Membrantechnik für die Abwasserreinigung

Transcription

Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen
Membrantechnik für
die Abwasserreinigung
Institut für
Siedlungswasserwirtschaft
der RWTH Aachen
Siedlungswasser- und Siedlungsabfallwirtschaft Nordrhein-Westfalen
Membrantechnik für
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
Herausgegeben von:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp
Institut für Siedlungswasserwirtschaft
Abteilungsleiter
der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule Aachen (ISA , RWTH Aachen)
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
Mies-van-der-Rohe-Straße 17
Abteilungsleiter
52074 Aachen
Telefon: +49 (0) 241- 80 2 68 25
Dr.-Ing. Viktor Mertsch
Telefax: +49 (0) 241- 87 09 24
Abwasserbeseitigung und Abwassertechnik
E-Mail: verlag@fiw.rwth-aachen.de
ISBN
3-939377-00-7
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
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Telefax: +49 (0) 6 21 - 10 29 91
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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,
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RBD A. Schmidt, Prof. Dr. W. Schmidt, S. Tenkamp,
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Dr. K. Zimmermann
Herstellung
Greiserdruck GmbH & Co. KG
Begutachtung der 1. Auflage 2003:
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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
150
2.4.2
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
241
Gesamtansicht der Membranbelebungsanlage der TBA in Bayet [Foto: ZENON GMBH 2004]
241
17
1
1
Abb. 3-58
Container mit eingebauten Modulen bei SARIA Bio-Industries in Bayet
[Foto: ZENON GMBH 2004]
Abb. 3-59
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
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
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
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
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
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
1
1
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
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)
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
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
Nanofiltration
Umkehrosmose
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
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)
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-
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
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
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-
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
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
31
1
1
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
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)
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
2)
Aus dem Engl. „reverse osmosis“
32
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
• 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
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
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
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
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
1.8
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
Abb. 2-4
Vergleich der Keimbelastung im Ablauf von Kläranlagen [BAUMGARTEN, BRANDS 2002]
konventionelle Kläranlage
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
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
2.1.2
Kapillarmodul der Fa. ZENON, Kanada
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
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
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
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
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
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
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
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
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]
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Variobecken
Rezirkulation (RZ)
102
vierstraßige
Membranstufe mit
Nitrifikation
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
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
Siebanlage
3 mm
Denitrifikation
Membranstufe
Nitrifikation
Vorfluter
Rezirkulation (RZ)
Denitrifikation
Membranstufe
Nitrifikation
Rezirkulation (RZ)
104
Gebläsestation
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
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
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
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
Grobschlamm
Voreindicker
Filtrat
Faulturm
Faulturm
Membranstufe
Nacheindicker
Trübwasser
Speicher
Kammerfilterpresse
Schlammwasser
autotrophe
Nitritation Deammonifikation
Filtrat
Rezirkulation (RZ)
107
2
2
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)
Voreindicker
Filtrat
Faulturm
Faulturm
ggf.
Trübwasser
Nacheindicker
Trübwasser
Speicher
Zentrifuge
Membranstufe
Zentratwasser
Prozesswasser
Nitrifikation
Denitrifikation
Rezirkulation (RZ)
108
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
Tab. 2-13
Mindestanforderungen, Einleiterlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Monheim
[BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT 2004]
Parameter
Einheit
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
Tab. 2-14
Mindestanforderungen, Einleitungserlaubnis und Betriebswerte der Kläranlage Markranstädt
[STEIN 2002a]
Parameter
Einheit
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Feinsieb
1 mm
Membranstufe
Denitrifikation
Nitrifikation
Rezirkulation (RZ)
126
Gebläsestation
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
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
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
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
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
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
Sandfang
Siebanlage
0,5 mm
130
Vorfluter
Nitrifikationsbecken
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
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
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
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
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]
Zulauf
Feinrechen
3 mm
Sandfang
Vorklärbecken
Nitrifikation
Nachklärbecken
Rezirkulation (RZ)
Nitrifikation
Nachklärbecken
Ablauf
Rezirkulation (RZ)
Membranstufe
Vorfluter
Zulauf
Feinrechen
3 mm
Sandfang
Vorklärbecken
Nitrifikation
Rezirkulation (RZ)
Bestand
Erweiterung
135
2
2
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Ableitung bzw.
Spülwasser
Schwarzwasser
Gebläsestation
148
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
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
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
(filtratseitig)
u. Druckluft (feedseitig)
u. Druckluft (feedseitig)
(transmembran)
1)
Polypropylen
150
2)
Polyacrylnitril
3)
Polyvinyldiflourid
4)
Polyethersulfon
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
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)
Vorlage
ÜSS
Filter
Brauchwasser
zur Kühlung
des BHKW
152
Ultrafiltration
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
Konzentrat
Aktivkohle
Permeatspeicher
153
2
2
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
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
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
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)
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
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
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
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
Gebläsestation
Kraftwerk
Nachklärbecken
Gebläsestation
Zusatzwasser
Gebläsestation
159
2
2
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
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
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
Nach Ermittlung der erforderlichen Volumina unter Be-
2.5.3
rücksichtigung der verschiedenen Bemessungskriterien
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
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
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
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
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
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
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
Faserindustrie
• Wertstoffrückgewinnung (ZnCl2)
(z. B. Vulkanfiber)
• Prozesswasseraufbereitung
Textilindustrie
• Rückgewinnung von Schlichten und Indigofarbstoffen
• Abtrennung von Farbpigmenten
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
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
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
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
