannte. Anhang Leistungsfähigkeit des Membranbelebungsverfahrens Voraussetzung für das hohe Rückhaltevermögen der Membranbelebungsanlagen gegenüber den Krankheitser- Die Vorteile des Membranbelebungsverfahrens resultieren regern ist, dass keine Kurzschlüsse zwischen gereinigtem aus den möglichen höheren Trockensubstanzgehalten im und nicht gereinigtem Abwasser bestehen und die Mem- Belebungsbecken und der vollständigen Abtrennung aller bran und Anschlüsse stets dicht sind. Diese Forderung Feststoffe durch die Membranen. Hierdurch ergibt sich scheint trivial, in der Praxis sind aber entsprechende eine verbesserte Elimination von Nährstoffen und Mikro- Kontrollen erforderlich. organismen. Stickstoff, Phosphor und Kohlenstoff sind daher im Ablauf von Membranbelebungsanlagen um den Die Elimination von Mikroschadstoffen, z. B. Arzneimit- Anteil reduziert, der bei konventionellen Anlagen aus tel-Reststoffe und endokrin wirksame Substanzen, setzt Feststoffen stammt. biologische Prozesse oder Adsorption an den Schlamm voraus, da die beim Membranbelebungsverfahren einge- Membranfilter halten Mikroorganismen in einem sehr setzten Membranen keinen Rückhalt von gelösten Sub- hohen Maße zurück. Im Permeat werden die hygienischen stanzen bieten. Anforderungen der EU-Badegewässerrichtlinie 76/160/EWG (Rat der EG 1976) hinsichtlich der mikrobiologischen A.6.3 Parameter gesamtcoliforme Bakterien, fäkalcoliforme Bakte- Hinweise zur Planung und Bemessung rien und Streptokokken eingehalten. Untersuchungen auf der KA Rödingen und der KA Markranstädt in den ersten Vorbehandlung des Rohabwassers Betriebsmonaten (im Jahr 2000) zeigten, dass die Konzentration aller in der EU-Badegewässerrichtlinie genannten Die ausreichende Vorbehandlung des Abwassers ist eine Mikroorganismen unabhängig von den Witterungsbedin- grundlegende Voraussetzung für den Betrieb von Mem- gungen (Trockenwetter, Starkregen, Dauerregen) bis auf branbelebungsanlagen. Insbesondere Haare und Fette Werte nahe der Nachweisgrenze vermindert werden können zu Verzopfungen an den Modulen führen und konnten. Dabei wurden ausnahmslos die Grenz- und erhebliche Betriebsprobleme verursachen. Ein Sand- und Leitwerte der EU-Badegewässerrichtlinie unterschritten. Fettfang ist prinzipiell notwendig. Untersuchungen auf der KA Rödingen nach einigen Betriebsjahren (in den Jahren 2002 und 2003) zeigen die Die Grobstoffentnahme kann ein- oder zweistufig ausge- Keimreduktion weiterhin auf einem zwar hohen Niveau, führt werden. Rechen mit bisher üblichen Stabweiten deuten jedoch an, dass mit zunehmender Betriebszeit sind als alleinige Grobstoffentnahme nicht ausreichend. möglicherweise mit einer Verringerung der Eliminations- Daher sind Rechen entweder mit Sieben oder mit einer rate zu rechnen ist. Dieser Aspekt muss weiterhin unter- Vorklärung zu kombinieren. sucht werden. Siebe sollten eine Durchgangsweite ≤ 3 mm aufweisen Auch Viren, die kleinsten Krankheitserreger, die theore- und sind vorzugsweise mit Strömungsumlenkung auszu- tisch durch die Membranporen hindurchtreten können, führen. Die Durchgangsweite von Sieben sollte unter werden im Membranbelebungsverfahren zurückgehalten. Berücksichtigung folgender Randbedingungen gewählt Die Viren lagern sich typischerweise an Partikel und werden: Mikroorganismen an, so dass sie durch die Elimination größerer Partikel auch aus dem Abwasser entfernt werden. • Art des Entwässerungssystems (Misch- oder Trennsy- In den vorstehend genannten Untersuchungen konnten stem, Regenbeckenentleerung und -reinigung, etc.), die Konzentrationen an Darmviren deutlich verringert werden. Eine sichere Einhaltung der Grenzwerte der EUBadegewässerrichtlinie kann jedoch nicht gewährleistet werden. • Empfindlichkeit der Membranmodulkonstruktion bezüglich faseriger Inhaltsstoffe, • sonstige Vorbehandlungseinrichtungen, insbesondere die Durchgangsweite des Rechens, sofern vorhanden. 323 A A Anhang Daher können auch Siebdurchgangsweiten ≤ 1 mm erfor- Permeabilitätsabnahme beschleunigen. Daher wird emp- derlich sein. fohlen, dass das Abwasser erst nach einer für den biologischen Abbau der Abwasserinhaltsstoffe ausreichenden Sollte eine Vorklärung anstelle eines Siebes genutzt werden, Zeit an die Membran geführt wird. Dies kann durch ent- so sind besondere Vorkehrungen nötig, um das Übertreten sprechende hydraulische Gestaltung der Beckenvolumina von Schwimmstoffen in die Belebungsstufe zu verhindern. (Kaskadierung, Pfropfenströmung) erfolgen. Kurzschluss- Erfahrungen zeigen, dass eine als sog. Grobentschlammung Strömungen des Abwassers hin zu den Membranmodulen ausgeführte Vorklärung nicht ausreicht, um Störstoffe sind auf jeden Fall zu vermeiden. effektiv zurückzuhalten. Die Separierung der Membranstufe in einem FiltrationsUm die Membran effektiv vor Grobstoffen zu schützen, becken ist in der Regel auch von Vorteil für die Handhab- wird nachdrücklich empfohlen, Rechen und Siebe redun- barkeit bei Reinigungs- und Wartungsarbeiten. dant auszuführen und keine der mechanischen Reinigungsstufen mit einem Notumlauf auszustatten. Um eine zu hohe Aufkonzentrierung des belebten Schlammes in separaten Filtrationsbecken zu verhindern, ist ein Bemessung und Konstruktion ausreichend großer Rücklaufschlammvolumenstrom vom Filtrationsbecken zurück in das Belebungsbecken einzu- Die Ermittlung von Bemessungsdaten für die biologische stellen. Der maximale Feststoffgehalt an der Membran Reinigung in einer Membranbelebungsanlage ist entspre- kann je nach System bis zu 18 g/l betragen. Der erforder- chend der Vorgehensweise für konventionelle Abwasser- liche Rücklaufschlammvolumenstrom errechnet sich aus reinigungsanlagen aus dem Arbeitsblatt A 198 [ATV- den Feststoffgehalten im Belebungsbecken und im voll DVWK, 2003] durchzuführen. Im Wesentlichen sind für durchmischten Filtrationsbecken. Auf eine gleichmäßige den maßgebenden Belastungszeitraum die Frachten, die Durchmischung des Filtrationsbeckens ist zu achten, um Zuflüsse sowie die Abwassertemperaturen zu ermitteln. Ablagerungen zu vermeiden und eine optimale Membranfunktion zu gewährleisten. Die Berechnung der Größe der Belebungsbecken kann nach dem ATV-DVWK Arbeitsblatt A 131 [ATV-DVWK, Das der Kläranlage zufließende Abwasser muss jederzeit 2000a] erfolgen, wobei zur Ermittlung der Volumina ein durch die zur Verfügung stehende Membranfläche fil- erhöhter Feststoffgehalt anzusetzen ist, der in der derzei- trierbar sein. Bemessungsgrundlage für die Membranflä- tigen Praxis nicht größer als 12 g/l gewählt wird. Gegebe- che ist daher der Mischwasserzufluß QM bei der niedrig- nenfalls vorhandene Filtrationsbecken können zum Volu- sten Temperatur im Jahresverlauf, da der Permeatfluss men VBB hinzugezählt werden abzüglich des durch die temperaturabhängig ist. Abweichend von dem A 198 Einbauten verdrängten Volumens. Bei den anzusetzenden [ATV-DVWK, 2003] sind Tagesmittelwerte der Abwasser- Lastfällen sind Stillstandszeiten von Filtrationsbecken zu temperatur maßgebend. berücksichtigen. Der Netto-Permeatfluss ausgelegter Anlagen (AuslegungsMembranbelebungsanlagen haben gegenüber üblichen fluss im Dauerbetrieb) als Quotient des Mischwasserzuflusses Belebungsanlagen (Belebungs- und Nachklärbecken) ein QM und der installierten Membranfläche AM liegt je nach deutlich geringeres Gesamtvolumen, was bei Stoßbelas- Modulart bei 8 l/(m2 h) bis 30 l/(m2 h). Bei der Ausle- tungen aus hydraulischer Gründen zu erhöhten Konzen- gung sind erforderliche Außerbetriebnahmen wegen chemi- trationsspitzen im Ablauf führt. scher Reinigung, Störfälle, Modulwechsel, etc. zu berücksichtigen. Für die Dauer solcher Außerbetriebnahmen muss Bisherige Erfahrungen aus dem Betrieb von Versuchs- die verbleibende Membranfläche in der Lage sein, den und Großanlagen legen den Schluß nahe, dass nicht maximalem Abwasserzufluss QM zu filtrieren. Je nach abgebaute Komponenten des Abwassers in den Membra- Membransystem besteht die Möglichkeit zeitlich begrenzt nen ein Foulingproblem verursachen und dadurch die erheblich höhere Netto-Permeatflüsse zu erreichen. 