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Fachbereich Bauingenieurwesen

 

NAWEMem Nachfiltration l

Anlass und Motivation

Der Grenzwert für die Phosphatkonzentration im Ablauf von Kläranlagen ist derzeit verbindlich in der Abwasserverordnung 2004,letzte Änderung Mai 2013, geregelt. Je nach Größenklasse der Kläranlage (KLA) gelten unterschiedliche Grenzwerte von derzeit mindestens 1 mgPGes/l.

In anderen europäischen Ländern gelten strengere Grenzwerte.
In den Niederlanden ist ein Grenzwert für Gesamtphosphor im Ablauf kommunaler Kläranlagen von 0,15 mgPGes/l und eine zusätzliche Entkeimung vorgeschrieben.

Phosphor dient in Aquatischen Ökosystemen als Nährstoff für Bakterien und Pflanzen und trägt somit zur Eutrophierung der Oberflächengewässer bei. Im Zuge der Umsetzung der Europäischen Gewässerrahmenrichtlinie mit den ambitionierten Zielen zur Verbesserung des guten ökologischen Zustands der Gewässer bis zum Jahr 2015 ist eine Verschärfung der Grenzwerte für Gesamtphosphor im Ablauf von Kläranlagen zu erwarten. Speziell in sensitiven Gebieten sollte eine P-Ablaufkonzentration von 
< 0,1 mgPGes/l erzielt werden.

 

 Zielsetzung

Die Hochschule Darmstadt untersucht im Rahmen des Projekts NAWAMem, ob die Phosphorkonzentration im Ablauf von Kläranlagen durch eine Nachfiltration mit Flächenmembranen in Kombination mit einer chemischen Fällung gelösten Phosphats auf weniger 0,1 mgPGes/l reduziert werden kann. (Abbildung 1 und 2)
Die für das MBR-Verfahren entwickelten Membranreinigungstechnologien sollen unter den veränderten Bedingungen der Nachfiltration eingesetzt und untersucht werden.

NAWEMem Schema Fällung Flockung Filtration l

 

Stand der Technik

NAWEMem REM-Aufnahme einer Flächenmembran l

Flächenmembrane (Abbildung 3) werden in Form von Membranbioreaktoren (MBR) erfolgreich in der Abwasserreinigung eingesetzt. Das Membranbelebungsverfahren kombiniert die Reinigungstechnologie der herkömmlichen biologischen Abwasserreinigung mit der Membranfiltration bei einem hohen Trockensubstanzgehalt von ca. 12 gTS/l. Die wesentliche technische Herausforderung des MBR-Verfahrens besteht darin, die Reduktion der Membrandurchlässigkeit durch Fouling zu verhindern bzw. zu reduzieren.  Fouling ist ein Sammelbegriff für alle Ablagerungs- und Verblockungsprozesse auf der  Membran und in den Membranporen. Die folgenden mechanischen Membran-  reinigungsverfahren werden im Rahmen des MBR-Verfahrens eingesetzt:

NAWEMem Reinigungsgranulat s

  • Rückspülverfahren
  • Crossflow (Ein Transportstrom der durch ein Belüftungsmodul an der Unterseite des
    Membranmoduls induziert wird um die zurückgehaltenen Partikel kontinuierlich und
    parallel zur Membranoberfläche abzutransportieren.)
  • Mechanical Cleaning Process (Für das MCP-Verfahren werden dem Crossflow
    Granulate zugegeben die die Membranoberläche
    abrasiv reinigen.)

 

Methodisches Vorgehen

Zunächst wird der Einsatz verschiedener Fällmittel zur P-Elimination im Labormaßstab untersucht. In einem zweiten Schritt wird die Nachfiltration hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zur Elimination von Phosphor im halbtechnischen Maßstab überprüft und das Verfahren diesbezüglich optimiert. Abschließend werden die Einflüsse der maßgeblichen Betriebsparameter für den Crossflow, die Rückspülung und die mechanische Reinigung mit Granulaten (Abbildung 4) auf das Fouling bzw. die Permeabilität der Membran untersucht und die erforderlichen Bedingungen für den optimalen Betrieb einer Nachfiltrationsanlage gesucht.

