Projekt 19375/01

Entwicklung und Erprobung eines Filtrationsmoduls auf Basis einer membranbeschichteten Betonplatte zum Einsatz in der Abwasserbehandlung

Projektträger

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule(RWTH) AachenInstitut für Siedlungswasserwirtschaft
Templergraben 55
52056 Aachen
Telefon: 0241/80-266624

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Erfahrungen mit dem Betriebsverhalten getauchter Membranmodule und die bislang geringe Anzahl technisch eingesetzter Systeme in der Abwasserreinigung lassen den Schluss zu, dass ein Spielraum für Weiterentwicklungen gegeben ist. Diese sollten eine Erhöhung der Betriebsstabilität, eine Verringerung der Betriebskosten und geringere Investitionen zum Ziel haben.
Daher waren die wesentlichen Ziele des Projektes die Entwicklung eines kostengünstigen Membranmoduls durch die Verwendung eines recyclebaren Membranträgers aus Beton, Reduzierung der Betriebs-kosten durch eine Verringerung des notwendigen Energiebedarfs für die Überströmung der Membranflächen, Reduzierung von Betriebsstörungen durch Verblockungen der Membranoberflächen.
Die Entwicklung sollte mit der Fertigung mehrerer Prototypen abgeschlossen werden, die danach einem Praxistest mit Belebtschlamm-Wasser-Gemischen unterzogen werden sollten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Vorhabens wurde ein neuartiges Membranmodul entwickelt. Hierbei diente als Draina-gematerial ein mit Polymeren gebundener Splitt und als Trägermaterial ein poröser Beton, auf den eine Membranschicht aufgebracht wurde. Durch die flächige Fixierung der Membranfläche wird eine Rückspülbarkeit des Platten-Membran-Moduls erzielt, die eine Erhöhung und Verlängerung der Membranleistung bzw. eine Senkung der Kosten für die aufzubringende Überströmungsenergie erwarten ließ.
Im Rahmen des Projektes sollten nach Abschluss der Entwicklungsphase mehrere Prototypen dieser Membranmodule hergestellt werden. Daran sollte sich eine mehrmonatige Testphase anschließen, in welcher das Modul auf die Eignung zur Abwasserbehandlung zu prüfen und ggf. zu optimieren war. Schwerpunkt der praxisnahen Untersuchungen sollte die Ermittlung der Leistungsdaten der Membran beim Einsatz zur Trennung von Belebtschlamm-Wasser-Gemischen bilden. Hierzu waren Voruntersuchungen mit Klarwasser zur Bestimmung der Leistungsaufnahme der Membranmodule im Originalzustand, der Normalbetrieb mit Belebtschlamm-Wasser-Gemischen, der Betrieb im geringen bis mittleren hydraulischen Belastungsbereich, um in Abhängigkeit von der Leistung im Vergleich zu bestehenden Systemen eine Modifikation der Anströmung des Moduls vorzunehmen, der Leistungsbetrieb mit Belebtschlamm-Wasser-Gemischen, die Erhöhung der Flüsse in den hohen Belastungsbereich, der sich aus den Leistungsdaten des vorangegangenen Untersuchungsabschnitts ergibt, die chemische Reinigung der Module, um Ablagerungen auf bzw. in der Membran, die im Zuge des Betriebs zu Leistungsverlusten führen, in situ zu beseitigen, sowie Nachuntersuchungen mit Klarwasser zur Bestimmung der Leistung der Membranmodule nach dem Einsatz vorgesehen. Des Weiteren sollte die Recyclefähigkeit des Membranträgers durch die Erneuerung der Membranbeschichtung überprüft werden.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden zunächst Versuche an unbeschichteten Betonkörpern durchgeführt, um die grundsätzliche Eignung des Materials zu testen. Weitere Untersuchungen an verschiedenen beschichteten Modulen zeigten, dass bzgl. des Auftrages und des Verbundes weiterer Entwicklungsbedarf besteht. Die bei der Herstellung der Module aufgetretenen Schwierigkeiten konnten soweit gelöst werden, dass letztlich ein funktionsfähiges Modul für Untersuchungen mit Klarwasser und Belebtschlamm zur Verfügung stand. Bei einem Einsatz des Moduls im Teststand konnten mit Klarwasser ca. 15 L/(m²·h·bar) und mit Belebtschlamm 10 - 12 L/(m²·h·bar) im Dauerversuch erreicht werden Der gemessene Transmembrandruck lag bei allen Versuchen im Bereich von 0,6 bis 0,7 bar, ohne dass ein Unterschied zwischen Belebtschlamm oder Klarwasser erkennbar war.

Eines der Hauptprobleme bei der Modulherstellung besteht darin, dass durch die Verwendung von bis zu drei unterschiedlichen Zementsorten für den porösen Innenkern, für die poröse Membranstützschicht und für die wasserdichte Rückseite des Moduls und die damit verbundenen Spannungen infolge des un-terschiedlichen Hydratationsverhaltens eine ebene Oberfläche nur schwer herzustellen ist. Die Memb-ranbeschichtung konnte demzufolge nicht in konstanter Dicke aufgetragen werden, um eine gleichmäßi-ge Durchlässigkeit zu erreichen.

Die guten hydraulischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten konnten im Moduldesign nicht konserviert werden. Der limitierende Faktor der hydraulischen Leistungsfähigkeit scheint demnach im Mo-duldesign selber zu liegen.

Die Ergebnisse der 1. Projektphase veranlassten die DBU, die Einbindung eines Betonherstellers als Voraussetzung zur Weiterführung des Projektes zu fordern, was aber im Laufe von zwei Jahren nicht gelang. Daher wurde das Vorhaben vorzeitig beendet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Vorhaben wurde bei der 5. Aachener Tagung Siedlungswasserwirtschaft und Verfahrenstechnik 2003 auf einem Poster vorgestellt.
Die in der 1. Phase erzielten Ergebnisse wurden nicht weiter publiziert.


Fazit

Im nun beendeten Projekt wurde eine neuartige Verbindung von Mikrofiltrationsmembran auf PES-Basis und einem zementgebundenen, porösen Trägermaterial entwickelt. In Versuchen konnte eine grundsätzliche Eignung zur Mikrofiltration festgestellt werden, die auch die Option eines Einsatzes in der Abwasserreinigung bietet.

Die Erkenntnisse aus der Entwicklungsarbeit wurden in der Herstellung mehrerer halbtechnischer Prototypen in Form von beidseitig und einseitig beschichteten Plattenmodulen umgesetzt. Die Probleme, die bei der Herstellung und der Beschichtung nicht völlig planer Betonkörper auftraten, zeigen, dass noch ein geeignetes Beschichtungsverfahren zur Aufbringung der Polymerlösung auf den Betonträger zu entwickeln ist und die Herstellung der Betonträgerkörper verbesserungswürdig ist.

Dies und die Ergebnisse der 1. Phase veranlassten die DBU dazu, zur Herstellung und Optimierung der Trägerplatten die Einbindung eines Betonherstellers zu fordern. Dies ist bis Oktober 2005 nicht gelungen. Somit konnte noch nicht eine ausreichend große Membranfläche (ca. 1 m²) hergestellt werden, die in einem halbtechnischen Maßstab in praxisnahen Versuchen auf ihre Leistungsfähigkeit und ihr Verhalten im Hinblick auf den Einsatz von Reinigungschemikalien geprüft werden sollte.

Übersicht

Fördersumme

102.151,00 €

Förderzeitraum

25.03.2002 - 25.03.2004

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik