Optimierung der Energiebilanz von Membranbioreaktoren

• Optimizing the energy balance of membrane bioreactors

Krebber, Katrin Nikola; Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013, 2014)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Kurzfassung

Membranbioreaktoren (MBR) erreichen durch Filtration bei der Reinigung kommunaler Abwässer eine hervorragende Wasserqualität und einen weitgehenden Rückhalt von Bakterien und Viren. Im Vergleich zur konventionellen Abwasserreinigung weisen sie weitere Vorteile wie z.B. einen geringeren Platzbedarf auf. Nachteilig ist jedoch der erhöhte Stromverbrauch. Während der Filtration entsteht auf den Membranen eine Deckschicht, die durch energieintensive Belüftung unterhalb der Membranmodule kontinuierlich abgetragen werden muss. Die Energiebilanz von MBR wird zudem dadurch verschlechtert, dass sie mit hohem Schlammalter als simultan aerob stabilisierende Anlagen bemessen und betrieben werden. Dies steigert den Strom¬verbrauch infolge eines erhöhten Sauerstoffbedarfs der Mikroorganismen, ferner wird so kein Strom durch anaerobe Klärschlammstabilisierung erzeugt. Im Rahmen der Arbeit wurden Maßnahmen zur Optimierung der Energiebilanz für MBR erarbeitet und mit Praxisbeispielen belegt. Hierzu wurden Daten aus dem mehrjährigen Betrieb von sieben gro߬technischen MBR genutzt. Darüber hinaus wurde eine Modellanlage für MBR erstellt, anhand derer die Optimierungsansätze hinsichtlich ihrer energetischen Auswirkungen überprüft sowie neue Konzepte theoretisch untersucht wurden. Der mittlere spezifische Stromverbrauch der untersuchten MBR liegt je nach Rand-bedingungen und erfassten Aggregaten zwischen 0,73 und 1,83 kWh/m³ bzw. ca. 49 und 208 kWh/(E•a). Als Hauptstromverbraucher verursachen die Membrangebläse im Durchschnitt 53% des Gesamtstromverbrauchs. Diese bieten jedoch verschiedene Ansatzpunkte zur Optimierung. Die Intensität der Membranbelüftung ist seitens der Hersteller vorgegeben und unabhängig vom Filtrationsfluss. Daher ist der Betrieb mit möglichst hohem konstantem Fluss vorteilhaft. Er ist jedoch abhängig von einigen anlagenspezifischen Randbedingungen und stets ein Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Deckschichtbildung. Des Weiteren muss die Intensität der Membranbelüftung überprüft werden, um eine Überbelüftung zu vermeiden und sie gegebenenfalls den Erfordernissen z.B. mit Frequenzumformung anzupassen. Als grobblasige Belüftung sollte sie nie zum Sauerstoffeintrag aktiviert werden. Nach längeren Stillstandszeiten einer Membrankammer werden die Membrangebläse eingesetzt, um anaerobe Zustände und ein Absetzen des Belebtschlammes zu vermeiden. Zur Begrenzung dieser Zwangsbelüftung sollte die aktive Membrankammer häufig, möglichst nach jedem Filtrationsintervall gewechselt werden. Es wird im Takt-Pause-Intervall filtriert, um Deckschichten effektiv abzutragen. Hierbei wird die Filtration periodisch unterbrochen jedoch weiter belüftet. Daher sollten Filtrationszyklen nicht vorzeitig abgebrochen werden, um einem ungünstigen Verhältnis zwischen belüfteten Filtrationspausen und gewonnenem Permeat entgegenzuwirken. Vor Filtrationsbeginn ist genügend Abwasser für einen vollständigen Filtrationszyklus zu speichern. Auch bei anderen Aggregaten, wie den Permeatpumpen, den Rezirkulationspumpen oder den Rührwerken wurde Optimierungspotential identifiziert. Die Anordnung der Membranmodule in separaten Membrankammern hat gegenüber der integrierten Anordnung im Belebungsbecken energetische Nachteile, bietet jedoch betriebliche Vorteile. Der spezifische Stromverbrauch nimmt mit steigender hydraulischer Anlagenauslastung ab. Diese ist jedoch bei den untersuchten MBR mit im Mittel 14% bis 45% gering. Somit ist eine Betriebsführung, die die Menge des Anlagenzulaufs berücksichtigt, energetisch sinnvoll. Zunächst ist die Anzahl der filtrierenden Module an den Zufluss anzupassen. Darüber hinaus sollte der Betrieb energieintensiver Aggregate an den Zufluss angepasst werden. Korrelieren die Laufzeiten der Aggregate mit der hydraulischen Auslastung der Anlage, ist dies ein Zeichen für eine energieorientierte Betriebsweise. MBR werden bisher als simultan aerob stabilisierende Anlagen mit einem Bemessungsschlammalter von 25 d ohne Vorklärung gebaut. Der Sauerstoffbedarf steigt mit höherem Schlammalter an, da organische Abwasserinhaltsstoffe weiter mineralisiert werden. Teilweise ist das Schlammalter bei den untersuchten MBR sehr hoch und Optimierungspotential durch Senkung des Schlammalters vorhanden. Sowohl für den Stromverbrauch als auch für den stabilen Betrieb eines MBR scheint sich der Betrieb einer Vorklärung positiv auszuwirken, wie die Erfahrungen mit zwei der untersuchten MBR und Berechnungen anhand der Modellanlage zeigen. Die Untersuchungen zur anaeroben Klärschlammstabilisierung anhand der Modellanlage ergaben, dass insgesamt Einsparungen zwischen 0,25 kWh/m³ (16 kWh/(E•a)) und 0,32 kWh/m³ (20 kWh/(E•a)) entsprechend 39,5% bis 53,6% gegenüber der konventionellen Konfiguration zu erzielen sind. Es wird aus energetischer Sicht empfohlen, zukünftig jeden größeren MBR mit Vorklärung und Faulung zu bauen und eine Nutzung des Faulgases zu realisieren.

Einrichtungen

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