 

Zentrale ErgebnisseNAWEMem Darstellung Zustände Dead End Betriebs l

"Die Reduktion der Phosphatkonzentration im Ablauf der Nachfiltrationsanlage auf 0,1 mgPGes/l konnte unter Einsatz des Fällmittels Eisen(III)-chlorid  umgesetzt werden. Andere Fällmittel erwiesen sich als ungeeignet.
Das erforderliche stöchiometrische Verhältnis β von Fällmittel zu Orthophosphat wurde im Rahmen von Laborversuchen ermittelt und durch Versuche im halbtechnischen Maßstab bestätigt. Es ist ein β-Wert von 3 erforderlich.
Die pH-Wert abhängige Löslichkeitsgrenze der Fällungsprodukte im Konzentrat ist maßgebend für die Konzentration des gelösten Phosphats im Permeat. Bedingung für eine Fällung mit Eisen(III)-chlorid ist ein pH-Wert von maximal 7,5 (Abbildung 6).

In der Nachfiltrationsanlage kommt es zu einem pH-Wertanstieg. Als Ursache hierfür konnte ein Austrag an gelöster Kohlensäure durch die Crossflowbelüftung identifiziert und der Zusammenhang in Form einer empirischen Näherungsgleichung quantifiziert werden. Um den zulässigen pH-Wert nicht zu überschreiten musste der Crossflow von einem kontinuierlichen in einen intermittierenden Betrieb umgestellt werden. An Stelle eines kontinuierlichen Transportstroms folgt nun auf ein Filtrationsintervall mit Filterkuchenbildung jeweils ein Reinigungsintervall. Für diese „Dead-End Betriebsweise“ (Abbildung 5) konnten die wesentlichen Betriebsparameter ermittelt und Regeln zur Optimierung der Reinigungswirkung aufgestellt werden:

  • Der Trockensubstanzgehalt ist maßgebend für das Fouling und muss so gering  wie möglich gehalten werden
    <<1,6 gTS/l.
  • Ein Crossflowintervall ohne MCP hat nur einen geringen Reinigungseffekt.  
  • Das Granulat ist nur bei einer guten Umwälzung des Behältervolumens für den  Crossflow verfügbar. Daher ist eine gute Umwälzung Voraussetzung für das  MCP-Verfahren.
  • Bei einem Crossflow mit MCP-Verfahren ohne gleichzeitige Rückspülung ist  praktisch keine reinigende Wirkung festzustellen. Crossflow, Rückspülung und  die Verfügbarkeit des Granulats müssen bei jedem Reinigungsintervall synchron  ablaufen um eine ausreichende Reinigungswirkung zu entfalten.
  • Das MCP-Verfahren kann zur Intensivreinigung und Regeneration der  Flächenmembrane eingesetzt werden. Ob es eine chemische Reinigung  ersetzen kann, konnte im Rahmen dieser ersten Versuche nicht geklärt werden.

Untersuchungen zum MCP-Verfahren zeigten, dass ein minimaler Luftvolumenstrom von 0,35 m³/(m²*h) erforderlich ist, um einen Reinigungseffekt zu erzielen.
Das in der Versuchsanlage gewonnene Konzentrat wies einen hohen Phosphatanteil von 30 bis 60 gPGes/kgTS und einen Eisenanteil von 129 bis 258 gFe/kgTS auf.

NAWEMem Brutto-Nettoluftvolumen l

 

 

 Weitere Infos

Projekttitel

 

Nachfiltration zur weitergehenden Abwasserreinigung mit Membranverfahren (NAWAMem)

Förderung

 

Hessisches Ministerium für Wissenschaft und Kunst

Projektpartner

 

Microdyn-Nadir GmbH - Wiesbaden

Verantwortliche

 

Prof. Dr.-Ing. Stefan Krause 

Dipl.-Ing Lena Causemann

Download

 

NAWAMem Plakat v.2014

Literatur

 

 

 

Aktuelle Seite: Home Aktuelles Forschung Nachfiltration zur weitergehenden Abwasserreinigung mit Membranverfahren (NAWAMem)