324 Anhang Tab. A-6 Kenndaten ausgelegter Membranbelebungsanlagen [WEDI 2002a] Nennporenweite µm Membranmaterial < 0,1 – 0,4 PVDF, mod. PVC, PES, PAN oder PE 1) pH-Beständigkeit 2 – 11 2 Filterfläche pro Modul Netto-Permeatfluss (Q M/AM) m 240 – max 2.880 l/(m2 h) 8 – 30 l/(m hbar) 100 – 400 mbar 300 – 400 2 Permeabilität maximaler Arbeitsdruck mittlerer Arbeitsdruck „Foot-Print“ (Module im eingebauten Zustand) mbar 20 – 200 m2/m2 70 – 165 m2/m3 40 – 100 m 1,5 – 5,5 3 ZUFLUSS 0,25 – 0,80 kWh/m3 ZUFLUSS 0,06 – 0,07 (Filterfläche pro Grundfläche Becken) Packungsdichte (Module im eingebauten Zustand) (Filterfläche pro Modulvolumen) Einblastiefe Modul-Belüftung Energiebedarf Modul-Belüftung 2) Energiebedarf Permeatpumpe kWh/m 1) PVDF: Polyvinylidenfluorid; PVC: Polyvinylchlorid; PES: Polyethersulfon; PAN: Polyacrylnitril; PE: Polyethylen 2) je nach Betriebsweise der Module Zum Abfangen von hydraulischen Spitzen kann alterna- Sauerstoffeintrag tiv zur Vorhaltung von Membranfläche auch ein Puffer in Form vorgeschalteter Becken, Stauräume oder als vari- Generell muss bei Membranbelebungsanlagen zwischen ables Niveau im Belebungsbecken sinnvoll sein. der eher grobblasigen Belüftung der Module und der meist feinblasigen Belüftung in den Belebungsbecken – Aus den Herstellerdaten und bisher auswertbaren Betriebs- also der für die biologischen Vorgänge erforderlichen ergebnissen wurde Tabelle A-6 mit orientierenden Daten Belüftung – unterschieden werden. Bei der Bemessung zu Membransystemen zusammengestellt [WEDI 2002a]. der Belebungsbecken ist zu beachten, dass der für den Mit dem Fortschritt der Erkenntnisse und der Modulent- Lufteintrag in das Belebungsbecken anzusetzende -Wert wicklung unterliegen auch die Daten der Veränderung. aufgrund des höheren TS-Gehaltes des Schlammes deutlich geringer anzusetzen ist. Übliche Zykluszeiten liegen im Bereich von Minuten. Es gibt jedoch auch Anlagen, bei denen über mehrere Stun- Die Abnahme des -Wertes als Folge erhöhter Feststoff- den kontinuierlich filtriert wird. konzentrationen ist in allen Untersuchungen tendenziell gleich. Angaben zur Standzeit (Jahre bis zum Austausch der Membranen) können noch nicht getroffen werden. 325 A Anhang Abb. A-18 Einfluss der Feststoffkonzentrationen auf den -Wert für feinblasige Druckbelüftungsanlagen 1,00 0,75 alpha A 0,50 0,25 0 0 5 10 15 20 25 TS in g/l Rödingen/Cornel et al. (2001) Markranstädt/Cornel et al. (2001) Rödingen/Wagner, Krause (2003) Arbeitsbericht KA-7, nur Versuchsanlagen (2000) Beverwijk Der -Wert hängt auch von anderen Einflussfaktoren ab. reduzierte -Werte vor, sollte eine entsprechende Abmin- Neben den konkret eingesetzten Belüftersystemen existie- derung vorgenommen werden. ren auch Abhängigkeiten von der Messmethode (Messungen mit oder ohne Abwasserzufluss), vom Salzgehalt, der Wird die Crossflow-Belüftung der Membranen bemessungs- Tensidkonzentration sowie vom spezifischen Luftvolumen- seitig zur Deckung des Sauerstoffbedarfes mit berücksich- strom oder der Durchströmung im Becken. Messungen aus tigt, so ist dies durch den Planer unter Berücksichtigung Rödingen legen nahe, dass sich auch die Eigenschaften der Einbausituation sowie der Lastfälle gesondert nachzu- des belebten Schlammes bzw. biogen erzeugte und evtl. weisen. Je nach Anordnung der Membranen im System zurückgehaltene Substanzen beim Membranbelebungs- kann dieser Sauerstoffeintrag zur Betriebskostenreduzierung verfahren (z. B. EPS) auf den Sauerstoffeintrag auswirken. angesetzt werden. Für die Installation der Membranen in den Nitrifikationsbecken wird von KRAUSE/CORNEL [2003] Es wird empfohlen, bei der Auslegung feinblasiger Druck- eine mittlere Energieeinsparung in Höhe von 15 % belüftungsanlagen beim Membranbelebungsverfahren genannt. Werden die Membranen in separaten Filtrations- einen gegenüber konventionellen Belebtschlammanlagen kammern angeordnet, ist der energetische Vorteil geringer. reduzierten -Wert von 0,5 für den üblichen Feststoffge- Auf jeden Fall aber sind die Hinweise in Abschnitt A.6.3 halt von 10 g/l bis 12 g/l zu verwenden. Liegen Kennt- zur Reaktorform und zum Verweilzeitverhalten zu beach- nisse über bereits bei niedrigeren TS-Konzentrationen ten. 326 Anhang Stickstoffelimination Die vermehrte biologische P-Elimination in der Membranbelebung wurde bisher nur im Rahmen von Forschung Die Bemessung für Stickstoffelimination erfolgt nach und Entwicklung angewendet [GNIRß, 2003], [DICHTL dem ATV-DVWK-Arbeitsblatt-A 131 [ATV-DVWK, 2000a]. ET AL., 2004]. Mit dem aus dem separaten Filtrationsbecken oder aus Überschussschlammproduktion der Filtrationszone des Belebungsbeckens rückgeführten Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch wird infolge der Modul- Die bislang übliche Bemessung einer Membranbele- belüftung insbesondere bei Mischwasserzufluss eine nicht bungsanlage führt zu einem Schlammalter im Bereich der unerhebliche Menge an Sauerstoff mitgeführt. Dies ist bei simultanen aeroben Schlammstabilisierung. Grundsätzlich der Verfahrensführung zu beachten. ist somit davon auszugehen, dass sich die biologischen Stoffumsätze in Membranbelebungsanlagen nicht wesent- Phosphorelimination lich von denen in konventionellen Belebungsanlagen unterscheiden [u. a. ROSENWINKEL/WAGNER, 2000]. Für Die Phosphorelimination kann beim Membranbelebungsver- die Reinigung kommunaler Abwässer ist im Vergleich zu fahren durch eine Vorfällung in der Vorreinigungsstufe oder konventionellen Systemen nicht von einer signifikanten durch eine Simultanfällung in der Belebungsstufe erfolgen. Reduktion der gebildeten Überschussschlämme auszugehen. Für eine Vorfällung können alle gängigen Fällmittel ein- Nach GÜNDER [1999] kann, indem ein extrem hohes gesetzt werden. Hier besteht kein Unterschied zu einem Schlammalter eingestellt wird, die Überschussschlamm- konventionellen Belebungsverfahren. Nachteil der Vorfäl- produktion minimiert werden. Die dafür notwendigen lung ist ein wesentlich erhöhter Schlammanfall in der BSB5-Schlammbelastungen von unter 0,01 kg/(kg d) Vorreinigung, der bei der Bemessung der Schlammbe- sind jedoch i. d. R. nicht wirtschaftlich. handlung berücksichtigt werden muss. Die Ermittlung der Überschussschlammproduktion kann In der Belebungsstufe kann die Phosphorelimination durch in Anlehnung an das ATV-DVWK-A 131 und die ASM- chemische Simultanfällung oder durch eine vermehrte Modelle [HENZE ET AL. 1987, HENZE ET AL. 1999, GUJER biologische Phosphorelimination, in der Regel kombiniert ET AL. 1999] erfolgen. mit einer Simultanfällung, stattfinden. Beim Membranbelebungsverfahren können deutlich niedrigere Ablaufkon- A.6.4 zentrationen für Gesamtphosphor erreicht werden als bei Schlammbehandlung einem konventionellen Belebungsverfahren, da Allgemeines • die partikulären Phosphorverbindungen vollständig abgetrennt werden und • ortho-Phosphat nicht in einem Nachklärbecken rückgelöst werden kann. Die Überschussschlämme aus den großtechnischen Membranbelebungsanlagen Rödingen, Markranstädt und Monheim werden in einem Stapelbehälter gelagert und entweder periodisch zu einer Sammelstelle auf einem Je nach Fällmitteleinsatz sind bei der üblichen Membran- zentralen Klärwerk zur gemeinschaftlichen Behandlung reinigung die Reinigungsmittel anzupassen. Bisher wurden mit Schlämmen aus konventionellen Anlagen gebracht keine Anzeichen für einen erhöhten Reinigungsaufwand oder zurzeit noch landwirtschaftlich verwertet. Daher lie- der Membrane durch den Einsatz von Fällmitteln festge- gen bisher in Deutschland keine Betriebserfahrungen aus stellt. Empfohlen wird eine räumliche Distanz zwischen großtechnischen Schlammbehandlungsanlagen vor. der Dosierstelle und den Membranmodulen. Generell sind Zusätze in die Kläranlage, also auch Fällmittel, mit den Membranherstellern abzustimmen. 