Die Bedeutung der Filtrationseigenschaften von belebten Schlämmen beim Betrieb von Membranbioreaktoren

• The meaning of filtration properties of activated sludge for the operation of membrane bioreactors

Thiemig, Christoph; Pinnekamp, Johannes (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Der Einsatz von Membranbioreaktoren (MBR) zur Behandlung kommunaler und industrieller Abwässer bietet gegenüber den konventionellen Verfahren Vorteile hinsichtlich des Platzbedarfs der Anlage und einer verbesserten Ablaufqualität. Der wesentliche Nachteil eines MBR liegt in seinen in der Regel höheren Kosten, die sich im Wesentlichen aus einer begrenzten Lebensdauer der kostenintensiven Membranstufe und hohen Energiekosten für ihren Betrieb (Crossflow-Belüftung) zusammensetzen. Um MBR gegenüber konventionellen Verfahren wirtschaftlich zu machen, gilt es also, die erforderliche Membranfläche und den Energiebedarf für die Crossflow-Belüftung zu minimieren. Beide Aspekte werden maßgeblich von den Eigenschaften des belebten Schlamms und der filtrationsbedingten Verschmutzung der Membranen (Fouling) beeinflusst. Die Filtrierbarkeit des belebten Schlamms bestimmt die Höhe des maximalen spezifischen Flusses, mit dem die Membranfiltration über einen längeren Zeitraum ohne einen übermäßigen Anstieg der Transmembrandrücke betrieben werden kann. Mit sinkender Filtrierbarkeit des Schlammes sinkt auch der maximal mögliche spezifische Fluss und es werden größere Membranflächen zur Filtration der anfallenden Wassermenge erforderlich. Die Filtrierbarkeit wird nach derzeitigem Kenntnisstand maßgeblich von den gelösten extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) beeinflusst, die zudem die Hauptverursacher des Membranfoulings sind. Bislang existierte noch kein Messverfahren, mit dem die Schlammfiltrierbarkeit auf einfache Weise vor Ort bestimmt werden kann. Daher stand als erstes Ziel dieser Dissertation zunächst die Entwicklung eines Verfahrens, mit dem regelmäßig und kostengünstig dieser Parameter auf MBR ermittelt werden kann. Der dazu entwickelte Schlammfiltrationsindex (SFI) wird in einer offenen Rührzelle mit handelsüblichem Filterpapier gemessen. Die erforderliche Messtechnik ist auf vielen Kläranlagen bereits vorhanden bzw. kostengünstig zu beschaffen. Der SFI bildete sehr gut die saisonalen Schwankungen der Schlammfiltrierbarkeit von drei untersuchten MBR ab und zeigte eine starke Korrelation mit den gelösten EPS. Damit bietet dieses Verfahren eine einfache und schnelle Methode zur Quantifizierung dieser für das Membranfouling entscheidenden Fraktion. Als zweiter Schwerpunkt der Dissertation standen Untersuchungen zur positiven Beeinflussung der Schlammeigenschaften mit filtrationsverbessernden Hilfsmitteln. Laborversuche sowie Versuchsreihen an zwei großtechnischen MBR und zwei Pilotanlagenhaben haben gezeigt, dass mit den speziell entwickelten Membrane Performance Enhancern zwei verschiedener Hersteller eine effektive Verbesserung der Schlammfiltrierbarkeit erreicht werden konnte. Die Zugabe der Hilfsstoffe führte zu einer Anhebung des kritischen Flusses. Die während der Filtration gebildete Deckschicht war unter Einfluss der Hilfsstoffe geringer bzw. sie kann durch die Crossflow-Belüftung einfacher resuspendiert werden. Ergänzende Nitrifikations- und Denitrifikationsleistungstest zeigten keine negativen Auswirkungen der Polymerzugabe auf die biologische Leistungsfähigkeit der belebten Schlämme. Zuletzt war die Frage zu beantworten, unter welchen Randbedingungen die Zugabe solcher filtrationsverbessernder Hilfsmittel wirtschaftlich ist. Dazu wurde eine beispielhafte Wirtschaftlichkeitsanalyse vorgestellt, die die entscheidenden Randbedingungen berücksichtigt und zukünftigen Anwendern als Entscheidungshilfe dienen kann.

Einrichtungen

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