Projekt 21841/01

Erste Phase des Projektes Entwicklung eines Membranplattenmoduls auf Keramikbasis und Erprobung des praktischen Einsatzes im kommunalen Bereich sowie in abwasserintensiven Industriebranchen

Projektträger

ItN Nanovation GmbH
Untertürkheimer Str. 25
66117 Saarbrücken
Telefon: 0681-5001-459

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das zweiphasige Projekt diente der Entwicklung eines leistungsfähigen Moduls für große Abwasservolumenströme im industriellen und kommunalen Bereich. Das Modul sollte auf keramischen Flachmembranen basieren, die sowohl zu reinen Filtrationszwecken wie auch als Membranbioreaktor eingesetzt werden konnten. Die Vorteile der Keramik (langlebig, robust) sollten durch eine geeignete Modulkonstruktion und Betriebsweise so verknüpft werden, dass die Betriebskosten gesenkt werden und der Einsatz chemischer Reinigungsmittel weitestgehend reduziert wird. Schwerpunkte einer ersten Phase waren konzeptionelle Planung, Modulbau, Entwicklung geeigneter Steuerungskonzepte und die Ergebnisüberprüfung im Labor- und Pilotmaßstab.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie erste Phase beschäftigte sich mit konzeptionellen Arbeiten und der Vorbereitung erster Modulkonstruktionen. Die Funktionalität und Leistungsfähigkeit der Module wurde im Labormaßstab überprüft; es folgte eine Optimierungsphase. Nach Abschluss der Optimierungsarbeiten wurden vorhandene Pilotanlagen für getauchte Module auf das neue Keramikmodul umgerüstet, um Pilottests in der Lebensmittelindustrie (Gilde Brauerei Hannover) und chemischen Industrie (Stora Enzo Papierfabrik) durchzuführen. Parallel wurde das Modul mit Kooperationspartnern aus dem kommunalen Abwassersektor (KEN GmbH, WRH GmbH) getestet. Die Pilottests dienten der Überprüfung des Gesamtkonzeptes, Optimierung der Membran/Modulkombination und Anpassung der Mess-, Steuer- und Regeltechnik. Die Abwässer und Prozesswässer standen aufgrund ihrer Eigenschaften stellvertretend für viele Problemabwässer aus Verbrauchs- und Lebensmittel produzierenden Betrieben oder kommunalen Abwasserentsorgungsunternehmen mit bisher unbefriedigenden Konzepten. Die Datenauswertung der Industrie- und kommunalen Anlagen sollte um eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, die auch den umweltrelevanten Beitrag der zu entwickelnden Membransysteme verdeutlichen sollte, ergänzt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Im Projektrahmen wurden erstmalig keramische Membranplatten in Form getauchter Module zur Reinigung grossvolumenstromiger kommunaler und hochbelasteter industrieller Abwässer eingesetzt. Bei den Membran-Bioreaktor-Konzepten lagen die Ergebnisse bezüglich der Filtratqualität durchweg über den Erwartungen. Bei Transmembranddrücken zwischen 0,4 - 0,6 bar konnten bei vergleichsweise langen Rückspülintervallen ein mittlerer Nettofluß bis zu 40 l/m² h und kurzzeitig Maximalflüsse von 45 l/m² h bei der Belebtschlammfiltration erzielt werden. Damit könnten künftig unter Optimierung der Randbedingungen höhere Fluxwerte als in bislang großtechnisch betriebenen Membranverfahren erzielt werden. Reinigungsstrategien, die das hoch belastbare Material Keramik berücksichtigen, wurden entwickelt, wodurch die Modulleistung dauerhaft auf hohem Niveau bleibt. Interessant hierbei waren unter anderem die guten mechanischen Reinigungserfolge.
Im Hinblick auf die gesetzlichen Anforderungen der EU-Badegewässerrichtlinie zeigte sich bei den eingesetzten Membranen ein 99,9 %-iger Rückhalt für alle mikrobiologischen Parameter; es wird also ein hochwertiges Filtrat zur Direkteinleitung oder Wiederverwendung gewonnen. Nach dem jetzigen Erkenntnisstand lassen sich mit dem Werkstoff Keramik nicht nur Rohrmodulanlagen wirtschaftlich betreiben, sondern auch MBR-(Membranbiorektor-)Konzepte mit getauchten Membranen lassen sich wirtschaftlich umsetzen.
Trotz des engen Zeitrahmens konnten mehrere Pilotanlagen in gänzlich unterschiedlichen Bereichen erfolgreich betrieben werden. Es wird eine zweite Projektphase von allen Beteiligten angestrebt, in der eine weitere Maßstabsvergrößerung (Up-scaling) der Anlagen stattfinden soll und die durch längerfristigen Betrieb eine weitere Optimierung im Bereich der langfristigen Flux-Stabilisierung sowie der Plattengeometrie ermöglicht. Weitere Modulmodifikationen hinsichtlich einer kontinuierlichen, mechanischen Reinigung während des Filtrationsbetriebs werden angestrebt. Zusätzlich sollen neue Bereiche und Anwendungsfel-der, wie z. B. die Kombination mit anaeroben Verfahren zur Industrieabwasserbehandlung, für die kera-mische Membranfiltration erschlossen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Aachener Membrantagung 2005, Vortrag
Wasserwirtschaftliches Kolloquium des ISAH, 2005
Hochschulinformationstag der Leibniz Universität Hannover, 2006
Industriel Water 2006, Frankfurt, Vortrag
Innovationspark der DBU, Melle, 07.2006
Unitransfer Messe, Leibniz Universität Hannover, Kontaktpunkt Industrie und Hochschule, 2005