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
...
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
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
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
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
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
Tab. 3-3 (Fortsetzung)
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
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
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
3.5.1.1
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Abb. 3-11
Verfahrensschema der Abwasserbehandlungs- und -aufbereitungsanlage bei Drews Meerane GmbH
Abwasserbehandlungsanlage
Lamellenseparator
Anaerobreaktor
Aerobreaktor
Brunnenwasser
Abwasserbehandlungsanlage
Rezirkulation (RZ)
Membranstufe
Lamellenseparator
Anaerobreaktor
Abfluss zur
kommunalen
Kläranlage
Aerobreaktor
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
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]
189
3
3
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
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
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
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
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
3.5.6
UF
Kunststoffindustrie, Troplast
Membranverfahren
Ultrafiltration
Inbetriebnahme
1998
Ziele
Kreislaufführung von produktberührtem Kühlwasser
Membranfläche
38 m2
Module
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
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
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
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
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
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
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
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
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]
3.5.8.2
UF
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
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
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
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
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
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
3.5.9
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
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
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.
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
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
Pges
mg/l
8
< 2 mg/l
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
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
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
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
(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)
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
3.5.11.1.1
UO
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
wasserund 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
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
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
3.6.1
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
Abb. 3-43
Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Kellogg Company in Manchester
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
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]
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
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
Abb. 3-47
Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei Dairygold Food Products, Irland
Deni-/Nitrifikationsbecken
Nachklärbecken
Rezirkulation (RZ)
Membranstufe
Zulauf
Vorfluter
Saisonbetrieb
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
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
Abb. 3-49
Verfahrensschema der Abwasserbehandlung bei Diary Crest, Großbritannien
Nachklärbecken
Rezirkulation (RZ)
Flotation
Puffer
Vorfluter
Membranstufe
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
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
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
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
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
wasserund 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
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
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
Abb. 3-56
Verfahrensschema der Membranbelebungsanlage bei SA-RIA Bio-Industries in Bayet
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]
241
3
3
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
Abb. 3-59
Verfahrensschema der Abwasserbehandlungsanlage bei der Firma TIRME, Spanien
Belebungsbecken
Feinstsieb
200 µm
Denitrifikation
Nitrifikation
Zur MBA
Zulauf
Rezirkulation (RZ)
Vorfluter
ÜSS
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
244
Richtlinien und Normen
in der Membrantechnik
4
4
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
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
248
5
5
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
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
252
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1.431; Teil 2, Korrespondenz Abwasser, Jg. 49, Nr. 11,
Aggerverband (2002): persönliche Mitteilung von
S. 1.563 – 1.571.
Herrn Wozniak, Aggerverband, Gummersbach.
Aggerverband (2004): persönliche Mitteilung von
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Schramberg, Schramberg.
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Stein, S. (2002a): Angaben zu Planungsdaten der Klär-
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persönliche Mitteilung, Januar 2002, Leipzig.
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Juni 2002, Leipzig.
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mann, M. (2004): Aufbereitung von gereinigtem Ab-
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wasser zu Rohwasser für die Trinkwasserversorgung in
Flandern (Belgien), Korrespondenz Abwasser, Jg. 51, Nr. 7,
S. 754 – 759.
261
6
6
VA TECH WABAG (2002): persönliche Mitteilung und
Weise Water Systems GmbH (2004): persönliche
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Metelmann.
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Korrespondenz Abwasser, Jg. 48, Nr. 8, S. 1.092 – 1097.
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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
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
Industriezweig
Unternehmen
Industriezweig
Unternehmen
Lebensmittel
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
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
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,
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: foerderberatung@bmwi.bund.de
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
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)
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
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
Initiative ökologische und nachhaltige
Wasserwirtschaft in NRW
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
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
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: bruno.julien@cec.eu.int
• 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: luis.riera-figueras@cec.eu.in
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
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
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
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
…
4
Versuche auf verschiedenen Maßstabsebenen
Vorversuche
Laborversuche
Membranauswahl
Pilotversuche
Anlagenplanung
…
5
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
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
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
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
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
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
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
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
Membrankläranlagen wirtschaftlich? Erkenntnisse aus
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ISBN 3-921955-25-4, Aachen
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Korrespondenz Abwasser, Nr. 10
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Frechen, F.-B.; Schier, W.; Wett, M. (2001): Membranfil-
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Verbleib und Wirkung. Deutsche Vereinigung für Wasser-
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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
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342
Anhang
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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

Membrantechnik für die Abwasserreinigung

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