327 A A Anhang Die Schlämme der großtechnischen Anlagen, insbesondere Die vorliegenden Erfahrungen deuten an, dass im Ver- der Kläranlage Rödingen, sind umfangreichen Untersu- gleich zu herkömmlichen Schlämmen nicht von einem chungen unterzogen worden, die nachfolgend erläutert Mehraufwand zur Schlammentwässerung auszugehen ist. werden. Bei Einsatz von Siebanlagen in der mechanischen Vorreinigung werden Strukturstoffe entnommen, wodurch die Entwässerbarkeit Entwässerbarkeit beeinträchtigt werden kann. Schlämme aus Membranbelebungsanlagen besitzen in Eine Sonderlösung wurde für die Kläranlage auf dem Sän- der Regel eine geringe Flockengröße (rd. 50 µm, teilweise tigsgipfel (Schweiz) gewählt [MÖRGELI 2001]. Hier wird nur 10 µm). Trotz der damit verbundenen Vergrößerung der Überschussschlamm in spezielle Säcke gefüllt. Das der spezifischen Flockenoberfläche wurde keine ver- Wasser tropft ab und der Schlamm kompaktiert. Danach schlechterte Entwässerbarkeit festgestellt. Tabelle A-7 ist der Schlamm bereit für den Abtransport mit der Seil- zeigt Kenndaten großtechnischer Untersuchungen. bahn. Mit dieser Methode wird ein TR von rd. 20 % erzielt. Das System ist mittlerweile auch auf der Kläranlage In einem großtechnischen Versuch auf einer Hochleis- Schwägalp realisiert worden. tungszentrifuge wurde mit dem Schlamm aus der Kläranlage Rödingen ein TR von knapp 30 % erreicht. Laborver- Faulfähigkeit suche bestätigten diese Entwässerbarkeit mit Ergebnissen von 27 % im Jahresmittel bei Maximalwerten bis zu 31 % Trotz der zumeist geringen Schlammbelastung, die der bei einem organischen Anteil des Schlammes von GV einer simultan aeroben Stabilisierungsanlage gleicht bzw. 61 % bis 48 %. Bei geringerem organischen Anteil ließ sie noch unterschreitet, variiert der organische Trocken- sich der Schlamm besser entwässern. Hierbei lag der Poly- substanzanteil der Überschussschlämme aus großtechni- merbedarf im Mittel mit 2,9 g WS/kg TR weit unter dem schen Anlagen und auch Pilotanlagen zwischen 46 % bis Polymerbedarf von 15 untersuchten konventionellen hin zu 69 %. Dieser hohe organische Anteil war Anlass Belebtschlammanlagen mit aerober Schlammstabilisie- für eine Überprüfung der Fäulnisfähigkeit bzw. das Rest- rung, die im Durchschnitt 5,9 g WS/kg TR benötigten. gaspotenzial nach DIN 38 414 S8 [N. N. 1999]. Insgesamt zeigen die bisherigen Untersuchungen, dass Ein weiterer Anlass zur Prüfung der Fäulnisfähigkeit liegt der Flockungshilfsmittelbedarf vergleichbar dem Flockungs- darin, dass das Membranbelebungsverfahren auch als hilfsmittelbedarf konventioneller Anlagen ist oder sogar Ertüchtigungsvariante bei bestehenden Anlagen mit ana- geringer ausfallen kann. erober Schlammstabilisierung in Frage kommen kann. Tab. A-7 Untersuchungen zur Entwässerbarkeit von Überschussschlämmen (ÜS) auf einer großtechnischen Zentrifuge Gerät/Methode Anlage TR des ÜS TR nach Entwässerung GV des ÜS Zentrifuge Markranstädt 2,4 % TR Rödingen 3,8 % TR Monheim 1,0 % TR 24,5 % 65 % GV 29,9 % 46 % GV 54 % GV 328 28 % Anhang In der Literatur werden für die Ausfaulung von Über- Zurzeit werden folgende Reinigungsverfahren praktiziert: schussschlamm 200 Normliter produzierten Gases pro kg organischer Trockenmasse (NL/kg oTS) bis 300 NL/kg oTS • in-situ-Reinigung (im eingebauten Zustand) angegeben [BAHRS ET AL. 1994]. Die Überschussschlämme aus den Membranbelebungsanlagen erreichen bei der Untersuchung diesen Literaturwert. • im belebten Schlamm: Die Membranmodule verbleiben während der chemischen Reinigung im eingetauchten Zustand im beleb- Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Schlämme aus ten Schlamm. Die Zugabe der Chemikalien erfolgt den Membranbelebungsanlagen eine mit Schlamm aus über die Permeatseite. Die Menge der in den belebten konventionellen Anlagen vergleichbare (Rest-) Gaspro- Schlamms übertretenden Reinigungsflüssigkeit ist in duktion besitzen. starkem Maße abhängig vom Konzept des Reinigungsprozesses. A.6.5 Chemische Reinigung der Membranmodule • in Reinigungslösung: Der belebte Schlamm wird aus dem Becken gepumpt, Zum Erhalt bzw. zur Anhebung der Permeabilität und zur danach wird das Becken mit Reinigungschemikalien Hygienisierung der Permeatleitungen ist von Zeit zu Zeit gefüllt, bis die Module überstaut sind. eine chemische Reinigung der Membranen erforderlich. Es gibt keine einheitliche Reinigungsempfehlung. Es findet • an Luft: eine laufende Optimierung unter Berücksichtigung groß- Der belebte Schlamm wird in der Regel bis zur Modul- technischer Erfahrungen statt. unterkante abgesenkt. Die Membranmodule hängen im eingebauten Zustand frei in der Luft. Die Zugabe Oxidierende Chemikalien dienen der Entfernung von der Chemikalien erfolgt ebenfalls permeatseitig. Die organischen Belägen. Um AOX-Bildung zu vermeiden, Einwirkzeit beträgt 5 bis 10 Minuten. sollten möglichst chlorfreie Chemikalien angewendet werden, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Die besten • externe Reinigung Reinigungserfolge hat man jedoch bisher unabhängig von der Membran mit Natriumhypochlorit-Lösung als Die Membranmodule werden aus dem Membranbele- Oxidationsmittel erzielt. bungsbecken herausgezogen und in eine externe „Waschzelle“ eingeführt. Je nach Anforderung und insbesondere zur Entfernung anorganischer Ablagerungen werden weitere Reinigungs- Die in-situ-Reinigung in Reinigungslösung oder an Luft schritte hinzugefügt. Hier ist der Einsatz folgender Che- eignet sich vor allem für Anlagen mit separaten Filtra- mikalien möglich: Zitronensäure, organische Peroxidver- tionsbecken. bindungen, Oxalsäure, Essigsäure, mineralische Säuren, Tenside, Detergentien und herstellerspezifische Kombina- Bisher unterscheidet man je nach Chemikalienkonzentra- tionsprodukte. tion und Reinigungsintervall die Hauptreinigung und die Zwischenreinigung. In der Regel findet eine zweistufige Reinigung mit einem Oxidationsmittel und einer organischen Säure Anwendung. Die Hauptreinigung ist in der Regel mindestens jährlich erforderlich zur deutlichen Erhöhung der Permeabilität. Bei der Auswahl und Dosierung der Reinigungschemika- Sie kann beispielsweise mit hohen Oxidationsmittelkon- lien muss darauf geachtet werden, dass die Membranen zentrationen (z. B. NaOCl – 1.000 mg/l Cl oder H2O2 durch die Reinigung möglichst wenig belastet werden. – 2.000 mg/l) und einer sauren Reinigung im Anschluss Die Reinigung muss mit dem Hersteller abgestimmt werden. (z. B. Zitronensäure) durchgeführt werden. Die Reinigungszyklen sind dabei vorteilhafterweise so zu legen, dass die 329 A A Anhang maximale hydraulische Leistungsfähigkeit mit Beginn der Da bisher die Reinigungsprozeduren noch einer ständi- kalten Jahreszeit vorliegt. gen Weiterentwicklung unterliegen und möglicherweise für den Einzelfall optimiert werden müssen, sollten bei Die Zwischenreinigung, typischerweise mit geringer Oxi- der Ausführung des Chemikalienlagers und der Dosieran- dationsmittelkonzentration (z. B. NaOCl – 150 mg/l Cl), lagen möglichst viele Optionen unter Beachtung relevanter soll der Vergrößerung der Hauptreinigungsintervalle die- sicherheitstechnischer Aspekte offen gehalten werden. In nen. Sie wird im Abstand von 2 bis 7 Tagen durchgeführt. Deutschland sind neben den Vorschriften gem. WHG je Damit eine Zwischenreinigung dauerhaft erfolgreich rea- nach Kombination der Chemikalien auch Aspekte u. a. lisiert werden kann, ist es erforderlich, diese Reinigungs- der Arbeitssicherheit, des Brandschutzes und des Immis- technik bereits in der ersten Betriebszeit bei einer relativ sionsschutzes zu berücksichtigen. Insbesondere können verschmutzungsfreien Membrane einzusetzen. Die Zwi- bzw. müssen Anwendung finden: schenreinigung wird nicht bei allen Modulbauformen angewendet. • Technische Regeln für Gefahrstoffe (TRGS), Die in-situ-Reinigung kann als Hauptreinigung oder auch • Vorschriften und Merkblätter der Berufsgenossen- speziell TRGS 515, als Zwischenreinigung verwendet werden. Die externe schaften, Reinigung wird ausschließlich als Hauptreinigung einge- • Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV), setzt. • Kennzeichnungen der Anlagen gem. GefahrstoffVerordnung (GSV), Der betriebliche Aufwand einer externen Reinigung ist • ggf. Verordnung für brennbare Flüssigkeiten (VbF), sehr hoch. Daher wird sie bei einigen Anlagen durch die • ggf. VCI-Konzept zur gemeinsamen Lagerung von oben beschriebene in-situ-Reinigung ersetzt. Chemikalien, Festlegungen der Gefahrengruppen zur Lagerung mit Festlegung der Gefahrengruppen, Wenn die Reinigung direkt in Reinigungslösung durchge- • ggf. Löschwasser-Rückhalte-Richtlinie (LöRüRL), führt wird, kann eine wesentlich bessere Wirkung erzielt • ggf. Dichtigkeitsprüfungen gem. DVGW, werden, da sie ohne Verdünnung durch belebten Schlamm • ggf. weitere landesspezifische Verordnungen. an der Membranoberfläche zur Wirkung kommen. