Projekt 02387/01

Praktische Erprobung von Membranfiltrationen zur Intensivierung der anaeroben und aeroben Reinigung von IndustrieabwÀssern

ProjekttrÀger

UniversitĂ€t HannoverInstitut fĂŒr Siedlungswasserwirtschaft undAbfalltechnik
Welfengarten 1
30167 HannoverZielsetzung und Anlass des Vorhabens In der industriellen Abwasserbehandlung wird fortwĂ€hrend nach neuen, vorteilhafteren Verfahrenstechniken gesucht. Die Mikrofiltration kann die LeistungsfĂ€higkeit einer biologischen Behandlung deutlich verbessern. Der filtrierte Ablauf ist feststofffrei. Damit wird eine QualitĂ€t erreicht, die es ermöglicht, das behandelte Abwasser als Brauchwasser einer Mehrfachnutzung zuzufĂŒhren. Der belebte Schlamm wird durch die Mikrofiltration vollstĂ€ndig zurĂŒckgehalten. Die gezielte Anreicherung spezialisierten Biozönosen, gerade im anaeroben Milieu problematisch, wird damit möglich. Ziel der Untersuchungen war es, die Auswirkungen der Verfahrenstechnik auf die biologische LeistungsfĂ€higkeit zu untersuchen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen der Auswirkungen der Verfahrenstechnik der Querstrom Mikrofiltration auf die LeistungsfĂ€higkeit aerober und anaerober biologischer SchlĂ€mme wurden in halbtechnischen Maßstab in mehreren Versuchsreihen durchgefĂŒhrt. In Vorversuchen (100 l Reaktoren) waren die Auswirkungen va-riierter Maschinentechnik (Pumpen, Membranen, Druckhalteventile) herauszuarbeiten. Das Bauteil, welches den grĂ¶ĂŸten Einfluß ausĂŒbt (hier: die Pumpen), wurden weitere Versuchsreihen angesetzt. Die Flockenstruktur, Parameter der biologischen LeistungsfĂ€higkeit und der Filtrierbarkeit, wird durch PumpvorgĂ€nge nachhaltig beeinflußt. Die Zerfallsrate war in AbhĂ€ngigkeit der Pumpen zu untersuchen. An Hand der Ergebnisse wurde die membrantechnische ErgĂ€nzung einer bestehenden halbtechnischen Anaerobanlage (3 Reaktoren ĂĄ 4 m3) konzipiert und betrieben. Die Steigerung, bzw. der Erhalt der biologischen SchlammaktivitĂ€t war die Vorgabe, an der sich die Betriebsweise der Membranfiltration orientieren mußte. Die Bestimmung der AktivitĂ€t erfolgte ĂŒber einfache Batchtests, in denen die Gasproduktion bestimmt wurde. Die Membranfiltration wurde fĂŒllstandsgeregelt diskontinuierlich, bzw. kontinuierlich mit PermeatrĂŒckfĂŒhrung betrieben. Zur Vorabtrennung des Schlammes wurde zeitweise ein NachklĂ€rbecken eingesetzt. Zum Vergleich wurde ein mit schwimmendem Festbett gefĂŒllter Reaktor parallel betrieben. Als Substrate wurde Kartoffelfruchtwasser, essigsĂ€urehaltiges Abwasser und aufgelöste und angesĂ€uerte SprĂŒhsĂŒĂŸmolkepulver eingesetzt. Ergebnisse und Diskussion Aerobe Untersuchungen: In den Testreihen wurden verschiedene Pumpen und Schieber auf ihre EignungsfĂ€higkeit beim Einsatz in einer Membranfiltration untersucht. Batchversuche waren bewußt auf die SchĂ€digung der Flocke ausgerichtet. Schonende EinflĂŒsse, wie geringere UmwĂ€lzraten, oder regenerierende, wie eine Substratzugabe, wurden vermieden. Als Schlamm wurde frischer Überschußschlamm einer kommunalen KlĂ€ranlage eingesetzt. Als Ergebnis der Pumpen konnte gezeigt werden, daß Zwangsförder weniger Schaden an der Flockenstruktur anrichten und daher fĂŒr den Einsatz in einer Biomassenseparation besser geeignet sind als Kreiselpumpen. FĂŒr die Druckhalteventile ist eine solch klare Aussage nicht möglich. Die verschiedenen Bauformen zeigten mehr oder weniger die gleiche Einflußnahme auf die Flockenstruktur. Dagegen war der Druckabfall am Ventil ein sehr bestimmender Faktor fĂŒr die Flockenstruktur. Ein Druckabfall von 2,2 bar am Schieber fĂŒhrte generell zu einer deutlichen Zunahme der feinsten Partikel. Die untersuchten Membranen, eine Ultrafiltration und eine Mikrofiltration, reagierten unterschiedlich auf die Zerstörung der Flocken. Die offenere Mikrofiltrationsmembran reagierte sehr sensibel auf eine Zunahme der feinsten Partikel: der Fluß der Ultrafiltrationsmembran wurde teilweise unterschritten. Bei bei-den Membranen bewirkte eine höherer transmembraner Druck nur zu Beginn der Versuche höhere Flußraten. Nachfolgend