Membranbioreaktoren zur industriellen Abwasserreinigung

• Membrane bioreactors for industrial wastewater treatment

Baumgarten, Sven; Dohmann, Max (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2007, 2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Kurzfassung

Membranbioreaktoren (MBR) zur Reinigung organisch verschmutzter Abwässer zählen zu den bedeutenden Entwicklungen der letzten Zeit. Sie basieren auf der Weiterentwicklung der biologischen Abwasserreinigung mit suspendierter Biomasse, wobei Membranen zur Trennung von Biomasse und biologisch gereinigtem Wasser eingesetzt werden. Wesentliche Vorteile von MBR gegenüber bestehenden biologischen Abwasserreinigungstechniken sind die höhere Ablaufqualität sowie der geringere Platzbedarf. Speziell für den industriellen Einsatz von MBR sind beide Merkmale von besonderer Bedeutung, da zusätzlich zu Zielen des Gewässerschutzes die innerbetriebliche Wiederverwendung des gereinigten Abwassers ermöglicht werden kann. Entscheidende Voraussetzungen für den Einsatz sind jedoch die technische Machbarkeit sowie die Wirtschaftlichkeit. Beide Kriterien werden maßgeblich durch die Filtrationsleistung der Membrantrennstufe, die über den Membranflächenbedarf und die Betriebskosten entscheidet, und die Reinigungsleistung bzw. Ablaufqualität bestimmt. Im kommunalen Bereich liegen aufgrund der Vielzahl von Anwendungen und der Ähnlichkeit des behandelten Abwassers bereits umfangreiche Erkenntnisse zur Reinigungs- und Filtrationsleistung vor. Für den industriellen Einsatz von MBR hingegen sind große Leistungsunterschiede bekannt, die auf eine unterschiedliche Prägung industrieller Abwässer zurückzuführen sind. Bislang liegen jedoch kaum detaillierte und übertragbare Erkenntnisse zu den Ursachen der Leistungsunterschiede vor. Daneben verbleiben Erkenntnisse aus dem Betrieb pilot- wie auch großtechnischer Anlagen zumeist beim Betreiber. Um eine Basis für einen optimierten Einsatz von MBR im industriellen Bereich zu schaffen, erscheint eine genauere, übergreifende Untersuchung der Leistungsunterschiede sinnvoll. Schwerpunkte dieser Arbeit waren es, zentrale Einflüsse auf die Leistung von MBR zu identifizieren und Untersuchungsmethoden zu ermitteln, um die Leistung zu charakterisieren sowie nach Möglichkeit vorherzusagen. Die ermittelten Erkenntnisse wurden weitergehend genutzt, um geeignete Ansätze zur Leistungssteigerung abzuleiten. Im Rahmen der Untersuchungen wurden unterschiedliche Abwässer der chemischen, pharmazeutischen, textilveredelnden und papierverarbeitenden Industrie sowie hochbelastete Prozesswässer aus der Abfallablagerung, Bioabfallvergärung und Klärschlammbehandlung in MBR behandelt. Die ausgewählten Abwässer repräsentieren einen weiten Bereich hinsichtlich der zu eliminierenden Schmutzstoffe, deren Konzentrationen und der biologischen Abbaubarkeit. Entsprechend wurden starke Unterschiede in Bezug auf die Reinigungs- und die Filtrationsleistung ermittelt. Für einige Abwässer erscheint auf Grund der unzureichenden Leistung zunächst kein technischer bzw. wirtschaftlicher Einsatz eines MBR möglich. In Bezug auf die Reinigungsleistung bestimmt die biologische Abbaubarkeit der gelösten, niedermolekularen Abwasserinhaltsstoffe die erzielbare Reinigungsleistung. Diese kann hinreichend genau in labortechnischen Abbauversuchen bestimmt werden. Die Trenngrenze der eingesetzten Mikro-/ Ultrafiltrationsmembranen ist hingegen von untergeordneter Bedeutung. Die erzielbare Filtrationsleistung wird maßgeblich durch die Verschmutzung der Membranen durch die Verschmutzungsfaktoren "kolloidales Fouling" und "Scaling" bestimmt. Es wurden geeignete Testmethoden ermittelt, anhand derer das Fouling- und Scalingpotential von Abwässern bzw. Belebtschlamm-Wasser-Gemischen vorhergesagt werden können. Ausgehend von diesen zentralen Erkenntnissen wurde in weiterführenden Untersuchungen ein umfangreiches Optimierungspotential zur Leistungssteigerung ermittelt. Eine Steigerung der Reinigungsleistung kann alternativ zur Nachschaltung weitergehender Verfahrensstufen durch die simultane Zugabe pulverisierter Aktivkohle realisiert werden. Zur Verminderung der Fouling- und Scalingneigung wurden verschiedene Ansätze zur vorgeschalteten oder simultanen Störstoffelimination erfolgreich erprobt. Anhand einer kritischen Bewertung der untersuchten Optimierungsansätze wurde gezeigt, dass diese in vielen Fällen nachhaltig und wirtschaftlich zur Leistungssteigerung einsetzbar sind. Die im Rahmen der Arbeit gesammelten Erkenntnisse können genutzt werden, Betriebsprobleme bestehender MBR-Anlagen zu beheben, deren Betrieb wirtschaftlicher zu gestalten oder den Einsatzbereich von MBR auch auf die Behandlung bislang als problematisch definierter Abwässer auszuweiten.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft und Institut für Siedlungswasserwirtschaft [314110]