Fazit

Die keramische Membran zeichnet sich durch in vielerlei Hinsicht geeignetere Materialeigenschaften gegenüber Polymermembranen aus. Hohe thermische, mechanische und chemische Stabilitäten ermöglichen einen Einsatz in MBR-Systemen mit starken Schwankungen im Abwasserzulauf (Mengen, Konzentrationen, Feststoffanteile, Temperatur). Auch MBR-Konzepte mit Problemabwässern, die zu starkem Biofouling neigen, können aufgrund des guten Anti-Fouling-Verhaltens und der einfachen Membranreinigungsprozeduren stabil betrieben werden. Darüber hinaus können auch viele aggressive Abwässer durch derartige Membranen behandelt werden.
Nachteile von MBR-Konzepten mit keramischen Membranen waren bisher das hohe Gewicht, die erreichbare Packungsdichte des keramischen Moduls und die Sprödigkeit des Membranwerkstoffs.
Hinsichtlich der Erstinvestitionen liegen keramische Membransysteme derzeit noch auf höherem Preisniveau im Vergleich zu Polymermembranen. Aufgrund der Materialeigenschaften keramischer Membranen lassen sich jedoch deutliche Vorteile bei den Reinvestitionen und im Betrieb darstellen.
Die Projektergebnisse sind bereits im Pilotmaßstab so viel versprechend, dass ein weiterer Arbeitsschritt zur Maßstabsvergrößerung (zweite Projektphase) angestrebt wird, um eine Anlage mit mindestens 25 m² Membranfläche betreiben zu können. Damit sollen die Ergebnisse der ersten Versuchsphase verifiziert und langfristige praxisnahe Versuche umsetzbar werden, die als weiterer Schritt zur Praxisanwendung von Keramikmembranen in der Abwasserreinigung nötig sind. Als weitere Schwerpunkte werden die Kombinationen des MBR-Verfahrens mit Aufwuchsträgern und eine kontinuierliche, mechanische Reini-gung der Membranoberfläche angestrebt.

Übersicht

Fördersumme

169.921,00 €

Förderzeitraum

01.10.2004 - 19.10.2007

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Ressourcenschonung
Umwelttechnik