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, die Temperatur des Die Planung und Genehmigung der Anlagen sollte in Ab- Reinigungswassers auf ca. 30 °C bis 35 °C zu erhöhen. Um stimmung mit Behörden und Fachstellen wie z. B. den eine Verbesserung der Vermischung der eingesetzten Che- Gewerbeaufsichtsämtern, dem TÜV oder arbeitsmedizini- mikalien im Waschbehälter zu erreichen, wird die Mem- schen Diensten erfolgen. brane während der Reinigung zusätzlich belüftet. A.6.6 In jedem Fall sollte der Betreiber eines Membranbelebungs- Energiebedarf verfahrens eine detaillierte Anleitung zur sachgerechten Durchführung der Membranreinigung und zu den not- Die laufenden Betriebskosten von Membranbelebungs- wendigen Reinigungsintervallen vom Errichter der Anlage anlagen werden neben dem Energiebedarf für den Sauer- bzw. dem Membranhersteller einfordern. stoffeintrag zur biologischen Abwasserreinigung erheblich vom Energiebedarf für die Crossflow-Belüftung Bei der Planung von Membranbelebungsanlagen sind beeinflusst. entsprechend der ausgewählten Chemikalien geeignete Lagerräume, Dosiereinrichtungen, geeignete Materialien Diese wiederum ist abhängig vom spezifischen Belüftungs- für Becken und Leitungen und der Arbeitsschutz zu bedarf der eingesetzten Membran und der Eintauchtiefe berücksichtigen [WEDI, 2002b]. der entsprechenden Belüftungseinrichtungen. Für die gegenwärtig eingesetzten Membranmodule schwanken diese Werte in einem weiten Bereich für den spez. Luft- 330 Anhang bedarf von 0,2 Nm3/(m2 h) bis 0,45 Nm3/(m2 h) und Konkrete Daten zum Energiebedarf und dessen Aufteilung Eintauchtiefen von 2 Metern bis 5 Metern. liegen für die Membranbelebungsanlagen Markranstädt und Monheim vor. Beide Anlagen sind mit Hohlfaser- Die derzeitigen großtechnischen Betriebserfahrungen zei- membranen ausgerüstet. Aus beiden Abbildungen wird gen einen spezifischen Energiebedarf für die Crossflow- ersichtlich, dass der spezifische Energiebedarf umso ge- 3 Belüftung von ca. 0,25 kWh/m ZUFLUSS bis 0,8 kWh/m 3 ZUFLUSS ringer wird, je mehr sich der tatsächliche Abwasserdurch- im Jahresmittel. satz der Vollauslastung annähert. Die Einsparpotenziale liegen somit vor allem in der Ver- Der spezifische Energiebedarf, bezogen auf den mittleren ringerung des spezifischen Luftbedarfes und in der Erhö- Zufluss (ca. 43 % bzw. 35 % von Q max) liegt für beide Anla- hung der Filtrationsleistung der Membranen (z. B. zu- gen im Bereich von 0,8 kWh/m3 bis 0,9 kWh/m3. Verglichen flussabhängiges Zu- und Abschalten einzelner Module). mit konventionellen Belebungsanlagen mit einem durchschnittlichen spezifischen Energieverbrauch von 0,3 kWh/m3 Erfolgt der Permeatabzug mittels Pumpen, ist von einem bis 0,5 kWh/m3 und zusätzlichen Erweiterungen für z. B. spezifischen Energiebedarf in Höhe von 50 W/m3 bis Raumfiltrations- und Bestrahlungsanlagen mit zusammen 3 70 W/m auszugehen. Je nach Systemkonfiguration ist gege- ca. 0,15 kWh/m3 bis 0,25 kWh/m3 ist der Energiebedarf benenfalls die Rezirkulation des aufkonzentrierten belebten von Membranbelebungsanlagen noch erhöht. Zu beach- 3 Schlammes aus separaten Filtrationskammern mit ca. 15W/m ten ist bei diesem Vergleich, dass die Leistungsfähigkeit bis 20 W/m3 zu berücksichtigen. Infolge des niedrigeren der Membranbelebungsanlage insbesondere bezüglich der -Wertes steigt auch der Energieverbrauch für feinblasige hygienerelevanten Parameter, deutlich höher ist. Belüftungsanlagen um den Faktor konv./ Membran an. Abb. A-19 Spezifischer Energieverbrauch der KA Markranstädt [STEIN, KERKLIES 2003] spez. Energieverbrauch [kWh/m3] 2,0 Mikrofiltration 500A ohne Air-Cycling (Jun-Jul 2001) 1,5 Mikrofiltration 500A ohne Air-Cycling (Jan-Nov 2002) 1,0 Mikrofiltration 500C mit Air-Cycling (Jan-Jun 2003) 0,5 0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 Zufluss [m3/d] 331 A Anhang Abb. A-20 Spezifischer Energieverbrauch der KA Monheim [WEDI 2003] 4,0 Inbetriebnahme, nicht optimierter Betrieb im Juli /Aug 2003 3,5 spez. Stromverbrauch [kWh/m3] A 3,0 2,5 künftiger Median des Zuflusses, 35 % v. Qmax 2,0 1,5 1,0 0,5 min. Verbrauch Filtration 0,0 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 3 Zufluss [m /d] A.6.7 Bei Umstellung der Phasentrennung von Sedimentation Ertüchtigung bestehender kommunaler Kläranlagen auf Membranfiltration bietet es sich an, das vorhandene Nachklärbeckenvolumen als zusätzlichen Belebungsbe- Zukünftig wird sich der Schwerpunkt der erforderlichen ckenraum zu nutzen. So kann oft nicht nur auf den Neu- Investitionen in der Abwasserreinigung weg von Kläran- bau von Belebungsbecken verzichtet werden, sondern es lagenneubauten hin zu Sanierungs- und Ertüchtigungs- ergibt sich eine TS BB -Konzentration, die deutlich unter- maßnahmen in Kombination mit Erweiterungsvorhaben halb der ansonsten beim Membranbelebungsverfahren verschieben. Auch für derartige Aufgabenstellungen kann üblichen TS BB -Konzentration liegt. Abhängig vom Grad das Membranbelebungsverfahren eine verfahrenstech- der Unterkapazität der existierenden Anlage ist dann bei nisch und zunehmend auch wirtschaftlich sinnvolle der Bemessung der TS BB -Konzentration neben dem zur Lösungsvariante darstellen [SCHIER 2003]. Günstige Kon- Verfügung stehenden Belebungsvolumen die Gewährleis- stellationen sind dort gegeben, wo im Zuge der anstehen- tung des aeroben Schlammalters zu berücksichtigen. Meist den Kläranlagenertüchtigung entweder in erheblichem ergeben sich TS BB -Konzentrationen von 4 g/l bis 7 g/l Umfang neues Beckenvolumen geschaffen werden müs- [FRECHEN, SCHIER, WETT 2001 und 2003]. Lässt sich ste, wo Probleme infolge unzureichender Nachklärbe- ein solches Konzept realisieren, könnten die üblichen ckenleistungsfähigkeit bestehen, besonders aber dort, wo Nachteile von Membranbelebungsanlagen (Empfindlich- beide Fragestellungen zu bearbeiten sind. Voraussetzung keit gegenüber Stoßbelastungen, schlechter -Wert) weit- ist, dass der bauliche Zustand der vorhandenen Belebungs- gehend kompensiert werden. und Nachklärbecken eine weitere Nutzung zulässt. 332 Anhang Neben der ohnehin erhöhten Ablaufqualität des Permeats Funktionstest sind weitere verfahrens- und ausbauspezifische Vorteile dieses Ertüchtigungskonzeptes zu nennen: Membranbelebungsanlagen sind komplexe technische Anlagen, bei denen es auf die Funktionsfähigkeit und das • erhebliche biologische Reservekapazitäten bei späterem Erweiterungsbedarf, Zusammenwirken der einzelnen Komponenten in besonderem Maße ankommt, um einen prozessstabilen Betrieb dauerhaft gewährleisten zu können. Umfassende Funk- • sparsamer Umgang mit Platzresourcen. tionstests der einzelnen Komponenten sowie der gesamten zusammenhängenden eingesetzten Verfahrens- und Bislang wurde dieses Ertüchtigungskonzept großtech- EMSR-Technik sind unabdingbar. Die eingesetzten Pro- nisch noch nicht umgesetzt. In einem ersten Forschungs- gramme zur Steuerung der Membrananlage sind system- vorhaben wurden in halbtechnischen Versuchen verschie- spezifisch auf das jeweilige Projekt zugeschnitten. dene Membransysteme hinsichtlich der Betriebs- und Bemessungsparameter untersucht [UNI KASSEL 2004]. Von besonderer Bedeutung ist die Funktionstüchtigkeit Es wurde neben der generellen technischen Machbarkeit der membranspezifischen Verfahrenskomponenten wie und technischen Eignung des Membranbelebungsverfah- der mechanischen Vorreinigungsstufe und der chemi- rens zur Ertüchtigung der untersuchten Kläranlagen fest- schen Reinigung. gestellt, dass bezüglich der hydraulischen Leistungsfähigkeit die untersuchten Hohlfasersysteme Fluxraten erreich- Dichtigkeitstest ten, die bei bzw. sogar leicht über den Betriebs- bzw. Bemessungsfluxraten großtechnisch realisierter Anlagen Zur Feststellung von produktionsbedingten oder im Zu- lagen. Danach kann für den Betrieb einer Membranbele- sammenhang mit der Errichtung der Anlage entstandenen bungsanlage mit verfahrensspezifisch niedrigen TS BB -Kon- Fehlern an den Membranen und deren Installationen ist zentrationen nicht von einer verminderten hydrauli- ein Funktionstest erforderlich, um die Dichtigkeit zu prü- schen Leistungsfähigkeit ausgegangen werden. Soll von fen. Folgende Maßnahmen sind hierfür denkbar: einer erhöhten Leistung ausgegangen werden, so sind Vorversuche anzuraten. Die Untersuchungen hierzu dauern gegenwärtig noch an (Universität Kassel). Ebenfalls ist die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, eine • filtratseitiger Luftdruckhaltetest (Unterdruck) bei entleertem Becken, • filtratseitiger Luftdruckhaltetest (Überdruck) mit kon- Ertüchtigung bestehender Anlagen durch Teilstrombe- stantem oder mit bei der Messung ansteigendem Klar- handlung mit dem Membranbelebungsverfahren durch- wasserspiegel. zuführen. Die Höhe des für den Dichtigkeitstest eingesetzten Druckes A.6.8 ist auf das jeweilige Membransystem (Rückspülfähigkeit Hinweise zur Inbetriebnahme z. B. bei Plattenmodulen) abzustimmen. Grundsätze Anfahrbetrieb Bei der Inbetriebnahme einer Membranbelebungsanlage Nach erfolgreichen Funktions- und Dichtigkeitsprüfun- gelten prinzipiell ähnliche Grundsätze wie bei konventio- gen wird die Anlage mit Belebtschlamm gefüllt. Wenn nellen Anlagen in Bezug auf die biologischen Eigenschaf- kein adaptierter Schlamm einer kommunalen Membran- ten und Reinigungsleistungen. Nachfolgend wird auf anlage verfügbar ist, kann Rücklaufschlamm einer kon- einige spezifische Aspekte bei der Inbetriebnahme einer ventionellen Anlage genutzt werden. Dieser belebte Membranbelebungsanlage eingegangen. Schlamm ist von faserigen Inhaltsstoffen zu befreien (z. B. Siebung). 