reduzierten sich die Werte parallel zur Zunahme der TrĂŒbung. Die Ursache fĂŒr die Abnahme wird daher in der Kompaktierung und Verdichtung der Deckschicht gesehen, bedingt durch einen höheren Anteil an feinsten Partikeln. Die Kinetik einer Membranbiologie unterscheidet von der einer konventionellen Belebung, Untersuchungen zur Bestimmung der Zerfallsrate, des Schlammwachstums und der Stickstoffumsetzung zeigen. FĂŒr die zukĂŒnftige Anwendung von Membran-Bioreaktoren eröffnet sich hier ein wichtiges Arbeitsgebiet weiterer ForschungstĂ€tigkeit. Anaerobe Untersuchungen: Als wesentliche Aussage der halbtechnischen Versuche muß festgehalten werden, daß Membran-Bioreaktoren in keinem Fall leistungsfĂ€higer sind als ein parallel eingesetzte Festbettreaktor. Mit dem Festbettreaktor konnten Raumbelastungen von 13 - 15 kg CSB/(m3·d) unter betriebsstabilen Bedingungen umgesetzt werden. Mit den membranunterstĂŒtzten Reaktoren konnten dagegen nur 6 - 7 kg CSB/(m3·d) umgesetzt werden. Dieser Wert war unabhĂ€ngig von der Betriebsweise der Reaktoren, wobei folgende Ströme der Membraneinheit zugefĂŒhrt wurden: der gesamte Reaktorinhalt, Ablauf einer NachklĂ€rung und Überlauf des Reaktors. DarĂŒber hinaus wurde die Kombination Festbettreaktor und Membranfiltrationseinheit untersucht. Die Ergebnisse der AktivitĂ€tstests belegen, daß die mechanische Beanspruchung des Schlammes ursĂ€chlich fĂŒr die mangelnde LeistungsfĂ€higkeit ist. Im zweiten Einsatzfall wurde daher die Zielsetzung verfolgt, den Schlamm dadurch zu schonen, daß die maximale tĂ€gliche Laufzeit auf 8 - 12 h begrenzt wurde. Um die reduzierte hydraulische LeistungsfĂ€higkeit des Systems auszugleichen wurde die Zahl der angeschlossenen Membranmodule verdoppelt. Im Versuchs-verlauf zeigte sich, daß die Flußrate der 4 hintereinander geschalteten Module nicht ausreichte, um den Reaktorzulauf so weit zu erhöhen, daß der Reaktor an seine biologische Leistungsgrenze gefĂŒhrt werden konnte. In den Versuchsreihen zu den Auswirkungen kontinuierlicher, bzw. diskontinuierlicher Betriebsweise wurden mit aufgelöstem und angesĂ€uertem SprĂŒhsĂŒĂŸmolkepulver als Substrat deutlich höhere Raumbelastungen erzielt, als mit den anderen Substraten. Die Frage, ob die kontinuierliche oder die diskontinuierliche Betriebsweise zu einer besseren biologischen LeistungsfĂ€higkeit fĂŒhrt, kann an dieser Stelle nicht eindeutig beantwortet werden, es zeigten sich jedoch leichte Vorteile fĂŒr die diskonti-nuierliche Betriebsweise. Ein signifikanter Unterschied kann nicht herausgearbeitet werden, so daß beide AnsĂ€tze gleichberechtigt nebeneinander stehen. Ein deutlicher Vorteil der DiskontinuitĂ€t zeigt sich bei den Flußraten der angeschlossenen Membranen. Das bedeutet, daß mit der diskontinuierlichen Betriebsweise ein systeminterner Reinigungsmechanismus zur VerfĂŒgung steht, der in den bisherigen Modellen zur scherkraftlimitierten Deckschichtbildung nicht enthalten sein kann. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation VortrĂ€ge: WEF Toronto, 1995, IAWQ Singapore, 1996, NVA Amsterdam 1996, Dissertation: Martin Brockmann, Heft 98 der Veröffentlichungen des Institut fĂŒr Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der UniversitĂ€t Hannover Fazit Die Zukunft der aeroben membranunterstĂŒtzten Abwasserreinigung wird wegen der deutlich geringeren Betriebs- und Wartungskosten in der Anwendung der Niederdruckmembranen liegen. Die Anwendung in der anaeroben Abwasserreinigung wird nach den vorliegenden Ergebnissen als eine Lösung fĂŒr SonderfĂ€lle angesehen. Erst in enger Kopplung mit produktionsintegrierter Kreislaufschließung von Wasserströmen kann sich eine wirtschaftlich sinnvolle Anwendung erschließen. FĂŒr die anwendungsorientierte Forschung bieten sich weitere AnsĂ€tze, z.B. die Technik der Niederdruckmembranen fĂŒr den Einsatz in Anaerobreaktoren nutzbar zu machen.

Übersicht

Telefon

0511/762-

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Bundesland

Niedersachsen

Fördersumme

434.462,61 €

Förderzeitraum

01.12.1993 - 30.06.1996