Abwasseraufbereitung Membran-Bio-Reaktoren schaffen Kapazitäten für die Abwasseraufbereitung

Im letzten Jahrhundert hat sich die biologische Behandlung des Abwassers in Kläranlagen flächendeckend durchgesetzt. Innovationen sind aber weiterhin nötig. Zunehmender Kostendruck und strengere Ablaufgrenzwerte erfordern neue Techniken in der Abwasseraufbereitung.

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Eine der entscheidenden Limitierungen bei einer konventionellen Kläranlage ist die Abtrennung der Biomasse. Es lassen sich wirtschaftlich nur Biomassekonzentrationen zwischen 3 und 5 g/l erzielen. Eine Erhöhung würde jedoch die Gesamtkapazität der Kläranlage annähernd proportional steigern. Zudem ist die Feststoffabtrennung nicht immer vollständig, so dass hier ein Teil der Biomasse zusammen mit coliformen und anderen Bakterien die Kläranlage in möglicherweise sensible Gewässer verlassen kann. Dies sind die beiden Hauptargumente für den Einsatz von Membranen zur Abtrennung der Biomasse.

In Membran-Bio-Reaktoren erfolgt die eigentliche Abwasserreinigung weiterhin durch die Biologie. Die Membran fungiert als physikalische Barriere, die nur von klarem gereinigtem Wasser überwunden werden kann, sämtliche Feststoffe einschließlich Mikroorganismen werden zurückgehalten. Darüber hinaus kann die Konzentration der Biomasse gegenüber herkömmlichen Belebungsbecken deutlich gesteigert werden, die Kläranlagenkapazität wird entsprechend erhöht. Dadurch und durch den Wegfall eines Sedimentationsbeckens ergibt sich für Neuanlagen ein deutlich geringerer Platzbedarf.

Bei den eingesetzten Membrananlagen unterscheidet man grundsätzlich zwischen externen meist rohrförmigen und getauchten Systemen. Zumindest für die aerob arbeitenden Biologien haben sich dabei heute die getauchten Systeme durchgesetzt. Die speziell für diesen Anwendungsfall konstruierten Module werden entweder direkt in das Nitrifikationsbecken oder einen angeschlossenen Filtrationsbehälter eingesetzt. Mithilfe von eingeblasener Luft wird das Wasser an der Membran entlang geführt. Diese Maßnahme führt zur Abreinigung von Schmutz auf der Membran. Auf der anderen Seite der Membran wird ein leichter Unterdruck angelegt. Das saubere Wasser wird durch die Membran gesaugt und ist auch für eine mögliche Wiederverwendung von ausreichender Qualität.

Heute schon sind tausende von großen und kleinen MBR-Anlagen zur Abwasseraufbereitung in Betrieb. Die wesentlichen Unterschiede ergeben sich durch die Bauform der Membranmodule, die die Wirtschaftlichkeit bestimmen.

Bauformen von getauchten Membranmodulen

Derzeit gibt es eine Vielfalt an Membranen und Membranmodulkonstruktionen. Gemein ist allen Bauformen die Trennaufgabe, die beim Membranbelebungsverfahren in der Separation des gereinigten Wassers von der Biomasse besteht. Mit Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen können bereits Bakterien abgetrennt werden, so dass diese Membranverfahren ausreichend für die o.g. Trenngrenze sind. Diese werden daher im Bereich der Abwasserbehandlung eingesetzt. Hier sind außerdem die transmembranen Druckverluste genügend niedrig, so dass nur wenig Energie für die Aufrechterhaltung des Unterdruckes benötigt wird. Ultrafiltrationsmembranen trennen auch Viren ab und sind in der Oberflächenstruktur glatter, so dass sie sich erheblich besser reinigen lassen. Sie sind dementsprechend für diese Anwendung besser geeignet als Mikrofiltrationsmembranen.

Bezogen auf den Membranaufbau existieren für die getauchte Anwendung derzeit zwei verschiedene Grundformen: Kapillar- und Flachmembranen, die nachfolgend beschrieben werden.

Kapillarmembranen

Kapillarmembranen werden von außen nach innen durchflossen. Die aus Bündeln von Membranen bestehenden Kapillarmodule zeichnen sich durch eine hohe Packungsdichte aus. Die Kapillaren besitzen eine Länge von etwa zwei Meter und sind je nach Hersteller beidseitig oder nur an einer Seite fixiert.

Flachmembranen

Bei Flachmembranen werden die Membranen parallel zueinander gestapelt bzw. aufgehängt. Dabei wird jeweils in die Mitte von zwei Membranen eine Platte eingefügt. Die Membranen werden am Rand mit dieser Platte verklebt oder verschweißt. Die Deckschichtkontrolle erfolgt wie auch bei den Kapillarmodulen durch eine grobblasige Belüftung unterhalb der Membranen (Spülluft). Durch Führungsbleche wird eine Zwangsströmung entlang der Membran erzeugt. Die Packungsdichte dieser Module ist geringer als bei Kapillarmodulen.