333 A A Anhang Beim Anfahren der Anlage und der damit verbundenen sen oder bei architektonisch besonderen Ansprüchen. Steigerung des TS-Gehaltes auf die Bemessungswerte (vgl. Kap. A.6.3) kann sich die Flockenstruktur ändern. Als Verstärkt wird dies in besonderem Maße für Anforderun- Nebeneffekt kann bei TS-Gehalten von ca. 8 g/l bis 10 g/l gen an die Keimverminderung im Abwasser infolge spe- ein starkes Schäumen eintreten, das z. B. mit Entschäu- zieller Vorflutbedingungen. mern behandelt werden kann. Nachdem dieser Prozess abgeschlossen ist, sinkt die Neigung zur Schaumbildung. Aufgrund der höheren Trockensubstanzgehalte in der Erfahrungen zeigen, dass mit der Bildung einer Schaum- Belebung bietet es sich an, beim Membranbelebungsver- decke im Bereich < 10 cm gerechnet werden kann. fahren auch für größere Kläranlagen die Möglichkeit einer simultanen aeroben Schlammstabilisierung zu prü- A.6.9 fen. Daraus ergeben sich erhebliche planerische Freihei- Kosten ten. Es ergibt sich eine deutlich verringerte Größe der Belebungsbecken, auf Sedimentations- und ggf. erforder- Allgemeines licher Filtrationseinrichtungen kann ebenso verzichtet werden wie auf nachgeschaltete Keimreduktionsanlagen. Kostenvergleiche müssen die aus Betrieb und Kapitaldienst Je nach Möglichkeit können ggf. separate Verfahren der entstehenden Jahreskosten berücksichtigen. Generell Schlammstabilisierung und Vorklärungen entfallen. Es haben Kostenabschätzungen und -vergleiche bei Berück- sind dabei aber die Auswirkungen erhöhter, der Belebung sichtigung einer eher jungen Verfahrenstechnik den zufließender Schmutzfrachten und ggf. entfallendes Faul- Nachteil, dass sie normalerweise nach kurzer Zeit an gas energetisch zu berücksichtigen. Aktualität einbüßen, weil Entwicklungen bei der Verfahrensoptimierung und marktwirtschaftliche Gesetzmäßig- Investitionen keiten die Kosten beeinflussen, üblicherweise derart, dass junge Verfahren zunehmend an Wettbewerbsfähigkeit Mehraufwendungen bei den Anschaffungskosten für eine gewinnen. Solche Abschätzungen und Vergleichsrech- Membranbelebungsanlage entstehen infolge einer not- nungen deuten an, dass die Membrantechnologie abhän- wendigen, sehr sorgfältig auszurüstenden mechanischen gig von den jeweiligen Randbedingungen durchaus öko- Vorreinigung (vgl. Kap. A.6.3), durch die Membrananlage nomisch interessant werden kann [RAUTENBACH ET AL. selbst, leistungsstärkere Belüftungsanlagen, das Chemika- 2000]. lienlager und die Dosieranlagen sowie der dafür insgesamt erforderlichen Elektro- und Steuerungstechnik. Bei der Kostenbetrachtung von Membranbelebungsanlagen ist zu berücksichtigen, dass diese aufgrund der physi- Die zusätzlichen Investitionen für einstufige Sieb- bzw. kalischen Barriere eine höhere Reinigungsqualität aufwei- Rechenanlage sind insbesondere bei einer Neuerstellung sen als „konventionelle“ Verfahren zur Keimreduktion der Anlage trotz erheblich gestiegener Anforderungen an von Abwässern. Auch aus diesem Grund ist zurzeit ein Siebgutentnahme, Redundanz und Prozessstabilität einfacher Vergleich von Membranbelebungsanlagen mit begrenzt. Bezogen auf die Erstellungskosten einer neuen Belebtschlammanlagen gemäß ATV-DVWK-A 131 ohne Membranbelebungsanlage liegen diese im Bereich von Keimreduktion nur eingeschränkt sinnvoll und Sonder- 2 % bis 4 %. Eine zweistufige Rechen-/Siebanlage inkl. des fällen vorbehalten. Zurzeit sind Membrananlagen im Ver- damit verbundenen umbauten Volumens führt zu zusätz- gleich zu konventionellen Belebungsanlagen in der Regel lichen Baukosten. noch teurer. Gegenüber einer konventionellen Anlage ist weniger Da Membranbelebungsanlagen nur aus wenigen Bau- Belebungsbeckenvolumen vorzuhalten, die Nachklärung körpern bestehen, sind sie verfahrensbedingt vorteilhaft entfällt. Die Minderkosten fallen nicht so hoch aus wie bei besonderen Randbedingungen, wie z. B. räumlich der reine Volumenvergleich vermuten läßt, insbesondere begrenzten Standorten, schwierigen Baugrundverhältnis- wenn Filtrationsbecken erstellt werden. 334 Anhang Abb. A-21 Beispiel einer Aufteilung von Errichtungskosten einer Membranbelebungsanlage für ca. 300 m 3/h [WEDI 2003] Lüftung/Sanitär Sonstiges 3% 1% E-Technik 13 % Bautechnik 39 % (Filtrationskammern: 4 %) (Belebungsbecken: 5 %) Maschinentechnik 44 % (ges. Membranfiltrationsanlage) incl. EMSR: 34 % (2 Kompaktanlagen Siebung/Sandfang: 5 %) alle Angaben bezogen auf die gesamten Errichtungskosten Abbildung A-21 zeigt eine Aufteilung der Investitionen Werden die Kosten der betriebsfertigen Membrananlage im Fall eines Neubaus einer Membranbelebungsanlage auf den maximalen Zufluss der Anlagen umgerechnet, (KA Monheim) für einen maximalen Zufluss von ca. ergibt sich vereinfacht der gegenwärtige, zuflussspezifi- 300 m3/h. Bei der maschinellen Ausrüstung dominiert sche Systempreis nur der Membranfiltrationsanlage ohne die Membrananlage mit ca. 34 % deutlich. Von geringerer die baulichen Gewerke der Kläranlage. Die zuflussspezifi- Bedeutung sind Aufwendungen für Siebanlagen und Be- sche Darstellung ermöglicht auch einen Vergleich mit lebungsbecken. Membransystemen, die abweichende spezifische Filtrationsleistungen aufweisen. Die in Abbildung A-22 dargestellte orientierende Funktion berücksichtigt Kosten für Platten- und Hohlfasermo- In diesen Angaben ist die betriebsfertige Filtrationsanlage dulsysteme von in Deutschland angebotenen Systemen mit Pumpen, Gebläsen, verbindenden Leitungen, Chemi- im Zeitraum 1999 bis 2002, die jeweils für vergleichbare kaliendosieranlagen und der notwendigen Schaltanlage Flüsse für „übliche“ Bedingungen (kommunales Abwas- berücksichtigt. Auch enthalten sind Kostenanteile für ser, Temperaturen 8°C – 12°C) von ca. 22 l/(m2 h) bis ausrüstungstechnisches Engineering, Inbetriebnahme 30 l/(m h) ausgelegt wurden [WEDI 2003]. und in der Regel eine fünfjährige Garantie auf die Mem- 2 branen. Der relative Anteil dieser Leistungen nimmt mit zunehmender Anlagengröße deutlich ab. Nicht enthalten sind bauliche Teile einer Kläranlage oder Ausrüstungen zur mechanischen Vorbehandlung. 335 A Anhang Abb. A-22 Orientierende Netto-Kostenrichtwerte für die betriebsfertige Membranfiltrationsanlage ohne baulichen Teil [WEDI 2003] 10.000 Stand 1999 - 2002 9.000 spezifische Kosten [o/(m3/h)] A 8.000 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0 0 300 600 900 1.200 1.500 1.800 2.100 2.400 Bemessungszufluss [m3/h] Der nur auf die Membranen entfallende Anteil beträgt ca. teilen gegenüber zu stellen. Infolge der zurzeit niedrigen 50 % bis 65 % und steigt mit zunehmender Anlagengröße Preissituation ergeben sich speziell für die Systeme mit bzw. maximalem Zufluss. Aktuell schwanken die flächen- Filtrationsbecken wenig Einsparmöglichkeiten im Bereich spezifischen Preise für in Deutschland großtechnisch ein- der Kosten für die Belebungsbecken. Die Mehraufwen- 2 gesetzte Membranen zwischen 60 s/m und 100 s/m 2 dungen für spezielle Einbauten, Beschichtungen oder (Erstinvestition). Es werden aber auch Membranen mit zusätzlicher maschineller Ausrüstung sind in der Größen- niedrigeren spezifischen Filtrationsleistungen und ent- ordnung mit den Kosten für größere Belebungsbecken sprechend geringeren Preisen angeboten. häufig vergleichbar. Die sich aus Abbildung A-21 ergebenden Investitionen Die weltweite Nachfrage nach Membrananlagen lässt in und diejenigen für die mechanische Vorbehandlung sind den nächsten Jahren eine weitere Reduzierung der spezi- den Einsparungen für eventuell nicht erforderliche Anla- fischen Kosten erwarten. Ebenso sind im Bereich der genteile wie Nachklärung, Raumfiltrationen, Bestrahlungs- maschinellen Ausrüstung noch technische Vereinfachun- anlage, ggf. Vorklärung bzw. separate Schlammstabilisie- gen zu erwarten. rungsanlagen sowie den standortspezifischen Kostenvor- 336 Anhang A.6.10 betriebliche Maßnahmen, die zu einer Verlängerung der Jahreskosten Standzeit der Membranen führen. A.6.10.1 A.6.10.2 Kapitaldienst und Membranersatz Betriebskosten Grundsätzlich ist auf die veränderte Kostenstruktur bei Im Vergleich zu konventionellen Belebungsanlagen fallen Umsetzung des Membranbelebungsverfahrens hinzuwei- bei Membranbelebungsanlagen erhöhte Betriebskosten sen. Während bei neu zu bauenden konventionellen für den Energie- sowie den Chemikalienbedarf an. Wesent- Belebungsanlagen der bauliche