Ermöglichung der wiederverwendeten Abwässer als alternative Wasserquelle durch vollständige Untersuchung von Biofilmentwicklung, Biofilm verstärkter Konzentrationspolarisation und Einfluss von Betriebsbedingung und CIP auf langfristigen Betrieb

Stipendiatin/Stipendiat: Zhao Li

Die deutsche Wasserversorgung für die kommunale und industrielle Nutzung (Energie, Verkehr und Produktion) wird größtenteils aus Süßwasser gespeist, das aus Grundwasserleitern und Flüssen gewonnen wird - ein Bedarf von rund 2,8 Mrd. m3 pro Jahr. Durch die wachsende Bevölkerung und Industrietätigkeit in Verbindung mit dem Klimawandel sind die vorhandenen Süßwasserquellen einem zunehmenden Wasserstress ausgesetzt. Alternative Wasserquellen müssen in die Wasserversorgungskette integriert werden, um eine übermäßige Entnahme zu verhindern und die ökologischen Folgen in wasserarmen Regionen abzumildern. Behandeltes Abwasser bietet aufgrund seiner hohen volumetrischen Produktion und seiner derzeitigen Einleitung als Abfallprodukt in die Umwelt - allein in Deutschland werden über 9,8 Mrd. m3 biologisch gereinigtes kommunales Abwasser eingeleitet - Potenzial als alternative Wasserressource. Es wurden zwar Anstrengungen unternommen, kommunales Abwasser für die indirekte Wiederverwendung für nicht/- trinkbare Zwecke durch Ultrafiltrationsmembranen (UF) und Umkehrosmose (UO) für die Endreinigung zu behandeln, aber die biologische Stabilität des gereinigten Abwassers reichte nicht aus, um die Zunahme des mikrobiellen Wachstums aufgrund der nur teilweisen Rückhaltung von assimilierbarem organischem Kohlenstoff (AOC) zu verhindern. Vorläufige Studien haben gezeigt, dass die Kurzzeit-Batch-Filtration eine hohe Rückhaltung von AOC bewirkt. Der Langzeitbetrieb der UO-Membrantechnologie in Abwasserwiederverwendungssystemen ist durch eine Abnahme der Permeatqualität aufgrund der Entwicklung eines Biofilms gekennzeichnet. Es ist bekannt, dass die Entwicklung eines Biofilms auf der Oberfläche der Umkehrosmose-Membran zu einem Phänomen beiträgt, das als "Biofilm-verstärkte Konzentrationspolarisation" (BECP-biofilm enhanced concentration polarisation) bezeichnet wird und von dem früher nachgewiesen wurde, dass es die Salzübertragung durch die Membranbarriere erhöht. Im vorliegenden Antrag werden wir über den Stand der Technik hinausgehen, indem wir ermitteln, inwieweit eine durch Biofilm verstärkte Konzentrationspolarisation die biologische Stabilität von gereinigtem Abwasser durch eine Zunahme nicht nur der anorganischen, sondern auch der organischen gelösten Stoffe beeinflussen kann. Membran Fouling-Simulatoren werden unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen betrieben: (i) Nährstoffverfügbarkeit, (ii) Permeatflussrate (iii) Querströmungsgeschwindigkeit, wobei die entsprechenden physikalischen Strukturen des Biofilms mittels optischer Kohärenztomographie (OCT) online überwacht werden sollen. Die sich daraus ergebenden Unterschiede in der Biofilmstruktur und -aktivität werden mit dem Fluss organischer gelöster Stoffe durch die UO-Membranen und dem entsprechenden mikrobiellen Nachwuchspotenzial im resultierenden Permeat in Verbindung gebracht. Dies wird die Identifizierung praktischer Prozesskontrollen zur Steuerung der Biofilmentwicklung und des Auftretens von Konzentrationspolarisationen unterhalb der Störschwelle (d.h. Lösungsmittelübertragung, biologische Stabilität) ermöglichen. Eine verbesserte biologische Stabilität von gereinigtem Abwasser wird einen bedeutenden Engpass überwinden, der die weit verbreitete Anwendung von Wasserwiederverwendungspraktiken einschränkt, und somit Fortschritte bei der Nutzung alternativer Wasserquellen und dem Schutz von Süßwasser ermöglichen.

Förderzeitraum:
01.01.2023 - 31.12.2025

Institut:
RWTH Aachen Universität Institut für Siedlungswasserwirtschaft Research Group Leader

Betreuer:
Dr. Peter Desmond

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: https://www.isa.rwth-aachen.de/cms/~rwqe/ISA/