Bei Kapillar- und Plattenmodulen sind unterschiedliche Aspekte zu berücksichtigen, die nachfolgend diskutiert werden.

Kapillarmodule

Bei Kapillarmembranen ist insbesondere die Problematik der Modulverschlammung und Modulverzopfung gegeben. Die Verzopfungen entstehen durch Haare und Fasern, die sich um die Membran schlingen und nicht mehr von dem Modul abgerei-nigt werden können. Somit wächst diese Verzopfung von oben nach unten, verkleinert die wirksame Membranfläche und verhindert die sowieso schon eingeschränkte Überströmung der restlichen Membran. Eine Reinigung ist nur noch manuell möglich.

Am unteren Ende des Membranmoduls treten Verschlammungen auf. Dadurch dass die Membranen unten fixiert sind, können absinkende Feststoffe das Modul nicht verlassen und lagern sich ab. Die Verschlammung wächst nach oben, verringert wiederum die Fläche und mindert die Leistung.

Um beides zu verhindern, setzt man eine feinere Filtration (Siebweite <0,5 mm) des Rohabwassers im Zulauf der Biologie ein. Dies kann zu einer Verringerung der Probleme führen, nicht aber zu einer vollständigen Beseitigung. So bleibt das Problem der fadenbildenden Bakterien in der Biologie selbst, auch wenn man die Fasern im Zulauf entfernt. Des Weiteren verringert man möglicherweise den Zulauf von Nährstoffen soweit, dass man eine zusätzliche Rechengutwaschung durchführen muss.

Plattenmodule

Bei Plattenmodulen können Verzopfungen aufgrund der fehlenden Membranfaserbündel nicht auftreten. Die meisten Plattenmodule sind nach unten vollständig offen, sodass es auch nicht zur Verschlammung am unteren Ende der Module kommen kann. Dagegen besteht bei Plattenmodulen aufgrund der Membranhalterung im Randbereich die Gefahr der Randverblockung durch die geringeren Strömungsgeschwindigkeiten. Auch Spaltverblockungen aufgrund ungleicher Plattenabstände durch unvermeidbare Spannungen in den Platten treten in der Praxis auf. Als Lösungskonzept werden derzeit die Plattenmembranen mit einer hohen Luftmenge beaufschlagt, um der Verblockung vorzubeugen. Im Gegensatz zu Kapillarmembranen können Plattenmodule i.d.R. nicht rückgespült werden, sodass die Reinigungsstrategie eingeschränkt ist.

Vorteile von Kapillar- und Plattenmodulen vereint

Die Lösung für die beschriebenen Probleme bietet eine patentierte Neuentwicklung eines getauchten Membranmoduls von Microdyn-Nadir. Mit dieser ist es gelungen, die Vorteile von Kapillar- und Plattenmodulen zu vereinen. Erfahrungen mit Flachmembranen in anderen Plattenmodulen liegen schon seit zehn Jahren vor. Dabei werden zwei Membranen mit einem in der Mitte befindlichen Spacermaterial so verbunden, dass ein Plattenmodul ohne Platte entsteht. Die Ränder werden geschlossen und die Absaugung des Filtrates erfolgt durch ein in der Mitte angebrachtes Loch. Diese einzelnen Membrantaschen werden senkrecht zu einem Modul zusammengefügt. Um filtratseitig die Druckverluste so gering wie möglich zu halten, wird das Filtrat in der Mitte abgesaugt.

Seit diesem Jahr sind die Bio-Cel Module auch als Kassettensystem erhältlich. Mit dieser Innovation wird die Service- und Installationsfreundlichkeit des Moduls weiter erhöht und eine Unabhängigkeit der Belüftung von dem Membransystem realisiert, was sich besonders vorteilhaft bei der Realisierung von Großanlagen auswirkt. Auf der IFAT wird aus dieser neuen Bauform auch das Bio-Cel-Modul BC-400 am Markt eingeführt. Es wurde speziell für Großanlagen konzipiert und besitzt eine Membranfläche von 400 m². Aufgrund seiner mit Hohlfasermodulen vergleichbaren Packungsdichte, ermöglicht diese neue Modulgröße große Membranflächen auf kleinen Volumen unterzubringen.

Die Vorteile des neuen Membranmoduls auf einen Blick:

• Keine Verzopfung, da Flachmembranen verwendet werden.
• Keine Verschlammung, da das Modul nach unten offen ist.
• Keine Randverblockung, da die Membranen seitlich nicht begrenzt sind.
• Keine Spaltverblockung, da die Taschen flexibel sind. Innere Spannungen, die den Spalt punktuell verkleinern, treten nicht auf.
• Die Membrantaschen können rückgespült werden. Aufgrund der besseren hydraulischen Bedingungen im Spalt zwischen den Membranen ist die Wirkung deutlich besser als bei den Kapillarmembranen.
• Hohe Packungsdichte durch Fehlen der Platte.

*Der Autor ist Manager International Sales bei der Microdyn-Nadir GmbH, Wiesbaden.

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