gegenüber dem maschi- licher Kostenfaktor ist dabei der Energiebedarf für die nentechnischen Anteil deutlich überwiegt (etwa im Ver- Crossflow-Belüftung. hältnis 2 :1), dreht sich dies Verhältnis bei Membranbelebungsanlagen aufgrund des fehlenden Nachklärbeckens Der Chemikalienbedarf für die verschiedenen Membran- und des kleineren Belebungsbeckens sowie des höheren systeme ist höchst unterschiedlich. Je nach den erforder- maschinentechnischen Aufwandes mindestens um. Dies lichen Intervallen der Zwischen- und Hauptreinigungen Verhältnis kann sich noch mehr verschieben, wenn es sowie der einzusetzenden Chemikalien wurden spezifische sich nicht um einen Anlagenneubau, sondern eine Anla- Kosten von ca. 0,2 s/(m2 a) bis 1,1 s/(m2 a) ermittelt. genertüchtigung handelt, bei der vorhandene Beckenvo- Diese große Spannbreite deutet an, dass bei der Membran- lumina genutzt werden (siehe Kap. A.6.7). reinigung noch Optimierungsbedarf besteht. Die Investitionen für den Membranteil sind zu untertei- A.6.11 len in diejenigen Bereiche, die üblichen maschinentech- Schlussbemerkung nischen Abschreibungszeiträumen unterliegen und die Membran selbst, die nach Ablauf der Standzeit ersetzt Ein Wirtschaftlichkeitsvergleich ist ausschließlich auf der wird. Die Membranersatzkosten sind über den Kapital- Basis der Jahreskosten (Summe aus Kapitaldienst und dienst zu erfassen. Als Abschreibungszeit ist die Standzeit Betriebskosten) vorzunehmen. Ein Vergleich lediglich der der Membran anzusetzen, die üblicherweise kürzer ist als Investition ist unseriös. der maschinentechnische Abschreibungszeitraum. Tabelle A-8 unterstreicht den wesentlichen Einfluss des Membranersatzes auf die Jahreskosten von Membranbelebungsanlagen. Von größter Bedeutung sind daher Tab. A-8 Beispielhafte Darstellung membrantypischer Jahreskostenanteile Kosten [Ct/m3] Sparte1) 0,20 – 0,75 kWh/m3 2,0 – 7,5 B Permeat/Rezirkulation 0,08 – 0,10 kWh/m 3 0,8 – 1,0 B zusätzlicher Belüftungsbedarf 0,08 – 0,10 kWh/m3 0,8 – 1,0 B Crossflow-Belüftung Chemikalien Membranersatz 1) 2 0,20 – 1,10 m/m a 10 – 5 a 0,3 – 1,8 B 13,3 – 26,6 K B = Betriebskosten; K = Kapitaldienst Strom: 10 Ct/kWh; Abwasseranfall 90 m3/(EW a), spez. Membranfläche: 1,5 m2/EW, marktübliche Chemikalienkosten für H2O2, Säuren und Laugen, Membrankosten: 80 m/m2 337 A A Anhang A.6.12 Risiken und Nachteile Vorteile und Risiken des Membranbelebungsverfahrens Im Einzelfall ist abzuwägen, welche Risiken und Nachteile bei Realisierung einer Membranbelebungsanlage von A.6.12.1 Bedeutung sind. Nachfolgend sind mögliche kritische Allgemeines Punkte angeführt, welche je nach gegebenen Rahmenbedingungen zu überprüfen sind: Aus den vorangehenden Ausführungen kann entnommen werden, dass das Membranbelebungsverfahren wesentliche Vorteile gegenüber dem konventionellen Belebungs- • erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Stossbelastungen aufgrund geringerer Beckenvolumina, verfahren aufweist. Es darf aber nicht übersehen werden, dass auch Risiken und Nachteile damit verbunden sind. Im Einzelfall hat eine Gewichtung der Vor- und Nachteile • erhöhter Gesamtenergiebedarf insbesondere für die Modulbelüftung, zu erfolgen, um eine gewissenhafte Verfahrensentscheidung zu ermöglichen. An dieser Stelle werden daher die wichtigsten Argumente nochmals angeführt. • die Membranmodule können durch Faserstoffe, zu hohe Biomassekonzentration oder schlechte Durchmischung im Filtrationsbereich verblocken oder ver- Vorteile schlammen, weshalb stets auf eine korrekte Funktionsweise der Modulbelüftung zu achten ist, Die besonderen Vorteile des Membranbelebungsverfahrens lassen sich wie folgt zusammenfassen: • membranschädigende Abwasserinhaltsstoffe, die z. B. auch durch Störfälle in die Kläranlage gelangen, kön- • geringerer Platzbedarf, weil durch den höheren TSGehalt die Belebungsbeckenvolumina kleiner gewählt nen zu einer erheblichen und irreversiblen Reduktion der Filtrationsleistung führen, werden können und auf die Nachklärung ganz verzichtet werden kann, • erhöhter apparativer Aufwand und zusätzliche Anforderungen an die Prozesssteuerung, • wesentlich einfachere Möglichkeit zur Einhausung von Kläranlagen und somit höherer Akzeptanz in dicht besiedelten Gebieten, • Einbringung/Produktion von Schadstoffen durch Reinigungschemikalien (z.B. AOX durch chlorhaltige Oxidationsmittel), • hygienisch einwandfreie Ablaufqualität, weil keine abfiltrierbaren Stoffe im Ablauf enthalten sind und • Errichtung von geeigneten Chemikalienlagern. dadurch der Keimgehalt stark reduziert ist, A.6.13 • Verbesserung der Betriebssicherheit durch Vermeidung Glossar von Beeinträchtigungen der Ablaufqualität durch Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schlammabtrieb, Die für das Membranbelebungsverfahren besonders bedeutsamen Begriffe werden nachfolgend kurz beschrie- • Reduktion der organischen Restverschmutzung, 338 ben. Anhang Arbeitsdruck Filtrat Der Arbeitsdruck ist erforderlich, um eine Filtrationsleis- Teil des Stoffgemisches, der bei der Mikro- und Ultrafil- tung zu erzielen. Der Arbeitsdruck setzt sich zusammen tration die Membran passiert (siehe auch Permeat). aus: Fluss (engl.: flow) • Transmembrandruck und Volumen pro Zeiteinheit • Leitungsverlusten. Flux (engl.: flux oder permeate flux) Der Arbeitsdruck wird üblicherweise als Differenz zwi- spezifischer Filtratvolumenstrom je Flächen- und Zeitein- schen der Saugseite der Pumpe/Regelarmatur und dem heit (je m2 Membranfläche, je Stunde), Einheit [l/(m2 h)] Umgebungsdruck unter Berücksichtigung der Wasserspiegellage (siehe auch Transmembrandruck). F = Biofouling QF AM 1 = AM ∆VF ∆t [ l m 2 h ] Ausbildung eines Biofilms auf der Membranoberfläche vF = Permeatflux (l/(m2 h)) nismen; Biofouling bewirkt eine Leistungs- bzw. Permea- QF = Permeatvolumenstrom (l/h) bilitätsminderung (siehe auch Fouling und Scaling). AM = Membranfläche (m2) oder in der Membran durch Wachstum von Mikroorga- Brutto-Permeatflux mit: Bei stationären Verhältnissen errechnet sich der Permeatflux aus dem Permeatvolumenstrom (QF) bezogen auf die aktueller Permeatflux während der Filtrationsphase eines Membranfläche (AM). Bei instationären Verhältnissen Zyklusses (siehe Abbildung A-17 und Netto-Permeatflux). kann nur ein mittlerer Permeatflux angegeben werden. Dieser wird durch Wahl eines genügend großen Zeitinter- Crossflow valls (∆t) und des zugehörigen Permeatvolumens (∆VF) ermittelt. Der Begriff Crossflow stammt aus dem Bereich der im Druckrohr betriebenen trocken aufgestellten Membransys- Fouling teme. Bei diesem Prozess werden die Membranen überströmt (Querströmung = Crossflow), um die Deckschicht- allgemein: Ablagerung von Stoffen auf der Membran, an bildung auf der Membranoberfläche zu begrenzen. Bei oder in den Poren. Je nach foulingverursachenden Stof- Membranbelebungsanlagen mit getauchter Membranfil- fen wird unterschieden nach organischem Fouling, anor- tration entsteht durch die eingetragene Luft (üblicher- ganischem Fouling und Bio-Fouling unterschieden. Fou- weise grobblasig) eine Querströmung an der Membran- ling bewirkt immer eine Leistungs- bzw. Permeabilitäts- oberfläche, die ebenfalls als Crossflow bezeichnet wird verminderung der Membran (siehe auch Biofouling und und der Deckschichtkontrolle dient. Die Wirkmechanis- Scaling). men unterscheiden sich jedoch aufgrund der Zweiphasenströmung deutlich von dem Prinzip des klassischen Konzentrat Crossflow-Betriebes innendurchströmter Druckrohrsysteme. Teilstrom des Stoffgemisches, in dem der von der MemDeckschicht bran zurückgehaltene, belebte Schlamm aufkonzentriert ist und der üblicherweise als Rücklaufschlamm in das Be- Anlagerung der an der Membranoberfläche zurückgehal- lebungsbecken zurückgeführt wird (siehe Abbildung A-15). tenen Komponenten. 