Foulingverhalten einer kommunalen MBR-Anlage
Creators: name: Meuler-List, Simone
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Membranverfahren
MBR
Fouling
Betriebserfahrungen
Filtrationsleistung
chemische Reinigung
Belebtschlammbeschaffenheit
EPS
Salz-Einfluss
M/D-Verhältnis

description: Angesichts steigender Anforderungen an die Ablaufqualität, der Notwendigkeit der Ab-wasserwiederverwendung und des eingeschränkten Platzangebotes im urbanen Raum, gilt das MBR-Verfahren als Schlüsseltechnologie für die zukünftige Abwasser-behandlung. Die Vorteile des MBR-Verfahrens gehen allerdings einher mit höheren Investitions- und Betriebskosten und einer höheren Herausforderung an den Betrieb durch sogenanntes Membranfouling und chemische Reinigungen. Für einen wirtschaft-lichen und prozessstabilen Betrieb von MBR-Anlagen ist es unerlässlich, die chemische Membranreinigung zu optimieren, die Energieeffizienz von Membrananlagen zu steigern und Ursachen und Vermeidungsstrategien von Membranfouling aufzuzeigen. Bei der größten MBR-Anlage Bayerns (21.000 EW) traten ganzjährig – besonders aus-geprägt aber in den Wintermonaten – hydraulische Leistungseinbrüche auf, die eine erhöhte Reinigungshäufigkeit verursachten. Dieses ungewöhnliche Foulingverhalten gab viele Rätsel auf und führte zu einer umfangreichen wissenschaftlichen Begleitung des Anlagenbetriebs über einen Zeitraum von gut 10 Jahren. Zunächst wurden die Bemessungs-, Betriebs- und Leistungsdaten der Anlage sowie die Langzeiterfahrungen der chemischen Reinigungen grundlegend ausgewertet. Die chemischen Reinigungen führten zu einer anlagenspezifisch optimierten Reinigungs-strategie und zu neuen Erkenntnissen über die Auswirkung der Chemikalienexposition auf die Membranalterung. In 7,5 Betriebsjahren waren die Membranen einer unge-wöhnlich hohen Cl/H2O2-Exposition von bis zu 1,22 Mio ppmh ausgesetzt. Die Alterung der Membran äußerte sich durch eine offenere Struktur, was sich an einem höheren Reinwasserfluss als auch an einer geringeren Rückhalteleistung deutlich machte. In der Praxis war ein Permeabilitätsrückgang von 30 % zu verzeichnen. Bezüglich Fouling konnten Membran- bzw. Moduleigenschaften, die gängigen Pro-zessparameter der biologischen Stufe und konkrete Verdachtssubstanzen als Ursache ausgeschlossen werden. Ein negativer Einfluss von Industrieeinleitern erwies sich ebenfalls als unwahrscheinlich. Belagsanalysen identifizierten den typischen, gelartigen Membranbelag als Biofouling, so dass die Ursachen hauptsächlich in einer Beein-trächtigung des biologischen Prozesses zu suchen waren. Einen signifikanten Einfluss auf die Permeabilität wiesen vor allem Mischwasserereignisse auf, insbesondere Schneeschmelze, und stark wechselnde Schlammbelastungen. Die Permeabilitätsent-wicklung zeigte einen deutlichen Zusammenhang mit der Schlammfiltrierbarkeit (SFI) und dem Auftreten von organischen Substanzen (SMP) in der Klarwasserphase der Belebung. Die Temperatur war nicht direkt ursächlich für die Entwicklung von SFI, SMP und Permeabilität, ihr ist aber eine stark beeinträchtigende Wirkung auf den belebten Schlamm und dessen Regenerationsfähigkeit zuzuschreiben. Mehrere Indizien legten ein ungünstiges Kationenverhältnis des Belebtschlamms und Streusalz als Ursache für die Leistungseinbrüche nahe. Laboruntersuchungen belegten die grundlegende Beeinträchtigung der Belebtschlammbeschaffenheit und -aktivität durch Salz in Abhängigkeit von deren M/D-Verhältnisses. Als Gegenmaßnahme zeigte eine Ca-Konditionierung der Belebung der großtechnischen Anlage einen stabilisierenden Effekt und erwies sich als empfehlenswerte Strategie, um die Salztoleranz des Belebtschlamms zu steigern. Durch die Komplexität der Foulingproblematik ließen sich weitere Permeabilitätseinbrüche aber nicht vermeiden. Die Erweiterung der Anlagenkapazität um ein zusätzliches Membranmodul stabilisierte schließlich den Anlagenbetrieb und reduzierte die Auswirkungen des Membranfoulings und die Reinigungshäufigkeit. Bei dem neuen Modul handelte es sich um ein rotieren-des Membransystem in Kombination mit einem rückspülbaren Flachmembranlaminat, das eine innovative Weiterentwicklung gängiger Plattenmodule darstellte. Untersu-chungen zu dessen Reinigungsstrategie und Energieeffizienz belegten einen SAD von weniger als 0,1 Nm³/(m²*h), was 50 % unterhalb gängiger Literaturwerte anderer MBR-Module liegt. Diese neue Modulgeneration lässt einen Mehr-Energieverbrauch eines MBRs gegenüber einer konventionellen Kläranlage von nur noch 0,13 kWh/m³ erwar-ten. Bislang erfolgte die Bemessung der erforderlichen Membranfläche von kommunalen MBR-Anlagen unter Berücksichtigung der minimalen Abwassertemperatur in Kombina-tion mit der hydraulischen Zulaufsituation. Die zu erwartende Belebtschlammbeschaf-fenheit bzw. das Foulingpotenzial des Belebtschlamms wird bei der Planung bisher nicht beachtet. Die Erkenntnisse dieser Arbeit zeigen, dass neben der Höhe auch die Häufigkeit, Dauer und Schwankungsbreite der hydraulischen Zulaufsituation, kritische Zulauf- und Betriebsbedingungen für die Biologie und das Foulingpotenzial von Be-lebtschlamm in Form einer schlechten Schlammfiltrierbarkeit und organischer Substan-zen im Klarwasserüberstand mit einem entsprechenden Sicherheitsfaktor für die Be-messungsfluxrate zu berücksichtigen sind.