339 A A Anhang Membran Permeabilität Barriere, die bei Membranbelebungsanlagen den Partikel- Kenngröße zur Beschreibung der Durchlässigkeit einer rückhalt bewirkt. Membran. Quotient aus dem Brutto-Permeatflux und dem Transmembrandruck; Einheit: [l/(m2 h bar)]. Die Membranfläche A M Permeabilität sollte auf eine Bezugstemperatur korrigiert werden, um die Vergleichbarkeit von Angaben zu verbes- Für den Filtrationsprozess zur Verfügung stehende Mem- sern. branoberfläche: Lp innen durchströmte Systeme: Innenfläche, bei rohrför- = migen Systemen definiert durch den Innendurchmesser; Vp ∆pTM [ l m 2 h bar ] außen umströmte Systeme: Außenfläche, bei rohrförmigen Systemen definiert durch den Außendurchmesser. mit: vP = Brutto-Permeatflux ∆p TM = Transmembrandruck Modul anschlussfertige, funktionsfähige Anlagenkomponente (l/(m2 h)) (bar) Permeat bestehend aus Teil des Stoffgemisches, der bei der Nanofiltration und Umkehrosmose die Membran passiert (siehe auch Filtrat). • Membranen bzw. Membranelementen, • interne Rohrleitungen, • Modulbelüftung, Anmerkung: Obwohl es sich gemäß den verwendeten • Armaturen, Anschlussteile, Membranporendurchmessern beim Membranbelebungs- • sonstige Halterungen. verfahren in der kommunalen Abwasserreinigung um eine Mikro- bzw. Ultrafiltration handelt, hat sich – entgegen der formalen Definition – in der Praxis, in der Netto-Permeatflux Literatur und in den Fachdiskussionen der Begriff Permeat Der tatsächlich im Dauerbetrieb erzielbare spezifische etabliert. Dies soll durch diesen 2. Arbeitsbericht nicht Permeatflux, der in einem Zyklus der Membrananlage verändert werden. erreicht wird [l/(m2 h)]; zu berücksichtigen sind: • Filtrationspausen, • Rückspülzeiten, Schaltzeiten und • die für die Rückspülung benötigte Permeatmenge. Für die Reinigung benötigte Betriebspausen sowie Permeatmengen sind bei der konzeptionellen Planung zu berücksichtigen. Netto – Permaflux = 340 Permeatatmenge während eine Zyklusses [ l ] – Rückspülverluste [ l ] Zykluszeit [ h ] Membranfläche [ m 2] [ l m 2 h ] Anhang Porendurchmesser Die Poren bei Porenmembranen sind in der Regel nicht uniform, d. h. sie weisen eine mehr oder weniger starke Porengrößenverteilung auf. Als nominaler Porendurchmesser (Einheit i. d. R. [µm]) wird der Porendurchmesser bezeichnet, bei der die Porengrößenverteilung ein Maximum aufweist (nach RAUTENBACH, „Membranverfahren“, Springer-Verlag). Der maximale Porendurchmesser kann mit der Blasendruckmethode (bubble point) nach DIN 58 355, Teil 2, ermittelt werden, bei der festgestellt wird, welcher Druck erforderlich ist, um die ersten Luftblasen durch die Membran hindurchzupressen. Der maximale Porendurchmesser ist dann über eine Formel zu errechnen. Rückspülung Intervallweise, kurzfristige Umkehrung der Strömungsrichtung durch die Membran zur Ablösung der beim Filtrationsvorgang angelagerten „Partikel“ (Deckschicht), i. a. R. mit Permeat. Scaling Ablagerung anorganischer Wasserinhaltsstoffe an der Membran nach deren Ausfällung (siehe auch Fouling und Biofouling). Transmembrandruck, transmembraner Druck ∆p TM Druckunterschied bzw. Druckverlust über die Membran (zwischen Außen- und Innenseite der Membran); engl.: transmembrane pressure; abgekürzt: TMP (siehe auch Arbeitsdruck). Zyklus Zeitliche Summe aus Filtrationsphase und anschließender Rückspülphase bzw. Stillstandsphase (siehe Abbildung A-17). 341 A A Anhang A.6.14 Engelhardt, E., Rothe, J. (2001): Sind großtechnische Literaturverzeichnis Membrankläranlagen wirtschaftlich? Erkenntnisse aus Anlagenbetrieb und Planung, 4. Aachener Tagung Sied- ATV-DVWK (2000a): Arbeitsblatt A 131, Bemessung von lungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, Ü3, einstufigen Belebungsanlagen, GFA, Hennef ISBN 3-921955-25-4, Aachen ATV-DVWK (2000b): Membranbelebungsverfahren, Erftverband (2001): Weitergehende Optimierung einer 1. Arbeitsbericht des ATV-DVWK-Fachausschusses KA-7, Belebungsanlage mit Membranfiltration; Zwischenbericht Korrespondenz Abwasser, Nr. 10 über das Pilotprojekt an das MUNLV ATV-DVWK (2002): Arbeitsbericht der AG IG-5.4 : Endo- Frechen, F.-B.; Schier, W.; Wett, M. (2001): Membranfil- krin wirksame Substanzen in Kläranlagen – Vorkommen, tration zur Ertüchtigung von Kläranlagen in Hessen; Verbleib und Wirkung. Deutsche Vereinigung für Wasser- Begleitbuch zur 4. Aachener Tagung Siedlungswasserwirt- wirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef, ISBN 3- schaft und Verfahrenstechnik, A3, ISBN 3-921955-25-4, 936514 -18-6 Aachen ATV-DVWK (2003): Arbeitsblatt A 198, Vereinheitlichung Frechen, F.-B.; Schier, W.; Wett, M. (2003): Ertüchtigung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseran- kommunaler Kläranlagen durch den Einsatz der Mem- lagen, GFA, Hennef branfiltration; 5. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, A2, ISBN 3-921955-28-9, Bahrs, et al. (1994): Stabilisierungskennwerte für biologi- Aachen sche Stabilisierungsverfahren; Arbeitsbericht der ATV/BDE/VKS-Arbeitsgruppe 3.1.1, Korrespondenz Ab- Universität Kassel, Fachgebiet Siedlungswasserwirt- wasser, 41. Jg., Heft 3 schaft (2004): Membranfiltration in Hessen, Teil 1; Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft Böhnke, B.; Bischofsberger, W.; Seyfried, C.F. der Universität Kassel, Band 23 (in Druck) (Herausgeber), (1993): Anaerobtechnik, Handbuch der anaeroben Behandlung von Abwasser und Schlamm; Gnirß, R., Lesjean B., Buisson H., Adam C., Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg, 1993, ISBN 3-540- Kraume M. (2003): Enhanced biological phosphorus 56410-1 removal with postdenitrification in membrane bioreactor. Proceedings of the Membrane Technology Conference of Churchhouse, S; Wildgoose, D. (2000): Membrane Bio- the AWWA in Atlanta, 3-5. March, 2003. reactors Hit the Bid Time – From Lab to Fulls Scale Applications, 3. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft Gnirß, R., Lesjean B., Buisson H., Zühlke S., Dünnbier und Verfahrenstechnik, B12, ISBN 3-921955-24-6, U. (2003): Kosteneffektive Abwasserreinigung mit dem Aachen Membranbelebungsverfahren für dezentrale Standorte. Proceedings für Wasser Berlin2003, Veranstaltung KWB – Cornel, P.; Wagner, M.; Krause, S. (2001): Sauerstoffein- „Forschung für die Zukunft“ trag in Membranbelebungsanlagen; 4. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, ISBN3- Gujer, W.; Henze, M.; Takahashi M.; van Loosdrecht, 921955-25-4, Aachen M. (1999): Activated sludge model No. 3., IWA Scientific and Technical Report No. 1, IWA Task Group on Mathe- Dichtl, N.; Kopp, J. (1999) matical Modelling for Design and Operation of Biological Entwässerungsverhalten von Klärschlämmen aus Anlagen Wastewater Treatment, Water Science and Technology, mit Membranfiltration, WAP, Nr. 1 Vol. 39 (1), pp 183 – 193. 342 Anhang Hegemann W., Busch K., Spengler P. und Metzger J.W. Rosenwinkel, K.-H.; Wichern, M. (2002): Bemessung (2002): Einfluss der Verfahrenstechnik auf die Eliminie- von Sauerstoff- und Überschussschlammanfall für die rung ausgewählter Estrogene und Xenoestrogenen in Membranbelebung auf Basis des ATV-DVWK-A 131 Kläranlagen – ein BMBF Verbundprojekt; GWF Wasser (2000); Wasserwirtschaft · Abwasser · Abfall 05/2002, Abwasser 143 Nr. 5 S. 640 – 647 Henze, M.; Grady, C.P.L.; Gujer, W.; Marais, G.v.R.; Schier, W. (2003): Ein exemplarischer Ansatz zur Einbin- Matsuo, T. (1987): Activated sludge model No. 1, dung neuer Bemessungswege und neuer Reinigungstech- IAWPRC Scientific and Technical Report No.1, IAWPRC nologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen; Schrif- Task Group on Mathematical Modelling for Design and tenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Operation of Biological Wastewater Treatment Universität Kassel, Band 22 Henze, M.; Gujer, W.; Mino, T.; Matsuo, T.; Wentzel, M. Stein, S.; Kerklies, G. (2003): Betriebserfahrungen mit C.; Marais, G. v. R.; van Loosdrecht, M. (1999): unterschiedlichen Membrantechniken ZeeWeed ® und Activated sludge model No. 2d, Water Science and Tech- VRM ®; 5. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft nology, Vol. 39 (1), pp 165 – 182 und Verfahrenstechnik, A6, ISBN 3-921955-28-9, Aachen Mörgeli, B. (2001): Die Sensation ist perfekt; 4. Aachener Wagner, J.; Rosenwinkel, K.-H. (2001): Einfluss gelöster Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstech- Stoffe auf den Sauerstoffeintrag in Membranbelebungsan- nik, A7, ISBN 3-921955-25-4, Aachen lagen, 4. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, A15, ISBN 3-921955-25-4, Aachen N. N. (1999): Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung; Herausgeber: Wedi, D. (2002a): Pilotprojekt Abwasserentsorgung Gai- Fachgruppe Wasserchemie der Gesellschaft Deutscher lachtal, Technisch-wissenschaftliche Begleitung der Mem- Chemiker, Normenausschuß Wasserwesen (NAW) Deut- branfiltration Kläranlage Monheim, 3. Zwischenbericht, schen Institut für Normung e. V., 45. Lieferung 1999, Bay. Landesamt für Wasserwirtschaft, unveröffentlicht Verlag VCH, Weinheim Wedi, D. (2002b): Membrananlagen zur kommunalen ÖWAV (2002): Informationen zum Membranbelebungs- Abwasserreinigung, Verfahren, Auslegungen und Kosten, verfahren, ÖWAV-Arbeitsbehelf Nr. 30 13. Magdeburger Abwassertage, 10./11. Oktober 2002, Verlag Mainz, ISBN 3-89653-978-7 Arbeitsbehelfe des Österreichischen Wasser- und Abfallwirtschaftsverband, Wien Wedi, D. (2003): Wirtschaftlichkeit des Membranbelebungsverfahrens, ATV-DVWK Membrantage, 1./2. Juli Rat der Europäischen Gemeinschaft (1976): EG-Richtli- 2003 in Bonn nie 76/160/EWG über die Qualität der Badegewässer vom 08. Dezember 1975 Rautenbach, R.; Voßenkaul, K.; Melin, T.; Ohle, P. (2000): Perspektiven der Membrantechnik bei der Abwasserbehandlung; Begleitbuch zur 3. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik, A25, ISBN 3-921955-24-6, Aachen 343 A A Anhang A.7 Großtechnisch realisierte Membrananlagen zur Trinwasseraufbereitung in Deutschland Ort Neckarburg Kapazität m3/h 70 Rohwasser Karstquelle Inbetriebnahme 9’1998 Hersteller Aqua-source Membranverfahren UF Hermeskeil 140 Quelle u. Prims Talsperre 2’1999 X-Flow UF Sundern 250 Sorpe Talsperre 3’2001 X-Flow UF Marmagen 45 Karstquelle 3’2001 Zenon UF Denkingen 15 Karstquelle 6’2001 X-Flow UF Neustadt, Saale 70 Fluss 7’2001 X-Flow UF Olpe, Elspetal 80 Bach/Quelle 8’2001 X-Flow UF Calw, Hirsau 50 Quelle 3’2001 X-Flow UF Jachenhausen 72 Karstquelle 8’2002 Inge UF 35 Karstquelle 11’2002 Inge UF X-Flow UF Partenstein Olef 750 Olef Talsperre 1’2003 Regnitzlosau 27 Brunnen 1’2003 Zenon UF Bad Herrenalb 36 Pelzkappenquelle 2’2003 X-Flow UF Kandern 50 Quelle 3’2003 X-Flow UF Lauterhofen 90 Brunnen 5’2003 X-Flow UF 80 Brunnen 6’2003 Zenon UF Quelle 6’2003 Zenon UF Miltenberg Waldberg Burglauer 210 30 Brunnen 7’2003 Inge UF Bad Kissingen 120 Brunnen 11’2003 Inge UF Heinrichsthal 13 Brunnen 11’2003 Inge UF Sulzbach-Lauf. 36 Quelle 12’2003 X-Flow UF Bad Ditzenbach 22 Quelle 12’2003 X-Flow UF Günterstal 60 Quelle 1’2004 PALL UF Fellen 18 Quelle 1’2004 Inge UF Gaggenau 15 Quelle 4’2004 Inge UF 18 Quelle 4’2004 X-Flow UF in Bau X-Flow UF Bad Herrenalb Roetgen 344 6.000 Talsperre Anhang A.8 Glossar Schlagwort Erläuterung Abwasserfreier Betrieb Kreislaufschließung, bei der keine Emissionen durch Abwasser entstehen. Für Membranverfahren bedeutet das, dass sowohl das Permeat als auch das Konzentrat wiederverwendet werden können. Ausbeute Verhältnis von produziertem Permeat (Filtrat) zur eingespeisten Rohwassermenge. Crossflow-Filtration/ Betriebsweise: Der Feedstrom überströmt die Membranoberfläche parallel. Dynamische Filtration Dead-End-Filtration/ Betriebsweise: Die Membranoberfläche wird orthogonal mit dem Feedstrom beaufschlagt. Statische Filtration Deckschicht Feedseitige Anlagerung der von der Membran zurückgehaltenen Komponenten an der Membranoberfläche. Deckschichtkontrollierte Filtration Die Höhe und Dichte der Deckschicht kann durch den angelegten Druck und die Überströmgeschwindigkeit beeinflusst werden, so dass die Filtereigenschaften der Deckschicht dadurch gezielt genutzt werden können. Dalton [D] Einheit für das Molekulargewicht. Dynamische Filtration Siehe Crossflow-Filtration. End-of-pipe-Maßnahmen Maßnahmen zur Reduzierung entstandener Emissionen am Ende einer Verfahrenskette. Feed Zu behandelndes Stoffgemisch im Zulauf (Rohlösung bei flüssigen Stoffgemischen). Feed-and-Bleed-Struktur Schaltungsvariante von Modulen: Das Konzentrat aus dem vorgeschalteten Modul wird jeweils in den Feed-Volumenstrom des nachgeschalteten Moduls geführt. Filtrat, Permeat Teil des Stoffgemisches, der die Membran passiert. Fluss (flächenspezifischer) oder Flux Auf die Membranfläche bezogener Filtrat- bzw. Permeatvolumenstrom. Durchsatz durch die Membran. Einheit [ l/(m2 h)]. Fouling Deckschichtbildung auf der Membran durch organische Bestandteile, die zu einer Abnahme der Filtrationsleistung führt. Irreversibles Fouling Fouling, welches sich durch Rückspülungen bzw. Spülungen und chemische Reinigungen nicht mehr entfernen lässt. Konzentrat Teilstrom des Stoffgemisches, welcher von der Membran zurückgehalten wird bzw. aus dem Feedstrom abgetrennt wird. Leistungsfähigkeit Flächenspezifischer Permeatfluss einer Membran unter definierten Betriebsbedingungen. Lösungs-Diffusions-Membranen Membranen, die eine unterschiedliche Löslichkeit und Diffusivität der Stoffkomponenten zur Trennung nutzen, (LDM) Umkehrosmose- und Nanofiltrationsmembranen. Membran Selektive Barriere zwischen zwei Phasen unterschiedlicher Konzentration [RAUTENBACH 1997]. Modul Anschlussfertige, funktionsfähige Anlagenkomponente, bestehend aus Membran bzw. Membranelementen, Druckbehälter und modulspezifischen Apparateteilen [MARQUARDT 1998]. Nährstoffelimination Abbau bzw. Elimination von Stickstoff- und Phosphorverbindungen. Nominaler Porendurchmesser Porengröße, die als Maximum in der Porengrößenverteilung (einer Membran) auftritt. Parallelschaltung Modulschaltung, bei dem der Feedstrom auf zwei oder mehr Module aufgeteilt wird. Permeabilität Größe zur Beschreibung der Durchlässigkeit einer Membran. Quotient aus dem flächenspezifischen Fluss und dem transmembranen Druck. Einheit: [ l/(m2 h bar]. Permeat, Filtrat Teil des Stoffgemisches, der die Membran passiert. Porenmembranen Membranen, bei denen die Trennung auf einem Siebeffekt beruht, der durch Deckschichtbildung verbessert werden kann, Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen. Reihenschaltung Modulschaltung: Der Konzentratstrom eines Moduls dient als Feedstrom des folgenden Moduls. Das Permeat der einzelnen Module wird zusammengeführt. Retentat/Konzentrat Teilstrom des Stoffgemisches, der durch die Membran zurückgehalten wird. Rezirkulation Rückführung des Konzentratstroms bzw. eines Teils des Konzentratstroms in den Feedstrom. 345 A A Anhang Schlagwort Erläuterung Rückspülung Intervallweise, kurzfristige Umkehrung der Strömungsrichtung zur Ablösung der beim Filtrationsvorgang angelagerten „Partikel“ (Deckschicht), i. d. R. mit Filtrat. Scaling Durch anorganische Ausfällungen (Kristallisation) gebildete Beläge auf der Membran. Selektivität Fähigkeit einer Membran, zwischen den abzutrennenden Komponenten eines Stoffgemisches zu unterscheiden. Semi-Crossflow- oder Kombination von Dead-End- und Crossflow-Verfahren, z. B. durch Dead-End-Filtration mit diskontinuierlicher Semi-Dead-End-Verfahren membranparalleler Überströmung. Spülung Kurzzeitiger Betrieb mit klarem Wasser ohne Umkehrung der Permeationsrichtung. Statische Filtration Siehe Dead-End-Filtration. Stufe (Druckstufe) In sich funktionierende Einheit einer Membrananlage, bestehend aus Modulen, Pumpen, Ventilen usw. Tannenbaumstruktur Schaltungsvariante: Die Module innerhalb der in Reihe geschalteten Blöcke sind parallel geschaltet. Der Konzentratvolumenstrom wird dabei von Block zu Block weiter aufkonzentriert bzw. minimiert, die Permeatausbeute entsprechend gesteigert. Das Permeat wird in jedem Block abgezogen, wodurch sich der zu behandelnde Volumenstrom von Block zu Block reduziert. Transmembrane Druckunterschied bzw. Druckverlust über die Membran (von der Feed- bzw. Konzentratseite zur Permeatseite). Druckdifferenz Trenngrenze Die Trenngrenze einer Membran wird durch das sogenannte Cut-Off-Molekulargewicht angegeben. Hierunter ist die spezifische Masse eines Makromoleküls zu verstehen, welches zu 95% von der jeweiligen Membran zurückgehalten wird. Weitergehende Abwasserreinigung Ursprünglich: Behandlungsschritte, die über die Abtrennung absetzbarer Stoffe und die Kohlenstoffelimination hinausgehen. Heute werden darunter oftmals Maßnahmen, die über die Nährstoffelimination hinausgehen, zusammengefasst (z. B. Sandfiltration, Desinfektion, Stoffabtrennung und Aufbereitung mit Membrantechnik). Zwischenreinigung Dem (Rück-) Spülwasser werden Chemikalien wie z. B. Zitronensäure oder oxidierende Chemikalien (z. B. Hypochlorit) zugesetzt. 346 Anhang A.9 Abkürzungsverzeichnis Abkürzung Bedeutung AbwV Abwasserverordnung, Fassung vom 20. September 2001 AFS Abfiltrierbare Stoffe BB Belebungsbecken BSB5 Biochemischer Sauerstoffbedarf innerhalb von fünf Tagen CSB Chemischer Sauerstoffbedarf EW Einwohnerwert KA Kläranlage M Membranstufe MF Mikrofiltration MUNLV Ministerium für Umwelt- und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW NF Nanofiltration NK Nachklärbecken Pges Gesamtheit der Phosphorverbindungen (Einheit: mg/l) Qd Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter Qt Maximaler Trockenwetterzufluss als 2h-Mittel bei Trockenwetter RE Rechen RO Umkehrosmose (engl.: Reverse Osmosis) SFF Sand-/ Fettfang TS Trockensubstanz: der TS-Gehalt entspricht der Biomassekonzentration (Einheit: g/l) UF Ultrafiltration UO Siehe RO VK Vorklärbecken WHG Wasserhaushaltsgesetz 347 A 348 349 350 ISBN 3-939377-00-7 ISBN 978-3-939377-00-9